焊后熱處理對P92鋼焊縫沖擊性能的影響

張磊 薛鵬

摘 要：在本次研究中，我們針對p92鋼焊接之后熱處理樣品的焊縫沖擊性能進行分析，通過接頭斷面的硬度結果表明，p92鋼管經過現場焊后熱處理過程中，能夠形成外高內低的溫度梯度，導致樣品焊縫外層沖擊吸收能量高于內層，而當樣品經過二次高溫回火后，內外擊吸收能量差別消失，同時提升了平均值。通過結果我們發現p92鋼焊接接頭壁厚的溫度梯度，對于鋼焊縫沖擊性能產生重要影響。

關鍵詞：焊后熱處理；P92鋼；焊縫；沖擊性能

近年來，p92是一種新型的耐熱鋼，相比其他合金鋼來說具有較強的蠕變性和高溫強度，能夠降低鍋爐以及內部構件的質量，同時相比奧氏體不銹鋼來說，具有良好的膨脹、熱傳到系數，以及良好的抗疲勞性能。相比鐵素體耐熱鋼來說也具有較強的抗氧化性和抗腐蝕。近年來，隨著工業建設的發展，目前這種材料已經廣泛適用于超臨界機組中，現有的焊接技術能夠使鋼焊接接頭性能達到相應的技術標準，但由于焊縫沖擊性能差，且不同樣品沖擊吸收能量存在較大差別，對于p92鋼焊進行熱處理之后分別沿壁厚方向從內，外區沖擊樣品進行檢測，對比沖擊吸收能量，研究焊后處理對于該焊縫沖擊系統產生的影響。

一、p92鋼焊接以及相應的焊后熱處理

根據現場條件，我們選擇的p92，其規格為306x26毫米，采用的是TIG的焊接方法，SMAW蓋面，利用雙微型的坡口，在焊接前預熱和層間溫度條件為：焊接前的TIG參數為180℃，一小時，SMAW預熱為200℃，一小時，層間溫度為250℃，其焊接材料為MTS616。TIG焊絲的直徑為2.5mm，而SMW的焊絲直徑為3.2mm。其焊接工藝規范為小線能量多層多道薄層焊接，同時焊接線的能量控制為每厘米15千焦。

完成p92鋼焊完之后，將焊縫冷卻到100℃，會發生明顯的馬氏體轉變，并且存在大量位錯和析出過飽和碳原子，其硬度能夠達到450HV，具有較強的脆性，因此無法直接使用，需要進行回火處理，在回火中析出碳化物后能夠降低位錯密度，使得回火馬氏體具有良好的力學性能，采用履帶式加熱器進行焊后熱處理，其功率為25千焦。在筒體外壁包裹利用石棉進行保溫處理，在外表面焊縫上布置測溫熱電偶，當溫度達到300℃時，按照控制加熱速度和冷卻速度，焊后熱處理需要保持四小時，760℃，恒溫焊后處理步驟具體為：焊后冷卻達到90℃時，保溫兩小時，完成焊接接頭全馬氏體轉變，達到所需的保溫時間后需要進行四小時，760℃的高溫回火，帶保溫棉冷卻到室溫二次沖擊試驗箱式爐回火，溫度為兩小時，770℃。隨爐緩冷。

二、實驗結果分析

首先比較焊縫內外層沖擊吸收能量來看，在焊縫厚度上有兩層沖擊試樣，需要分析內、外層各五個實驗進行檢測取樣位置如下圖所示。

通過結果我們發現對于外層五個實驗的沖擊能量吸收分別為54，52，31，51，60焦耳，平均為50焦耳，而內層沖擊吸收能量分別為53，26，21，13，64焦耳，平均為35焦耳，下圖為內層沖擊吸收量分別達到12焦耳和64焦耳的斷口形狀，均屬于穿晶斷裂，存在顯著的塑性形變，韌窩和撕裂棱，當沖擊能量為12焦耳時，此時斷口的窩和撕裂棱較少，當沖擊吸收能量為60焦耳時， 此時存在較多的斷口韌窩和撕裂棱。在本次研究中，我們發現相比內、外層沖擊吸收能量來說，內層平均值要低于外層，在其他條件保持不變的情況下，內外層出現顯著的沖擊吸收能量差異可能是由于焊后熱處理溫度不均勻導致的。通過比較二次高溫回火之后的沖擊能量來看，為了能夠消除焊后熱處理對于樣品產生的影響，我們需要在焊縫厚度上按照兩層區沖擊實驗在熱處理爐中完成二次高溫回火，能夠將樣品在箱式熱處理爐中保溫兩小時，溫度加熱到770℃，然后隨爐緩冷，當冷卻至室溫之后進行沖擊實驗，結果發現對于外層五個樣品來說其沖擊吸收能分別為53，61，57，51，80焦耳，平均為60焦耳，而內層五個實驗沖擊吸收能量為48，65，68，79，68焦耳，平均為65焦耳。通過結果發現經過二次高溫回火之后，樣品的焊縫沖擊吸收能量提高，同時內、外焊縫的沖擊吸收能量差異不明顯，基本能夠消除焊后熱處理溫差導致的沖擊吸收能量差異。從焊接接頭斷面硬度情況上來看，對于管道進行焊后熱處理時會沿著壁厚形成外高內低的溫度梯度，由于焊后熱處理過程中很難進行內壁測溫，因此無法準確獲得內、外壁的溫度差值，但經過焊口熱處理之后，為能夠分析樣品的焊接效果，我們可以從其接頭斷裂硬度來間接分析，如下圖所示。

上圖為p92鋼焊接接頭的硬度分布情況，從該結果我們發現焊縫的焊縫內層硬度相比外部來說要明顯升高，說明在焊后處理下存在外高內低的問題。而測溫熱電偶布置在外表面上，當溫度達到預定值，并且保溫時不會出現溫度差，此時內存溫度低，內層焊接熱處理之后，相比外層來說效果不好，進而會導致外層樣品的沖擊吸收能量高于內層。

三、討論

我們通過p92鋼材中的碳化物，包括W，V，Cr，Nb等，是碳化物形成的元素，對碳具有較強親和力，溶于馬氏體中的碳化物形成元素，進而會阻止碳從馬氏體析出，因而使得馬氏體分解過程比較緩慢，在碳鋼中，實際所有碳從馬氏體析出溫度可以達到250℃以上，在含碳化合物形成元素的鋼中，這一過程將會提升到更高溫度，因此p92鋼焊接金屬回溫溫度較高，同時還需要保留一段時間，進一步能夠充分析出碳化物，如下圖所示是p92鋼的焊縫組織，我們通過該圖片可以發現，p92鋼焊縫金屬是粗大的馬氏體組織，同時在焊縫金屬中碳化物彌散分布于晶內和晶界，且所析出的細小顆粒分布于基體中，能夠阻止合金出現位錯運動，產生顯著強化作用，當位錯繞過粒子運動時其阻力增加，會在粒子周邊形成位錯，這種位錯還會增加并繼續發生變形，使需要額外增加較大的應力，使金屬的變形抗力進一步提升。完成P92鋼的焊接之后，需要進行現場的焊后熱處理，由于加工工件比較厚，因此當溫度達到預定，加工要求之后需要進行保溫，在工件厚度上形成內外的溫度梯度，同時構件的內溫低，外溫高形成一種動態平衡，在原熱處理的情況下，由于構件的內壁焊縫組織回火不充分，主要表現于焊縫松動，硬度相比外壁來說要高，同時內部的沖擊吸收能量低。

材料缺口沖擊功是由裂紋形成功和拓展功共同構成的，材料的化學成分和實驗條件確定之后，其缺口沖擊韌性是由材料晶粒和行為組織因素影響的。隨著焊后熱處理溫度提高，p92鋼焊縫中碳，氮元素合金元素析出，固溶強化作用能夠逐漸形成沉淀強化作用，強度降低，提高塑性，同時沖擊樣品斷口的纖維區域變寬，裂紋形成功增加。p92鋼焊縫沖擊樣品中裂紋拓展其阻力來源于馬氏體柱狀晶體以及板條束界。隨著焊后熱處理溫度提高，其大小斷面連接處的撕裂棱變形增加，說明對裂紋拓展時所消耗的塑性變形和拓展功也有所增加。同時，裂紋形成和拓展功的提高也使得焊縫沖擊功隨熱處理溫度增大而增加。除此之外，研究學者表明有效控制焊接工藝，能夠防止晶內馬氏體板條束過度增長，原柱狀晶中過度增長，進一步能夠提高p92鋼焊縫沖擊韌性。

小結

我們通過p92鋼厚壁管焊口處理導致的內、外溫度梯度，對于沖擊性能進行分析來說，說明焊后熱處理對于沖擊吸收能量具有十分重要的作用，同時外層比內層的沖擊吸收能量高。對P92鋼厚壁管焊后熱處理之后，經過二次高溫回火之后能夠明顯提升焊縫內、外層的沖擊吸收能量，同時內、外層的能量值差別不大。對p92鋼進行現場焊后熱處理時，需要強化對于內外的溫度監測以及樣品的保溫，能夠盡量降低內外壁的溫差，進一步使焊縫組織獲得充分的回火處理。

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