摘要：目前，随着工艺的进步，P91以及CS的焊接工艺已经成熟，但关于P91和CS的异种钢接头焊接工艺还很不成熟。通过研究其焊接性能，经过试验验证，确定了切实可行的P91和CS异种钢焊接工艺。而合理的工艺依据，可以广泛用于指导各种冷态下水压临时堵板（P91-CS）的焊接。
关键词：异种钢焊接，焊接工艺，P91和CS异种钢接头，临时堵板
1引言
随着电力工程的发展，机组容量越来越大，在实际电厂管道焊接中，异种钢焊接越来越多,有些时候需要在高合金P91管道末端焊接临时堵板来完成水压试验，但是P91、P22等材质的堵板极为罕见，且成本高昂不便采购，实际多选用碳钢临时堵板来完成水压试验。例在某电厂焊接过程中，进行水压试验时热段管道需要焊接一个临时堵板，热段管道材质为A335 Gr.P91，堵板材质为SA-36，由于P91和CS的化学元素含量差距比较大，没有成熟的焊接工艺，因此研究如何进行P91和CS异种钢焊接迫在眉睫。
2 P91和CS两种钢材焊接接头焊接性分析
2.1 P91的焊接具有以下性能
P91钢是在9Cr1Mo钢的基础上，采用纯净化、细晶化冶金技术，以及微合金化和控轧、控冷等工艺，开发出的新一代中合金耐热钢。从化学成分上看，P91钢中C、S、P含量降低了，并用V、Nb、N元素微合金化；从力学性能上看P91钢的强度和韧性改善了。这是由于该钢的强化机理与老钢种有原则的不同，即除了固溶和沉淀强化外，还通过微合金化、控轧、形变热处理及控冷获得高密度位错和高度细化晶粒的结果。该钢的供货状态为正火＋回火(730～760℃)，显微组织是回火马氏体。与T9钢相比，P91钢由于降低了碳和杂质元素的含量，焊接裂纹的敏感性明显减弱，防止裂纹产生的预热温度随之而降。应该说，该钢的焊接性有所改善。但是这并不意味着在所有的情况下都能获得满意的接头性能。
研究表明，该钢焊接性的主要问题如下：
(1)焊接裂纹敏感性。钢中合金元素种类多，总含量达10%左右，具有相当高的空淬特性，由于HAZ淬硬倾向大，冷裂纹敏感性仍较大；同时钢中含有C、Nb等促进热裂的元素，因此该钢还有一定的热裂倾向，其敏感性介于SA213—T9钢和SA213—TP304H钢之间。
(2)HAZ塑性降低。由于受焊接热循环的影响，HAZ晶粒长大倾向较大，使该区的塑性降低。
(3)HAZ的软化。由于受焊接热循环的影响，HAZ出现软化层，恶化了该区的力学性能。
(4)焊缝金属韧性的恶化。由于焊缝金属未曾经受控轧和形变热处理过程，晶粒不可能由此被细化；同时焊缝中的Nb、V元素在冷却凝固过程中难以呈微细的C、N化合物析出，因此焊缝的韧性比母材低许多。
(5)有研究显示，在一些情况下，该钢还有一定的应力腐蚀裂纹敏感性。
2.2 CS的焊接具有以下性能
CS的焊接性随含碳量增加而恶化，因为含碳量较高的钢从焊接温度快速冷却下容易被淬硬。被淬硬的焊缝和热影响区因其塑性下降，在焊接应力容易产生裂纹。CS被淬硬主要是在马氏体组织形成而引起，马氏体的数量受冷却速度影响，非常快的冷却速度可以产生100%的马氏体，从而可达到最高硬度。总之，对CS的焊接，应针对其碳含量不同而采取相应的工艺措施。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当含碳较低时，如低碳钢，应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；当含碳量较高时，如高碳钢，除了防止因这些因为应力所引起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹
2.3 长期高温作用下的碳迁移
在热影响区及高温作用下运行的接头，由于熔合区化学成分差距较大，熔合区两侧容易出现增碳和脱碳现象，高合金侧严重增碳产生粗大的碳化物，低合金侧严重脱碳，形成低强度脆性接头。
3 试验准备
3.1 母材
SA-335P91钢为改进型9Cr1Mo钢，是一种典型的马氏体耐热钢。该材料焊接性能较差，有较大的淬硬倾向，易出现冷裂纹、焊接接头脆化、HAZ区软化等问题。另外，由于马氏体钢的导热性差，焊接残余应力较大，当焊接工艺参数选择不当时，易产生冷裂纹。CS焊接性能很好。
3.2 焊材
根据两种钢材的焊接性能和使用条件，更是为了考虑到保护现场P91母材的需求，本次试验选用的焊丝是P91钢相匹配的焊丝和焊条,即ER90S-B9和E9018-B9(E9015-B9)焊材。
3.3 焊接工器具
本次试验采用钨极惰性气体保护焊和手工电弧焊,所使用的工器具有焊机、氩气、氩弧焊枪及配件、充氩工具、焊钳等。
4 焊接工艺
根据现场实际生产的需要，采用母材规格为200×100×25mm，坡口采用“V”型，坡口角度为33°±2°，对口间隙为1.5～2mm，焊丝规格为Ф2.4mm，焊条规格为2.5/3.2/4.0mm。由于P91具有一定的冷裂倾向，因此焊前应采取预热措施，预热温度205～280℃，采用火焰加热的方法。打底焊接时，根部用特制装置做氩气保护，电源采用直流正接。 填充焊接时，采用直流反接，共施焊两组试件。施焊时，熔池形成后马上加焊丝，向前移动采用连续内加丝法。填充时，接头时用电动工具将接头位置的焊缝加工成斜坡状，利于接头焊透。焊道的分布要合理，采用多层焊，焊层安排见图1，焊层不宜太厚，以减少焊缝的热输入量，降低熔池温度及层间温度，降低焊接线能量。
P91钢材的焊后热处理温度为730-775℃。根据ASME规范，异种钢接头热处理温度需依照温度要求高的一侧执行，所以实际的热处理温度取得的是P91的下限值730℃。
5 焊接接头试验
焊制的P91+CS异种钢焊接接头热处理完成后后，按ASME第IX卷焊接工艺评定规程的要求，制取两个拉伸、四个弯曲试样。
5.1 P91+CS异种钢拉伸试验
根据ASME第IX卷焊接工艺评定规程的要求，两个拉伸试验。焊接接头的抗拉强度均高于P91+CS异种钢焊接接头的规定值，试验结果合格。
5.2 P91+CS异种钢弯曲试验
根据ASME第IX卷焊接工艺评定规程的要求，对P91+CS异种钢焊接接头进行了弯曲试验，用高匹配的焊丝，弯曲试验均合格。
6 结语
P91+CS临时堵板焊接过程中，为保护P91母材选用了高匹配的焊接材料，采用多层多道焊，小电流小线能量输入，注意掌握焊接技巧，同时进行背部充氩保护，得到的焊接接头各项理化性能较好。
参考文献
［1］ASME Boiler and Pressure Vessel CodeAn International CodeSECTION IX Welding, Brazing, and Fusing Qualifications
［2］ASME Code for Pressure Piping, B31.1
【作者简介】姓名：安宝军工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：焊接专业专工。
论文作者:安宝军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：裂纹论文; 异种论文; 合金论文; 焊接工艺论文; 焊丝论文; 温度论文; 应力论文; 《电力设备》2018年第19期论文;