P92與316H異種鋼焊接接頭的研究

武云龍，徐祥久，2，昝斌

1．哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150046

2．高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室 黑龍江哈爾濱 150046

1 序言

隨著超超臨界鍋爐的發展，鍋爐受熱面材料性能也趨向耐高溫、耐腐蝕的方向發展。國內超超臨界鍋爐正經歷從600℃向700℃研發的階段，對材料的要求也不斷提升。因此，研究不銹鋼材料的制造，對于提高鍋爐參數有一定的實際作用。

SA-312TP316H（以下簡稱316H）屬于奧氏體耐熱不銹鋼，熱導率小，線膨脹系數大，具有奧氏體不銹鋼的所有優良特性，是奧氏體不銹鋼的典型代表，被廣泛應用于石油化工、容器及管道等行業[1]。316H的焊接特點主要有：焊縫處易形成方向性很強的粗大柱狀晶組織，使雜質和一些敏感元素在晶間形成低熔點的液態膜成為可能；焊接時間過長時，會使鉻的碳化物從奧氏體中析出，在焊縫處形成晶間腐蝕；局部不均勻加熱時，易形成較大的溫度梯度等，易導致熱裂紋的產生[2]。

因此研究316H不銹鋼與其他異種鋼焊接接頭的性能，改善兩種材料在焊接過程中存在的差異，對不銹鋼集箱，尤其是630℃/650℃的研究具有重要意義和理論價值。

2 試驗材料及方法

試驗采用φ219mm，壁厚為24mm的SA-335P92（以下簡稱P92）和316H大口徑管進行異種鋼對接及接頭性能研究，其力學性能見表1。

P92和316H異種鋼焊接試驗采用鎳基焊接材料，M-GTAW封底、SMAW填充蓋面的焊接方法，焊后進行（655±15）℃×8h消應力退火處理。本試驗設計成兩種材料對接的試驗方法（見圖1），焊接方向為向上立焊，主要焊接參數見表2。

表1 兩種鋼的力學性能

圖1 坡口形式

表2 主要焊接參數

3 試驗結果

（1）常規力學性能 焊接接頭室溫拉伸試驗兩個試樣的抗拉強度分別為619MPa和638MPa，均高于316H管子標準要求的下限值415MPa，而且兩試樣均斷裂在P92母材位置，說明焊接接頭強度滿足使用要求。焊接接頭的4個橫向側彎試樣，在經歷180°彎曲后個別出現開口缺陷，滿足標準要求，說明焊接接頭全厚度方向具有良好的抗彎曲塑性變形。拉伸試樣、彎曲試樣外觀形貌如圖2所示。

圖2 力學性能試樣

（2）金相組織 通過金相顯微分析，P92側熱影響區（HAZ）中含有大量組織性能較好的回火馬氏體，并含有少量鐵素體，母材中全部為回火馬氏體結構。圖3為光學顯微鏡下焊接接頭的金相組織照片。如圖3所示，316H熱影響區的顯微組織靠近母材一側為粗大的奧氏體晶粒，靠焊縫一側為奧氏體+鐵素體組織。

圖3 焊接接頭金相組織

圖4 硬度取樣位置

按圖4所示測試位置進行硬度檢測，在兩側母材、兩側熱影響區和焊縫5個區域內各測試3點，硬度試驗結果見表3。

表3 焊接接頭硬度測試結果 （HV10）

（3）高溫拉伸試驗 表4為316H和P92異種鋼焊接接頭在不同溫度下的高溫拉伸試驗結果，其中Rp0.2滿足GB/T 5310—2017中高溫規定值的最小允許值。

表4 高溫拉伸試驗結果

4 結束語

在P92與316H異種鋼焊接結構中，選用鎳基焊接材料獲得的焊接接頭，接頭組織和各項力學性能指標均可以滿足要求。在焊接過程中，應嚴格控制工件預熱溫度及層間溫度，改善坡口角度，采用較小的熱輸入及多層多道焊的工藝原則，保證每道焊縫寬度，可以有效控制P92和316H異種鋼焊接接頭熱影響區產生粗大組織。從長遠看，在鍋爐不銹鋼集箱，甚至是630℃/650℃電站鍋爐的應用中，316H是否可以作為主要承壓部件使用，還需要大量的試驗數據分析。