1 預(yù)熱溫度的選擇
P91鋼的Ms點(diǎn)約為400℃，預(yù)熱溫度一般選在200～250℃。預(yù)熱溫度不能太高，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織，從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時(shí)的沖擊韌性。預(yù)熱溫度的下限從哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗(yàn)可得到很好的說明。
插銷試棒采用P91鋼，直徑8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo鋼，厚20 mm，試驗(yàn)在不預(yù)熱、預(yù)熱150℃、預(yù)熱200℃、預(yù)熱250℃條件下進(jìn)行。焊條采用J707。焊接電流為165～170 A，電弧電壓為21～267 V，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 P91插銷試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)
條件 試樣
號(hào) 應(yīng)力水平
/MPa 斷裂時(shí)間
/min
不預(yù)熱 1 303.8 9 9
2 186 8 237
3 176.4 8.3 1440未斷
預(yù)熱150℃ 4 421.4 8.1 1260
5 354.8 120未斷
預(yù)熱200℃ 6 465.2 8.6 1440未斷
7 482.7 8.1 438
8 539 7.9 313
預(yù)熱250℃ 9 539 8.2 1440未斷
10 600 8.0 1440未斷
由上述試驗(yàn)結(jié)果知，在不預(yù)熱條件下，P91鋼焊接接頭的臨界應(yīng)力為176.4 MPa；預(yù)熱150℃時(shí)，臨界應(yīng)力為354.8 MPa，為P91鋼常溫屈服極限415 MPa的85.4%；預(yù)熱200℃以上時(shí)，臨界應(yīng)力大于460 MPa，超過了P91鋼常溫屈服極限。由此，為避免P91鋼焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋，預(yù)熱溫度必須不低于200℃，德國規(guī)定預(yù)熱溫度為180～250℃，美國CE公司規(guī)定預(yù)熱溫度為120～205℃。
4.2 層間溫度的選擇
層間溫度不得低于預(yù)熱溫度下限，但如同預(yù)熱溫度的選取一樣，層間溫度也不能過高。P91焊接時(shí)層間溫度一般控制在200～300℃。法國規(guī)定：層間溫度不超過300℃。美國規(guī)定：層間溫度可位于170～230℃之間。
4.3 焊后熱處理起始溫度的選擇
P91要求焊后冷卻到低于Ms點(diǎn)以下并保持一定時(shí)間再進(jìn)行回火處理，焊后冷卻速度為80～100℃/h。如果未經(jīng)保溫，接頭的奧氏體組織可能沒有完全轉(zhuǎn)變，回火加熱會(huì)促使碳化物沿奧氏體晶界沉淀，這樣的組織很脆。但是P91焊后也不允許冷卻到室溫再進(jìn)行回火，因?yàn)槠浜附咏宇^冷卻到室溫時(shí)就有產(chǎn)生冷裂紋的危險(xiǎn)。對(duì)于P91來說，最佳起始溫度為100～150℃，并保溫1h，可基本確保組織轉(zhuǎn)變完畢。
4.4 回火溫度、恒溫時(shí)間、回火冷卻速度的選擇
P91鋼冷裂傾向較大，在一定條件下，容易產(chǎn)生延遲裂紋，故焊接接頭必須在焊后24 h內(nèi)進(jìn)行回火處理。P91焊后狀態(tài)的組織為板條狀馬氏體，經(jīng)過回火可變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其性能較板條狀馬氏體優(yōu)越?；鼗饻囟绕蜁r(shí)，回火效果不明顯，焊縫金屬容易時(shí)效而脆化；回火溫度過高(超過AC1線)，接頭又可能再次奧氏體化，并在隨后的冷卻過程中重新淬硬。同時(shí)，如本文在前面所述，回火溫度的確定還要考慮接頭軟化層的影響。一般而言，P91回火溫度為730～780℃。
P91焊后回火恒溫時(shí)間不少于1 h，才能保證其組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。
為了降低P91鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力，必須控制其冷卻速度小于5 ℃/min。P91鋼的焊接工藝可用圖3表示。
圖3 P91鋼焊接工藝
①預(yù)熱200～250 ℃；②焊接，層間溫度200～300 ℃；③焊后冷卻，速度為 80～100 ℃/h；④100～150 ℃保溫1 h；⑤730～780 ℃回火1 h；⑥以不大于5 ℃/min速度冷卻
5 P91鋼在廣東省內(nèi)火電廠應(yīng)用實(shí)例
廣東省電力局第一焊接培訓(xùn)中心曾作過Φ42 mm×5mm的P91小徑管對(duì)接的焊接工藝評(píng)定。采取的預(yù)熱溫度為200℃，焊后冷卻到150℃，保溫1h后進(jìn)行回火，回火溫度為750～780℃，保溫1h，升降溫速度均小于5℃/min。焊后對(duì)試樣進(jìn)行外觀檢查、斷口檢查、無損檢測、拉伸和彎曲試驗(yàn)，結(jié)果均合格，這也說明上述焊接工藝是行之有效的。
上述焊接工藝已成功應(yīng)用在沙角A廠、梅縣電廠高溫再熱器外圈。P91鋼在這些電廠應(yīng)用后，由于超溫等造成的事故頻率大大降低。
6 結(jié)論
?、貾91鋼靠合金化原理，尤其是添加了少量鈮、釩等微量元素，高溫強(qiáng)度、抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有較大的提高，但其焊接性能較差。
?、诓邃N試驗(yàn)表明，P91鋼有較大冷裂傾向，選取預(yù)熱200～250 ℃，層間溫度200～300 ℃，可有效防止冷裂紋產(chǎn)生。
③P91焊后熱處理前，必須冷卻至100～150 ℃，保溫1 h；回火溫度730～780 ℃，保溫時(shí)間不少于1 h。
④以上焊接工藝已應(yīng)用于200 MW、300MW 鍋爐制造生產(chǎn)實(shí)踐中，取得滿意效果，并獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。
