T/P92钢焊条的研制及其性能测试研究

2017-11-10

焊接 2017年9期

(1.机械科学研究院哈尔滨焊接研究所,哈尔滨 150028; 2.中国电建集团上海能源装备有限公司,上海 201316)

T/P92钢焊条的研制及其性能测试研究

吕天民1李连胜1公茂涛2

(1.机械科学研究院哈尔滨焊接研究所,哈尔滨150028; 2.中国电建集团上海能源装备有限公司,上海201316)

对研制的T/P92钢配套焊条进行部分性能测试并对结果进行分析和探讨。试验结果表明，焊条熔渣的物理和化学参数具有理想的焊接工艺性能，PP-R727焊条的熔敷金属的力学性能均能满足工程要求，水银法测得PP-R727焊条的熔敷金属的扩散氢含量为2.1 mL/100 g，达到超低氢焊条水平。另外，测得PP-R727焊条熔敷金属的奥氏体转变开始温度AC1为795 ℃。通过斜Y形坡口试验，测得PP-R727焊条的冷裂纹止裂预热温度为150 ℃。SEM分析结果表明，焊条熔敷金属在高温下具有良好的塑性和抗氧化性。

T/P92钢焊条性能测试

0 序言

为减少有害、温室气体的排放量，火力发电技术发展的趋势是采用超超临界燃煤发电技术以提高蒸汽参数来提升火电机组的热效率[1-2]。超超临界发电技术苛刻的蒸汽参数需要铁素体耐热钢具有良好的力学性能和抗氧化性能，因此研制新型高铬钢成为发展超超临界机组的关键环节。T/P92钢是在T/P91钢的基础上添加1.8%W元素，适当减少0.5%Mo马氏体耐热钢，适用于蒸汽温度在580～620 ℃的超超临界机组高温受热面和主蒸汽管道等关键部件。与T/P91钢相比，T/P92钢的高温蠕变断裂强度提高了25%～30%，在600 ℃/1.0×105h的持久强度达到130 MPa；与奥氏体高温耐热钢相比，T/P92钢具有焊接性能好，热膨胀系数小，抗疲劳性能好以及价格便宜的优点。与9Cr系列的其余常用耐热钢相比，T/P92钢耐高温腐蚀和抗氧化性能相似，但高温强度和蠕变性能大大提高。

随着超超临界火电机组的不断建设，T/P92钢必将得到广泛应用，且国产T/P92钢的显微组织、力学性能及高温蠕变持久性能等方面均达到与国外同类钢种基本相当的水平。但目前T/P92钢配套使用的焊接材料主要依赖进口，日本神钢、欧洲伯乐-蒂森、奥林康、曼彻特、美国哈伯特等公司。国内的一些企业如大西洋焊接材料股份有限公司、天泰公司、宝钢研究院等均在积极研发T/P92钢的焊条、TIG焊丝、埋弧焊材。

文中的研究内容对实现T/P92钢焊条的国产化、打破高端进口焊接材料的垄断、满足国内电站建设需要具有重大意义。

1 试验材料及方法

1.1 试样材料

将所研制T/P92钢配套使用的焊条命名为PP-R727，熔敷金属化学成分符合AWS 5.5 E9015-B92标准。考虑到焊缝金属化学成分的均匀性以及力学性能的稳定性，焊条在研制时采用焊芯过渡为主的形式，其中焊芯选用H08Cr9WMo。焊条药皮设计采用超低氢钠型，利用正交法反复试验，最终调配出工艺性能理想的配方。焊条熔敷金属以及焊芯化学成分见表1。

表1 熔敷金属及焊芯化学成分(%)

1.2 试验方法

焊缝全熔敷金属的常规力学性能测试试样在制备时，采用母材为15CrMo的钢板，为防止母材对焊缝的稀释，事先在母材坡口上堆焊焊缝金属隔离层(厚度≥3 mm)。焊接试板测试按照GB/T 5118—2012《热强钢焊条》规定进行。焊接规范及焊后热处理工艺制定如图1所示[3-4]。

图1 焊缝熔敷金属焊后热处理工艺

对熔敷金属完成以下试验：

(1)常温力学性能进行测试。

(2)采用水银法按照ISO 3690：2012标准测高温短时高温下断口形貌；测定焊条熔敷金属的扩散氢含量。

(3)利用Formastor-F Ⅱ全自动相变仪测定熔敷金属的相变点。

(4)采用斜Y形坡口测定焊条的焊接冷裂纹敏感性。

(5)利用SEM分析测试焊条熔敷金属高温短时高温下断口形貌。

2 试验结果及讨论

2.1 焊条熔渣的物理化学性质

熔渣的熔点主要取决于熔渣的化学成分。一般焊条熔渣的熔点较熔敷金属的熔点低200～450 ℃[5]，研制的PP-R727焊条熔渣熔点约为1 250 ℃(如图2中A区域范围)，比PP-R727熔敷金属的熔点约低200～250 ℃，保证该焊条具有较好的全位置焊工艺性能。

图2 CaF2-CaO-SiO2渣系图[12]

熔渣粘度对熔渣保护效果、焊接操作性、焊缝成形、熔池中气体逸出等有显著影响。参照熔渣粘度计算方法[6]，PP-R727熔渣粘度在1 500 ℃左右时为0.6～0.8 Pa·s，适合全位置焊接的要求。

熔渣碱度是判断焊接熔渣碱性强弱的指标。按照国际焊接学会推荐的关于熔渣碱度计算公式[5]，熔渣碱度值为BIIW=1.98，熔渣为高碱度碱性渣。高碱度有利于焊缝金属中夹杂物的净化以及溶解氧、扩散氢的降低，从而提高焊缝金属的力学性能。

2.2 熔敷金属力学性能及扩散氢含量测试

表2是对焊条PP-R727熔敷金属的常温力学性能试验结果。由表中力学性能数据可知，研制的焊条和焊丝熔敷金属常温力学性能均能满足AWS E9015- B92要求。

测定焊条PP-R727熔敷金属的扩散氢含量为2.1 mL/100 g，达到了低氢焊条的要求(≤5 mL/100 g)。

2.3 熔敷金属的临界转变温度测定

利用全自动相变仪对研制的焊条PP-R727熔敷金属临界转变温度进行测定，结果如表3所示。其中PP-R727熔敷金属的奥氏体转变开始温度AC1=795℃，而焊后热处理温度选择760 ℃，焊后热处理温度比AC1低25 ℃，保证了熔敷金属在焊后热处理过程中不至于发生奥氏体相变，产生未回火马氏体，导致焊缝组织的变化引起的焊接接头性能降低。

2.4 焊条焊接冷裂纹敏感性试验

采用斜Y形坡口试验测定PP-R727焊条的冷裂纹敏感性。试板取自SA335 P92钢管(φ559 mm×102 mm)，尺寸为200 mm×80 mm×30 mm。

设置预热100 ℃,130 ℃,150 ℃和200 ℃四组温度进行试验，试板焊后静置一定时间后进行外观检查并解剖成试片，计算表面和根部的裂纹率以评价裂纹的敏感性。表4是PP-R727焊条焊接冷裂纹敏感性测试结果。

由表4中数据可知，P92试板在预热100 ℃和130 ℃后用研制的PP-R727匹配焊接时，在焊接接头位置均全部产生裂纹，故在较低的预热温度情况下，焊条的焊接冷裂纹敏感性较大。当预热温度达到150 ℃和200 ℃后，焊接接头未发现裂纹，此时表现出了理想的抗冷裂能力。根据冷裂纹敏感性测试，PP-R727焊条与P92钢进行匹配焊接时，其预热温度应至少大于150 ℃。

表2 熔敷金属的常温力学性能及扩散氢含量测试结果

表3 熔敷金属及P92钢管临界转变温度测定结果

表4 PP-R727焊条焊接冷裂纹敏感性测试结果

2.5 熔敷金属高温拉伸性能及SEM分析

PP-R727焊条熔敷金属高温力学性能测试结果如表5所示。在SEM下观察了φ3.2 mm焊条高温断口组织，熔敷金属高温拉伸断口是粗糙且不规则的，发生了明显的宏观变形，属于韧性断裂；两个温度下的断口均没有明显的氧化变色的现象，如图3～4所示。从断裂棱边的走向看出，断面为多点起裂的撕裂断口，而650 ℃的断口面相比600 ℃更为平整，起裂点变少，在扫描电镜下观看，两者微观形貌基本一致。