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1、超超临界锅炉用 SA-335P92 钢的焊接工艺性能研究 超超临界锅炉用 SA-335P92 钢的焊接工艺性能研究 李宜男 杨 松 丁 冶 （哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046） 摘 要：本文通过铁研试验、热裂纹试验及热模拟试验等对超超临界锅炉用 SA-335P92 钢的焊接性 进行了研究，确定了该材料的焊接工艺参数和热处理规范。给出了 SA335P92 材料的焊接工艺要点。 关键词：超超临界锅炉 SA-335P92 钢 焊接性试验 0 前 言 0 前 言 SA-335P92 钢是目前超超临界锅炉高温过热 器 集 箱 及 主 蒸 汽 管 道 所 选 用 的 新 材 料 。 SA-3
2、35P92(SA-213T92)钢是在 SA-335P91(SA-213T91)钢的基础上， 适当降低了 Mo 元素的含量，同时加入了一定量的 W，将材料的钼当量（Mo0.5W）从 P91 钢的 1提高到约 1.5，该钢还加入了微量的硼，经上述合金化 改良后，与 9Cr 系列的其他常用耐热钢相比， 其耐高温腐蚀和抗氧化性能相似， 但高温强度和 蠕变性能得到了提高。SA-335P92 钢的化学成分 及力学性能见表 1 和表 2。 表 1 SA-335P92 钢的化学成分 C Mn Si P S Cr 标准值 0.07-0.13 0.30-0.600.50 0.020 0.010 8.50-9.5
3、0 试验值 0.11 0.44 0.21 0.018 0.002 9.03 Ni Mo W Nb V N 标准值 0.40 0.30-0.601.50-2.000.04-0.090.15-0.25 0.03-0.07 试验值 0.13 0.52 1.68 0.068 0.21 0.042 B Al Cu Ta Co Ti 标准值 0.001-0.006 0.04 - - - - 试验值 0.0026 0.006 - - - - 表 2 SA-335P92 钢的力学性能 屈服强度 （MPa） 抗拉强度 （MPa） 延伸率（）冲击 （室温）J 标准值 温度 （） 440 620 20 - 室温 5
4、49 709 22.4 60、96、100 试验值 组织 马氏体 M 晶粒度 7 级 1 SA-335P92 钢的工艺焊接性试验 1 SA-335P92 钢的工艺焊接性试验 1.1 斜 Y 坡口裂纹试验（铁研试验） 按照 GB4675.1-84 进行斜 Y 坡口裂纹试验， 试验结果见表 3。可以看出，SA-335P92 钢在进 行 150以上的预热时，没有裂纹产生。考虑到生 产 工 况 的 复 杂 性 ， 在 实 际 生 产 时 推 荐 SA-335P92 材料焊前钨极氩弧焊时预热温度 150，焊条电弧焊和埋弧焊时预热温度200 。 表 3 斜 Y 坡口裂纹试验结果 预热温度 25 100 1
5、20 150 200 表面裂纹情况 100 100 100 无 无 裂纹率 100 100 100 0 0 1.2 可变拘束热裂试验 可调拘束试验是国内外应用最为广泛 的、 能够定量评定材料热裂纹敏感性的试验 方法。本文采用横向可调拘束试验方法，如 图 1 所示。试验材料为选自两个厂家的SA-335P92 用焊接材料的熔敷金属（编号分 别为 1、2）以及 SA-335P91 用焊接材料的 熔敷金属（编号为 3） ，以便于进行对比试 验，试验用熔敷金属化学成分见表 4 所示。 10203040506070800200400600800100012001400Temperature ()Time
6、(s)Tmax: 1320Heating Rate: 100/st8/5:9.97s图 2 SA-335P92 钢焊接热循环曲线 PP弧 形 模 块R试 板C B A图 1 横向可调拘束试验示意图 表 4 试验用熔敷金属化学成分（%） 编号 C Mn Si P S Cr 1 试验值 0.10 0.63 0.25 0.005 0.008 8.71 2 试验值 0.06 0.89 0.23 0.011 0.003 9.67 3 试验值 0.10 0.17 0.22 0.009 0.005 9.28 编号 Ni Mo W Nb V N 1 试验值 0.53 0.41 1.64 0.10 0.19 0
7、.03 2 试验值 0.49 0.20 1.87 0.028 0.25 3 试验值 0.96 0.95 - 0.09 0.22 0.03 编号 B Al Cu Ta Co Ti 1 试验值 0.002 0.005 0.03 - - 0.004 2 试验值 - - - - 1.56 - 3 试验值 - 0.005 0.03 - - - 可调拘束方法评定焊接热裂纹的参数 主要有最大裂纹长度MCL、脆性温度区间 BTR、开裂临界应变量min、临界应变速率 CST。其中，min代表热裂纹在试验材料中 的萌生能力； MCL代表热裂纹在试验材料中 的扩展能力； BTR则代表材料塑性最薄弱的 温度区间， 但
8、该区间内材料塑性的薄弱程度 则无法通过BTR来体现。 材料焊接抵抗热裂纹萌生与扩展的难易程度是与材料的塑性 变形能力唯一对应的，而CST可表征材料在 整个焊接温度场内的塑性储备情况， 可综合 体现材料的抗裂性。 故本文采用临界应变速 率CST作为评定判据，从而能够全面和准确 地评定试验材料的焊接热裂纹敏感性。 可调 拘束试验规范参数见表 5，结果见表 6。 表 5 可调拘束试验规范参数 焊接电流(A) 电弧电压(V) 焊接速度(mm/min)焊接热输入(KJ/cm) 弯曲速度(mm/s)200 13.5 120 13.5 200 表 6 试验材料热裂纹敏感性试验数据列表 编号 最大裂纹长度 M
9、CL（mm） 临界应变量 min （%） 脆性温度区间 BTR（） 临界应变速率 CST（%/） 1 0.38 0.92min1.6027.8 9.3610-22 0.57 0.92min1.6053.5 5.4810-23 0 min3.20 - - 由表 6 试验结果可知， 对材料 3 施加应 变量直到 3.20%，仍无裂纹产生，而其他两 种材料在此时已经产生裂纹， 表明材料 3 的 塑性储备优于其他两种材料， 其抗裂性是三 种试验材料中最佳的， 材料 1 的抗裂性水平 优于材料 2。由此可见，SA-335P92 焊接时 熔敷金属的热裂纹倾向要大于 SA-335P91 焊接时熔敷金属的热裂
10、纹倾向，因此在 SA-335P92 焊接时， 要注意控制焊接热输入， 防止热裂纹的产生。 进行模拟。 其参数利用经验公式 Adams 公式 确定： E是焊接线能量，m3、是焊接线能 量系er 参数（即回火参数）P 表示，其公数（P）的关系见图 3。从图 3 中可以看出， 1.3 热模拟试验 焊接热模拟技术，能够确定合理的焊后热处 理参数并研究粗晶区脆化倾向， 确定脆化敏感温 度范围，为优化焊后热处理参数提供依据。 本试验采用 Gleeble-1500 焊接热模拟 试验机， 对 SA-335P92 钢过热粗晶区的组织其中， 数。 焊接热循环曲线如图 2 所示。 由于热处理包 括温度和时间的共同作
11、用， 所以用回火参数比仅 规定温度更为合理。焊后回火（即 SR 处理）规 范可用 Larson - Mill 式如下： P= T ( log t + 20 ) 10-3 式中，T 热处理绝对温度（K） ； t 热处理保温时间（h） 。 焊接粗晶区冲击韧性平均值（AKV）与回火参15161718192021220306090120150180210Ballistic pendulum : 300 JNotched Type : V TypeTest Temperature: Room Temperature27KJBallistic Work A KV( J)Temper Parameter图
12、3 回火参数P与冲击功Akv关系曲线 在回火参数 P 为 21.2621.67 时，韧性较好， 冲击功值均高于 100J。图 4 为在不6h 时断口为韧性断口且有明显的韧窝。为了避 再次形成奥氏体相， 从而形成()302cctm ETT=同温度及保免消除应力过程中 温时间进行回火处理的冲击试件断口形貌。 从图 4 可以看出，SA-335P92 钢经过快速加热到 1320 ，然后快速冷却至室温的模拟焊接热循环后， 形成的粗晶区在 750770回火，回火时间为未回火马氏体组织， 在消除焊接应力， 改善组织， 保证焊接接头韧性的前提下， 应尽量选择较低的 热处理温度。因而对于 SA-335P92 钢
13、 76010 /46h 为合理的焊后热处理参数。 a) 7506h b 图 冲击试样断口 SEM 2 P92 的使用焊接性试验 2 P92 的使用焊接性试验 通 度，焊接参数、热处理制度的基础上，我 进行工艺评定试 验。自动焊组合焊接工艺，工艺评定结果见表 7。由动焊环缝接头的性能满足产品设计的果 ) 7606h c) 7706h4过以上工艺焊接性试验， 在确定了预热温表 7 可知 SA-335P92 钢管手工氩弧焊+焊条电弧 们选择焊+埋弧自 工程中应用的 SA-335P92 钢管 试验采用的是手工氩弧焊+焊条电弧焊+埋弧要求，评定结论为合格。 表 7 SA-335P92 钢手工氩弧焊+焊条
14、电弧焊+埋弧自动焊工艺评定试验结果 试验结实验项目 试样编号 b(Mpa) 断裂位置 1 645，760 2 735，720 拉力 焊口外 3 700，700 1 合格 2 合格 3 合格 侧弯 4 合格 上部焊缝 72，48 62， 下部焊缝 52，00 78，1室温冲击（J） 热影响区 112，102 110，3 结3 结通过工艺焊接性和使用焊接性确 SA335P92 材料的焊接工艺要点： 焊接冷裂纹， 焊接前要对工件进行预氩弧焊， 采用焊 条电1杨2中国机械工程学会焊接学会.焊接手册 第 2册 材料的焊接.第出版社 .2001 3王萍等 超超临界锅炉用新材料及对焊接接 头的要求.焊接.2
15、006 界锅炉选材用材. 发，陆燕荪. 国外电站锅炉耐工领域的物理模拟技术8于启湛. 钢的焊接脆化M. 机械工业出版9hi论 论 的试验， 明 了为防止 热，预热温度钨极氩弧焊不小于 150，焊条电 弧焊和埋弧焊不小于 200。 为防止热裂纹和晶粒的粗大， 焊接过程中应 严格控制焊接线能量，层间温度应小于 300。 优先选用焊接热输入较小的钨极 弧焊时应注意多层多道焊， 焊道厚度控制在 不大于焊条直径为宜， 焊道宽度不得超过焊条直 径的 3 倍且建议焊条直径不大于 4mm。对于壁厚 较大的工件可以采用埋弧焊进行焊接， 但应选用 细丝埋弧焊，焊丝直径应在 3mm 以下。 为获得良好性能的焊接接头， 回火热处理工 艺参数选择为 76010/46h 较合理。 参考文献： 松.锅炉压力容器焊接技术培训教材.机械 工业出版社.2005 2 版 机械工业4张显. 超临界/超超临 电设备J. 2004 5赵钦新，顾海澄 热钢的一些进展J. 动力工程. 1998 6朱丽彗. 新型锅炉用耐热钢的研究进展J. 热处理. 1994 7牛济泰.材料和热加 M.北京：国防工业出版社，1999 年 社. 1992 F.Yoshida,S.Tanaka,D.Terada,H.Nakas ma,H.Abe and Hay
