丁光柱 郭未昀 孙松涛 李世会 胡传华 李红武 李报 王顺兴

摘要：通过试验研究了不同热处理方式下P92钢焊接接头的组织性能变化。结果表明：所有试样的拉伸断口均位于非焊缝区，焊缝处的拉伸性能好于母材区域。在低于700 ℃温度下保温60 min后，焊缝硬度高于母材，焊缝硬度值在35～45 HRC，母材硬度约为20 HRC，对焊缝区硬度无改善;760 ℃保温90 min焊后热处理后焊缝组织接近原始母材组织，为回火屈氏体，组织均匀细小，焊接硬度明显下降且接近母材，为最佳焊后热处理工艺。

关键词：P92钢;焊后热处理;组织;性能

中图分类号：TG156 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）10-0044-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.09

0 前言

P92钢具有高持久强度和蠕变性能等特点，被越来越多地应用于超超临界压力发电机组主蒸汽管、再热段管道等部件[1]。微观组织对管道服役表现有着极其重要的影响，因此改善其焊后微观组织显得尤为重要。通过对焊接接头进行焊后热处理，可以起到改善接头组织、减小接头应力等作用[2]。目前，随着需焊后热处理接头数量、焊后热处理所需时间和材料壁厚增加导致的温度场恶化，传统的加热方法和工艺已无法满足工程进度要求和工程质量要求。在安装焊缝中，这些接头约占总安装焊接接头的90%，以1台1 000 MW机组为例，需要进行焊后热处理的小径管焊接接头约为25 000道。提高其焊后热处理质量对于提高工程进度、降低工程成本和保证工程品质具有重要意义。

文中主要研究了不同焊后热处理方式对P92钢焊接接头的组织性能影响，找出改善P92钢接头组织性能的最佳焊后热处理方案。

1 试验材料与方法

选用SA335 P92钢管作为研究对象，规格为φ44.5×8 mm，焊接方法为氩弧焊打底、焊条电弧焊填充盖面，开V型坡口。原始管材如图1所示。热处理工艺为1 060 ℃淬火+760 ℃回火。

试样严格按照国家标准GB/T 2651-2008要求取样和加工，共取16个拉伸试样与16个硬度试样，并在其中各取12个进行热处理试验，试验方案如表1所示。

采用普通箱式电阻炉在对应温度对2～6组试样进行保温，采用可控升温速度的箱式电阻炉对7～12组试样进行相应热处理，之后进行拉伸试验、硬度试验和金相实验。

观察试样显微组织，腐蚀劑选用FeCl3固体：水=35∶65（质量比）的配比配成溶液[3]，FeCl3溶液温度为30～50 ℃，腐蚀时间20～40 s，之后进行取样拍照。

2 试验结果与分析

2.1 拉伸结果分析

将12个拉伸试样的厚度（8 mm）及宽度（6 mm）输入计算机软件Letryyl并进行标准化拉伸试验后得出不同试样所承受载荷最大值、应力最大值、屈服强度以及弹性模量，具体数据如表2所示。

拉伸断裂区域均位于非焊缝的其他区域，具体如图2所示。可以看出，所有拉伸试样的屈服强度和最大应力值差别幅度不大，且断口都位于母材区或焊接热影响区。由此可见，不同焊后热处理后焊缝区域的屈服强度均较高，抗拉性能较好。

2.2 硬度测量结果分析

以焊缝的某一边缘为0点，向试样两边每隔3 mm取点，较短边取点-1、-2、-3、-4，较长边取点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。测量各点洛氏硬度，以标记点的数字作为横轴坐标，每个点对应洛氏硬度值为纵轴坐标作图。

1号、3号、4号、5号试样的硬度曲线如图3所示，两条曲线分别表示试样两个对应侧面的硬度值情况。可以看出，1号、3号、4号试样的硬度值在焊缝区与热影响区与母材区有一个明显的突起，说明3号、4号试样的焊后热处理方式未明显改善焊缝区与热影响区硬度。1号焊态试样焊缝区硬度较高，明显高于母材区域。这是由于焊接过程中产生高温，冷却过程中焊缝区、热影响区形成了马氏体组织[4]。5号试样（750 ℃保温60 min）中的马氏体组织与残留奥氏体发生转变，焊缝及焊接热影响区的硬度大幅下降至20～25 HRC。

由此可推断，当焊后热处理温度达到一定值时，可改善焊缝区与焊接热影响区的性能。760 ℃下不同保温时间试样硬度分布如图4所示。所有试样均在室温放入炉中，通过300 ℃/h的升温再保温不同时间。其中，9号试样保温15 min，10号试样保温30 min，11号试样保温60 min，12号试样保温90 min（见表2）。

由图4可知，焊缝区硬度降至10～25 HRC，焊缝组织由马氏体+残余奥氏体转变为回火屈氏体。主要是因为焊接接头中碳化物产生偏聚及在热处理过程中部分固溶元素析出、马氏体分解、 位错密度降低等综合作用使得其硬度降低[5]。且随着保温时间的增加，焊缝与焊接热影响区的硬度与母材区的硬度越来越趋于一致。可以推断随着保温时间的继续延长，焊缝区及热影响区残余应力将会继续下降，硬度也会小幅下降，韧性会更好，但考虑到生产效率，在实际生产中选用90 min保温时间。

2.3 金相组织分析

2.3.1 母材组织

经不同工艺热处理后母材组织变化不大，如图5所示。图中1号（焊态）和12号（760 ℃保温90 min）的母材区显微组织均为回火马氏体，由于原始P92钢管采用的加工工艺为1 060 ℃淬火+760 ℃回火，而12号试样是760 ℃回火工艺，因此母材区组织无变化。3号和11号的母材区组织也是回火马氏体，该结果和各母材区域硬度相对应，硬度值约为15～20 HRC，说明不同焊后热处理工艺对母材影响不大。

2.3.2 焊缝组织

P92钢不同热处理状态下焊缝区金相组织如图6所示，其中1号（焊态）的显微组织为板条马氏体+残留奥氏体。在焊接过程中，焊缝区温度快速升高，焊接完成后快速冷却，由于P92钢合金元素较多，淬透性好，部分区域相当于淬火处理，得到马氏体组织。3号试样（焊后在600 ℃保温60 min）中由于P92中合金元素的影响，焊缝中马氏体分解以及残余奥氏体转变温度的提高，焊缝区出现未转化的回火马氏体和部分回火屈氏体组织，因此硬度下降不明显。4号试样（焊后在700 ℃下保温60 min）焊缝硬度与3号相比无明显变化，焊缝区形成了回火屈氏体。12号试样（焊后760 ℃保温90 min）在热处理过程中，组织发生转变，马氏体界面上的位错发生攀移与滑移，位错密度下降，相邻板条合并成宽的板条，在金相观察中看不到完整的板条，组织变得均匀细小，其中α相并未完成再结晶过程，最终转变为回火屈氏体组织[6]。

图7中显示试样1和试样3中出现异常块状区域，初步推测为残留高温δ相铁素体组织。分别在白色区域及其附近黑色区域取两点测量显微硬度。测得1号试样中白色区域维氏硬度为155 HV25，而其附近区域维氏硬度为300 HV25;3号试样中白色区域维氏硬度为181 HV25，而其附近区域维氏硬度为254 HV25。异常区域的硬度值小于其附近马氏体组织的硬度值，结合相关经验积累并查阅资料可知，异常区域为残留的δ相。碳溶入δ-Fe中形成间隙固溶体，呈体心立方晶格结构，因其存在的温度较高，故称高温铁素体或δ固溶体，用δ表示[7]。这是由于P92钢中合金元素较多，其中有缩小γ区的元素Cr、W、Mo、V等，在碳含量较少的部分δ相未发生同素异构转变，由熔化时高温直至冷却到室温呈现为铁素体组织。因为δ铁素体较脆，在加工中易诱发裂纹，且容易诱发点腐蚀[8]。可通过合适焊后热处理来消除该现象。

3 结论

分别对P92钢不同焊接热处理试样进行拉伸试验、硬度检测及金相组织观察，得出以下结论：

（1）所有试样的拉伸断口均位于非焊缝区，焊缝处的拉伸性能好于母材区域。在低于700 ℃的焊后热处理后，焊缝区硬度仍高于母材区，其中焊缝区域硬度值在35～45 HRC，母材区硬度约为20 HRC。

（2）焊接后原始态焊缝中存在残留高温δ相铁素体，其硬度值为155 HV25，小于附近马氏体硬度值300 HV25。通过合适的焊后热处理来消除焊缝中残留高温δ相铁素体，从而消除因此引发焊缝失效的风险。

（3）760 ℃回火保温90 min为最佳焊后热处理方案，采用该方案获得的焊缝组织为回火屈氏体，与原始管材相同，组织均匀晶粒细小，焊缝硬度明显下降且接近母材。

参考文献：

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