丁煜瀚1，唐彬2,3，李芳1，华学明1，沈忱1
(1.上海交通大学上海市激光制造及材料表面改性重点实验室，上海200240;
2.上海电力股份有限公司吴泾热电厂，上海200241;
3.上海吴泾电力工程有限责任公司，上海200241)
摘要：为优化当前T91耐热钢管对接焊缝性能并缩小热影响区，通过对比研究T91耐热钢激 光焊(LW )与钨极氩弧焊(GTAW )对接焊缝的微观组织及常温拉伸、高温拉伸、硬度、常温冲击等各项力学性能，探究通过改变当前T91耐热钢焊接工艺提升焊缝质量的新方法。研究结果表明，激光焊(LW )在T91耐热钢的焊接中相比当前使用的钨极氩弧焊(GTAW )展现出了较好的工艺适配性，激光焊(LW )在保证焊缝组织与性能满足接头标准要求的基础上，相比钨极氩弧焊在焊缝粗晶区获得了更为细化的微观组织，焊缝与热影响区更小，且焊缝熔化区室温冲击性能明显提升。 关键词：T91；耐热钢；激光焊；钨极氩弧焊；微观组织；力学性能中图分类号：TG407
文献标识码：A
DOI :10.19291/jki.1001-3938.2020.11.002
Microstructure and Mechanical Properties of T91Heat Resistant Steel
Laser Welded Joint and Gas Tungsten Arc Welded Joint
DING Yuhan 1,TANG Bin 2,3,LI Fang 1,HUA Xueming 1,SHEN Chen 1
(1.Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,
China;2.Wujing Thermal Power Plant,Shanghai Electric Power Co.,Ltd.,Shanghai 200241,China;
3.Shanghai Wujing Electric Power Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200241,China )Abstract:In order to optimize the butt weld properties of T91heat resistant steel pipe and reduce the heat affected zone,the microstructure and mechanical properties of butt weld of T91heat resistant steel laser welding (LW)and gas Tungsten arc welding (GTAW),such as room temperature tensile,high temperature tensile,hardness,room temperature impact tests,were compared.The new method of improving the weld quality by changing the current welding process of T91heat resistant steel
was explored.The results show that the laser welding (LW)shows better process adaptability than the currently used GTAW in T91heat resistant steel welding.On the basis of ensuring that the microstructure and properties of the weld meet the requirements of the joint standard,laser welding (LW)obtains more refined microstructure in the coarse grain zone of the weld compared with the TIG welding,and the weld and heat affected zone are smaller,and the room temperature impact performance of the weld fusion zone is significantly improved.
Key words:T91;heat resistant steel ;laser welding
;gas tungsten arc welding ;microstructure ;mechanical properties
第43卷第11期焊管
Vol.43No.11
0前言
T91是在P91耐热钢(9Cr1MoVNb)基础上添加微量合金元素并控制氮含量得到的新型耐热钢，是一种
蠕变增强马氏体铁素体钢[1-2]。T91钢具有良好的力学性能和高温下稳定的微观组织结构，是疲劳加载和蠕变暴露条件下最可靠的材料之一[3-4]。此外，其还具有较高的抗氧化性、抗应力腐蚀开裂性和足够的断裂韧性。这些优良的性能使T91钢成为最通用的高温应用材料之一[5-8]。目前广泛应用于亚临界和超临界核电站的再热器、过热器集箱，以及蒸汽管道中[9-10]。
在采用钨极氩弧焊(GTAW)时，焊接的坡口和尺寸精度要求高，同时，接头的装配和定位焊接技术难度较高。在预热200℃以下焊接时，采用手工钨极氩弧焊在接头的表面或内部都容易产生裂纹，具有较大的冷裂倾向[11]。而激光焊(LW)可以获得高质量的接头强度和较大的深宽比，焊接过程中不用采用多道成型，焊接效率高。Shanmugarajan等[12]进行了9Cr-1Mo(P91)钢的激光焊接，试验结果表明，由于显微组织较细，激光焊缝的室温冲击韧性优于母材。同时, Shanmugarajan[13]对Cr-Mo-W-V-Nb钢的激光焊接接头进行研究，结果发现接头实现了良好的熔合和完全渗透，没有出现焊接缺陷。焊接接头中在细晶热影响区(FGHAZ)和基材(BM)界面没有观察到明显的软化，激光焊接接头在
760℃保温3h后具有优良的室温和高温力学性能，并且拉伸失效总是发生在母材，远离焊缝和HAZ。
本研究通过使用LW工艺与填丝GTAW工艺对T91耐热钢进行对接焊，并进行相应焊缝的组织表征与性能测试，对比研究两种焊接工艺获得的T91耐热钢焊缝组织与性能差异，为进一步制定和优化T91耐热钢管的焊接工艺提供理论依据。
1试验材料与方法
1.1焊接试验
试验采用直径51mm、壁厚4mm的T91钢管，其化学成分见表1。T91耐热钢微观组织如图1所示，从图1可以看出,T91钢具有典型的回火板条马氏体组织，其中较粗的碳化物(M23C6)沿前奥氏体晶界和马氏体包块晶界析出，细小的析出物则均匀分散在马氏体板条内。
表1T91耐热钢化学成分%
图1T91耐热钢微观组织
在T91钢管焊接过程中，采用陶瓷加热毯对焊缝进行150℃焊前预热，时长30min。焊接中使用LW工艺的意义就在于无需复杂的焊接坡口设计，且得益于LW自身熔深较好的特性，可在无填丝条件下完成窄间隙单面焊双面成形。所以试验中LW工艺采用不开坡口的无填丝自熔焊，焊缝设置如图2(a)所示，焊前使用丙酮对焊缝进行表面清理并精确组对,
LW焊接工艺参数见表2。激光焊接试验装置如图2(b)所示，激光头固定
在支架上,T91钢管固定在三爪卡盘上匀速旋转。在焊接过程中激光热源直接对焊缝一次性熔透完成焊接。
激光器型号为恩耐公司CFL6000W-200，激光头准直与聚焦焦距为C150mm/F300mm。
本研究中GTAW工艺采用当前T91耐热钢管焊接普遍采用的V形焊接坡口与工艺设置。焊管2020年第43卷
节油剂表4
TGS-9cb 焊丝化学成分
%
焊缝坡口尺寸与焊接位置如图3所示，相应
GTAW 参数见表3。在焊接过程中,GTAW 电弧先对焊缝坡口钝边处进行第一道填丝焊，完成之后再对坡口部分进行第二道GTAW 填丝焊完成焊接，两道次焊接使用相同的GTAW 参数。GTAW 填丝焊使用的填材为椎2.4mm TGS-9cb 焊丝，其成分见表4。
本研究对T91耐热钢管焊缝进行了760℃保温2h ，并随炉冷却的后热回火处理，旨在一定程度上降低焊缝残余应力，同时细化焊缝组织并调控M 23C 6碳化物的析出与分布。1.2
组织分析与力学性能试验
涂料刮棒
组织分析方面，热处理后的LW 焊接接头
与GTAW 焊接接头在截面取样、抛光、腐蚀
(氯化铁∶盐酸∶水=3∶10∶100，腐蚀时间8~10s )之后使用OLYMPUS-CK40M 光学显微镜进行微观组织分析。焊缝截面硬度使用维氏硬度仪进行测量，压头压力为500N ，压力时间为15s 。硬度测量点位置如图4所示,LW 与GTAW 对发泄工具
接焊缝试样硬度点均沿母材中心排布，测试点间距为0.2mm 。
拉伸试验使用Zwick Z100力学试验机，板状拉伸试样尺寸依据ASTM-E8标准进行加工，试样标距段尺寸为24mm 。取样位置包括焊缝与母材，焊缝试样具体取样位置如图5所示。室温拉伸速率为1mm/min 。试样的高温性能在600℃下以0.02mm/min 拉伸速率进行测试。拉伸断口使用LaB6扫描电镜(SEM )进行分析。
图2
T91耐热钢管LW 对接焊缝示意图及试验装置
表
2LW 焊接工艺参数
图3T91耐热钢管GTAW 对接焊缝坡口示多媒体调度台
意图
表3
GTAW 焊接工艺参数
彩相纸
图4硬度测量点分布示意图
图5焊缝拉伸试样和冲击试样取样位置
第11期丁煜瀚等:T91耐热钢激光焊和钨极氩弧焊接头组织及力学性能研究
冲击试验使用SUNS-PTM2200-D1摆锤式冲击试验机进行，冲击位置包括焊缝金属、热影响区及母材，试验温度为室温，冲击试样尺寸依据GB/T 229—2007标准制备，由于管子壁厚仅有4mm ，故采用半尺寸试样进行测试，试样尺寸为55mm ×10mm ×2.5mm ，取样位置如图5所示。冲击断口使用Vega LaB6-SEM 进行分析。
2
试验结果与分析
2.1
焊缝组织形貌表征
LW 焊接接头与GTAW 焊接接头宏观组织形貌如图6所示。两种工艺焊缝对比可知,LW 接头熔化区较窄，而GTAW 接头熔化区较宽。这是由于GTAW 是多层多道焊接，焊接热输入
大，熔化区较宽，热影响区也比LW 接头宽，而LW 焊接热量集中且是单道成型。
LW 焊接接头与GTAW 焊接接头对应位置
(焊缝、熔合线、热影响区)微观组织形貌如图7所示。两种焊接工艺焊接接头经过760℃回火后，组织中的板条马氏体发生了多边化回复，均为回火马氏体组织，针状铁素体在回火过程中合并长大，碳化物沿块状铁素体分布，形成针状组织(图7中所示)，碳化物集中分布会降低焊缝的力学性能。组织中的碳化物呈弥散分布状，阻扰了晶粒的长大和位错的移动，保持了LW 焊接接头和GTAW 焊接接头力学性能的稳定性。LW 热影响区比GTAW 热影响小，其晶粒比焊缝组织晶粒粗大，由于GTAW 在焊接过程中为多层多道焊，热影响区晶粒更为粗大，组织以回火马氏体为主。
图6T91耐热钢对接焊缝宏观形貌
图7T91耐热钢焊接接头微观组织形貌
焊管2020年第43
卷
图9
焊接接头
室温拉伸试样断裂位置及强度
第11期丁煜瀚等:T91耐热钢激光焊和钨极氩弧焊接头组织及力学性能研究
图
8LW 焊接接头和GTAW 焊接接头硬度分布图
2.2
硬度与拉伸试验结果
LW 焊接接头和GTAW 焊接接头显微硬度如
图8所示。LW 焊接热量集中且是单道成型，焊缝宽度较窄，硬度值约为230HV 。而GTAW 为多层焊接，焊接热输入大，焊缝宽度较大。
GTAW 焊接过程中，第二层焊接会对第一层焊道产生回火作用，回火具有软化作用，焊缝硬度值
较LW 焊缝低，由于多层热作用,GTAW 焊缝组织呈不均匀性，焊缝区的硬度存在一定的起伏。LW 热影响区变化不明显，比GTAW 热影响区小，热影响区的晶粒比焊缝组织晶粒大;GTAW
在焊接过程中为多层多道焊，热影响区晶粒更为粗大，组织以回火马氏体为主，因此硬度值也较高，约为210HV 。
焊接接头室温拉伸试样断裂位置及强度如图9所示。图9(a )为LW 焊接接头常温拉伸断裂位置，图9(b )为GTAW 焊接接头常温拉伸断裂位置,LW 接头拉伸试样均断裂在母材，而GTAW 接头试样断裂在焊缝区域。常温拉伸性能如图9(c )所示，可以看到,LW 接头的平均抗拉强度为550MPa ，断裂位置在母材。GTAW 接头的平均抗拉强度为549MPa ，但是断裂位置发生在焊缝。www.55sq
常温拉伸断口形貌如图10所示，两种工艺条件下,LW 接头试样断裂在母材，断口存在大量韧窝，为典型的塑性断裂;GTAW 断裂发生在焊缝，韧窝较图10(a )偏小，且断口表面存在少量河流花样，具有部分脆性断裂特征。由组织分析可知,GTAW 受多次热作用影响，组织呈现不均匀性，导致焊缝强度降低，因此断裂发生在焊缝。LW 接头和GTAW 接头高温拉伸结果见表5，两种焊接工艺在600℃下的高温拉伸断裂均发生在母材，高温抗拉强度分别为195MPa 和192MPa ，与母材的高温拉伸强度一致，表明两种工艺的焊接接头在
600℃下具有良好的高温稳定性能。
