摘 要： SA335P91钢属改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，与传统的Cr-Mo耐热钢相比，具 有高温强度高、抗蠕变性能和抗氧化性能好等优点。通过分析SA335P91钢的焊接性，论述了 焊缝产生冷裂纹的机理，指出了SA335P91钢焊接性能差的主要原因在于钢种本身对冷裂纹具 有组织上的敏感性，容易导致焊缝发生开裂。根据SA335P91钢焊接的特点，通过大量的试验 研究，提出了采用TIG＋SMAW的焊接方法、进行焊前预热及层间保温、控制焊接线能量以及 采取焊后热处理等工艺措施，成功地解决了SA335P91钢的焊接难题。
关键词：SA335P91钢；焊接性；焊接工艺；热处理
中图分类号：TG444 文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2008)03-0034-04
SA335P91钢属改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，具有高温强度高、抗蠕变性能和抗 氧化性能好等优点，与传统的Cr-Mo耐热钢相比，SA335P91钢不仅可以提高设备使用的安全 性，而且还能有效降低设备的重量，减少材料的用量，并为设备的安装、焊接、检验和检修 带来极大的便利。近年来，随着电站机组容量的增大，设备参数不断的提高，SA335P91钢已 广泛应用于主蒸汽管、再热蒸汽管和高温蒸汽联箱等设备的核心部件，其化学成分和常温力 学性能分别见表1、表2。由于SA335P91钢的焊接性较差，国内对其焊接还处在研究和完善阶 段，因此如何保证SA335P91钢的焊接质量成为生产应用中的一个难点。通过对SA335P91钢的 焊接性分析，经过多次焊接试验，找出了技术关键所在，制订出合理的焊接工艺措施，成功 地解决了SA335P91钢的焊接难题。
1 SA335P91钢的焊接性分析
SA335P91钢的供货状态一般为正火+回火， 组织为马氏体， 属于中合金耐热钢， 碳当量 约为2.27％，对冷裂纹具有组织上的敏感性，淬硬倾向大。在焊后的焊缝冷却过程中，由于 发生了由奥氏体组织向马氏体组织转变的相变过程，不仅造成了焊接接头处组织应力的增大 ，而且焊缝中的氢以过饱和状态残留在马氏体组织中，使得马氏体组织晶体缺陷处的氢浓度 增大，加剧了该区域组织的进一步脆化。由于SA335P91钢主要用于大直径厚壁管，因此材料 本身具有很大的结构刚性和拘束应力。 综合上述分析可见， SA335P91钢对冷裂纹较为敏感 。 此外， SA335P91钢焊接时， 如果焊接线能量过大， 会造成焊缝组织过热， 出现魏氏 组织、 粗大晶粒和网状晶界， 从而影响到接头的冲击韧性。 因此， 焊接SA335P91钢的主 要问题： 一是焊接接头处易产生冷裂纹； 二是不易保证焊接接头的冲击韧性。
2 焊接工艺方案
2.1 焊前准备
(1) 焊接方法 采用手工钨极氩弧焊（TIG）封底，焊条电弧焊（SMAW）填充、盖面的焊接 方法。焊机型号为ZX7-400S。
(2) 焊接材料 选用ER90S-B9牌号的焊丝和E9015-B9牌号的焊条，其化学成分见表3。焊 丝使用前要除去表面的油、锈、垢等污物，露出金属光泽。焊条使用前要经350～400 ℃烘焙1.5～2.0 h，置于80～100 ℃保温筒内，随取随用。
(3) 坡口制备 坡口形式及尺寸见图1。对口装配前，应将坡口及内外壁两侧15～20 mm范围内的油、[JP2]锈 、垢和氧化物等杂质清理干净，直至露出金属光泽。对口装配时，使用定位块点固坡口，定 位块的点固焊不少于三点，其材质为Q235。点固定位所用的焊材和焊接工艺与正式焊接相同 。去除定位块时，不能损伤母材，要将残留的焊疤清除干净，打磨平整。
2.2 焊接艺
(1) 焊前预热及层间温度控制 通过SA335P91钢的焊接性能分析知道，预热温度的确定除考 虑钢材的碳当量、 管壁厚度、拘束度、含氢量等因素外，还要着重考虑钢材马氏体的转 变温度。由SA335P91钢的CCT图可知，SA335P91钢的马氏体下转变温度Mf为100 ℃，上转变温度Ms为380 ℃。为了防止焊接时出现冷裂纹，其 预热 温度应在Mf与Ms点之间。现场焊接试验结果表明，当预热温度低于100 ℃时，冷裂纹的产生几率为100％；当预热温度大于200 ℃时， 基本上不会产生冷裂纹。因此，除TIG焊以外的其它工艺，不论材料壁厚多少，焊接时预热 温度至少要在200 ℃以上。考虑到TIG焊接时，接头中的扩散氢含量比较低，其 预热温度可放 宽至100～150 ℃。此外，预热温度不应过高，否则会恶化施焊环境，不利于焊 工操作，从而导致焊接缺陷的产生。
电弧焊时，层间温度应介于Mf与Ms点之间，最好控制在260～300 ℃之 间，使得每道焊缝 的金相组织在冷却后全部转变为马氏体组织，从而保证热处理后焊接接头的结晶组织为综合 机械性能最佳的回火马氏体组织。如果层间温度低于Mf点，接头处产生冷裂纹的几率 为100％，而当层间温度高于Ms点时，冷却后的焊缝结晶组织中将有残余的奥氏体组 织存在。残余奥氏体组织由于不受回火温度的影响，热处理后会转变成粗大、网状的马氏体 组织，从而导致焊接接头的冲击韧性下降，冷裂倾向加大。另外，现场焊接表明，P91钢焊 条在该温度范围内焊接时，焊条可操作性强，熔池流动性好，飞溅明显减少，焊接质量比较 好。
(2) 手工钨极氩弧焊打底及次层焊接工艺 在手工钨极氩弧焊进行打底及次层焊接时 ，为 防止SA335P91钢接头根部氧化，焊前和焊接过程中应在管内充氩对焊口根部进行保护，开始 时氩气保护流量为10～20 L/min，焊接时为8～10 L/min。具体焊接工艺参数见表4。
(3) 焊条电弧焊填充、盖面工艺 为了防止焊接接头出现冷裂纹以及保证焊接接头的冲击韧性等力学性能满足要求，焊条电 弧焊填充、盖面时，应尽量控制焊接热输入，采用短弧、多层多道、小规范的焊接工艺。层 间接头处应错开10～15 mm，每层焊道的厚度应小于等于焊条直径，焊条摆动宽 度不得超过焊条直径的4倍。焊接收弧时要注意保证收弧质量，防止产生弧坑裂纹。具体焊 接工艺参数见表5。
(4) 焊后热处理 SA335P91钢焊接完毕后,将焊缝冷却到100～120 ℃，恒 温3～4 h，待焊缝中残余奥氏体组织全部转变为马氏体组织后，方能对焊接接 头进行焊后热处理。这道工序非常重要，如果焊缝直接冷却到室温，由于焊缝的冷却速度较 快，奥氏体来不及全部转变成马氏体组织，焊缝中就会存在残余奥氏体组织。经过热处理后 ，残余奥氏体组织将转变成粗大、网状的马氏体组织，导致焊接接头的冲击韧性下降，甚至 产生冷裂纹。焊后热处理温度曲线图见图2。
3 焊接工艺评定
根据焊接工艺评定规程*的要求，对φ273×65 SA335P91钢管水平固定对接接头进行 评定，接头形式见图1，焊接工艺参数见表4、表5，环境温度22 ℃。
焊管对接接头经100％X射线探伤＋100％超声探伤，评定结果均为Ⅰ级。接头抗拉强度试验 结果：抗位强度平均值为655MPa，屈服强度平均值为573.5 MPa，延伸率平均值 为31.6％，断面收缩率平均值为52.8％，塑性断裂于热影响区。接头弯曲试验结果 ：弯曲后 的面弯、背弯和侧弯试样经10倍放大镜宏观检查，未发现裂纹。接头冲击试验结果 ：平均冲 击值为106 J/cm2。接头硬度检测结果：焊缝硬度平均值为246 H B，热影响区硬度平均值为240 HB，母材硬度平均值为224 HB。热 处理后的接头金相组织为回火索氏体。试验结果表明焊接接头的各项性能指标均符合相关标 准，证明该工艺评定是合格的，所拟定的焊接工艺方案是切实可行的。
4 结论
（1） 某发电厂主蒸汽SA335P91钢管道采用了该焊接工艺方案。目前，该设备已安全运 行5年多，表明对SA335P91钢的焊接性分析是正确的，研究制定的焊接工艺方案对于保证SA3 35P91钢焊接接头的质量是有效的。
（2） 由于SA335P91钢的焊接技术要求高，施焊环境比较差，焊工的劳动强度大，因此 施焊前必须加强对施焊人员的培训，强化焊工的质量意识，同时严格焊接全过程的控制，方 能获得令人满意的焊接质量。
参考文献：
［1］ 周振丰．金属熔焊原理及工艺［M］．北京：机械工业出版社，1984.
［2］ 李亚江．特殊及难焊材料的焊接［M］．北京：化学工业出版社，2003.
(责任编辑：李 丽)