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【摘 要】通过对T-P92钢管道内壁堆焊Inconel 625的工艺探讨，研究了堆焊接头的组织和力学性能。研究结果表明，通过合理的焊接工艺和热处理，堆焊焊缝整齐，侧壁熔合良好，无气孔等缺陷。P92钢热影响区的组织为马氏体，并分为粗晶区和细晶区。堆焊界面中P92钢粗晶区的硬度最大，经热处理后硬度降低。化学成分符合要求，Fe<5%，机械性能良好。
【关键词】T-P92，热丝氩弧焊，625合金，显微组织;力学性能
【中图分类号】TG457 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0110-04
0 前言
目前，国内大型电站亚临界、超临界、超超临界机组中的主辅机设备已基本实现了国产化，其中包括1 000 MW超超临界机组的重要主辅设备，这些超超临界技术的应用，可以提高发电机组的效率、减少有害物质的排放，已经得到广泛应用。随着发电机组容量的增大，机组内的温度和压力也增大，这对材料的高温性能提出了更高的要求[1]。铁素体/马氏体钢和镍基超合金都被广泛用做高温条件下的结构材料。P92钢具有良好的蠕变性能、延性和韧性及抗孔洞性能，已被广泛应用于发电设备中[2]。Inconel 625合金属于固溶强化的镍基超合金，其内部含有大量的Cr、Mo、Fe和Nb原子，具有很好的耐腐蚀性能及蠕变性能。P92钢可承受的蒸汽温度高达625 ℃，而Inconel 625合金的使用温度更高，而在阀门内壁通道中堆焊耐腐蚀合金，使其除了拥有P92钢的耐高温延性和韧性以外，同时具有较高的耐高温腐蚀性[3]。
在发电机组中，部分通道工况需要耐高温腐蚀的需求也越来越多，采用热丝氩弧焊工艺进行T-P9管道内壁的Inconel625堆焊，能够满足客户对堆焊层的低稀释率要求，同时具备有其他优势，如能够对小孔径的管道内壁堆焊，出现气孔未熔合的焊接缺陷概率比其他焊接工艺少[4]。目前，有关P92/Inconel 625内壁堆焊的研究鲜有报道。
本文采用热丝氩弧焊焊接技术焊进行厚度为25.4 mm的T-P92管道内壁堆焊Inconel 625焊接，研究了接头显微组织与力学性能的变化，为后续的研究和工业应用提供了参考。
1 试验材料与方法
选择P92钢作为试验母材，选用Inconel 625（ERNiCrMo-3 φ1.2mm）焊丝作为堆焊填充材料，其化学成分见表1。SA335-P92钢的常温力学性能见表2。
采用Fronius紧凑型堆焊专机进行堆焊焊接试验如图1所示。母材尺寸为φ230×L180×T25.4 mm，堆焊焊接工艺参数见表3。
2 焊接过程控制
2.1 焊前工件准备
将试样待焊面不锈钢钢丝刷抛光，去除油、漆、垢、锈、毛刺，对内壁进行100%着色检验，确保工件无裂纹，检验结束后用丙酮擦拭多余的药剂。
2.2 焊前预热
施焊之前对试样进行预热，预热温度为150～200 ℃，道间温度不小于150 ℃，预热达到150 ℃后，操作人员每隔30 min用红外线测温仪进行4点位置的测量、记录和控制，超过200 ℃时，需暂停焊接，等温度降下来之后才能继续焊接，检验员不定期巡查测温记录和测温。合金层焊后立即进行焊后消除应力处理，650 ℃+2 h。
2.3 焊后热处理
焊接结束后，进行300～350 ℃的消氢处理，然后冷却至室温，热电偶分布均匀，之后进行去应力退火处理，（760±10）℃×1 h随炉空冷。
3 堆焊后结果与分析
3.1 焊接接头宏观形貌
P92/Inconel 625堆焊横截面的宏观形貌如图2所示。可以看出，堆焊接头总共有2层，每层高度约2 mm，宽度为3～4 mm，从上到下的宽度相近，焊缝形状齐整。超声检测结果表明，焊缝内部没有产生侧壁未熔合、气孔等缺陷。各试样取样位置如图2所示。
3.2 焊接接头的显微组织
图3显示试样横截面完全熔合，无裂纹缺陷。熔合线和堆焊层无晶界碳化物、内部金属夹层等连续析出迹象[5]。
P92钢热影响区（HAZ）的形貌如图4所示，依据晶粒的形貌将其分为粗晶区（CGHAZ）和细晶区（FGHAZ）。可以看出，P92钢热影响区的宽度约0.5 mm。较小的热影响区可以提高接头的力学性能[6]。由于热丝TIG焊的热输入量较小，热影响区中没有生成铁素体，因此热丝TIG焊对提高P92+Inconel 625堆焊接头的力学性能具有积极作用[7]。
P92钢热影响区中粗晶区和细晶区的微观形貌如图5所示。粗晶区中的P92钢在加热过程中经历了从回火马氏体到奥氏体的相变，由于原马氏体边界处起强化作用的碳化物溶解于奥氏体，因此高温条件下的奥氏体粗化长大[8]。在随后的冷却过程中，奥氏体转化为淬火马氏体，形成粗晶区。在粗晶区中没有发现削弱接头韧性的高温铁素体[9]。细晶区形成在靠近P92钢一侧，其尺寸小于粗晶区的。细晶区经历的热循环峰值温度小于粗晶区，碳化物没有完全溶解，剩余的碳化物具有抑制晶粒长大的作用，从而形成细晶区。经过热处理后，淬火马氏体经历了向回火马氏体的转变，原奥氏体晶粒尺寸没有变化。
3.3 焊接接头力学性能
3.3.1 热处理后焊接接头的显微硬度
如表4和图6所示，Inconel 625合金第二层的显微硬度为244 HV，P92钢的显微硬度为220 HV。镍基高温合金的高温稳定性能好。
3.3.2 拉伸强度
经过热处理的焊接接头拉伸试验结果见表5。
侧弯性能試验结果见表6，分别在堆焊层1.5和3.0位置处取样，180°无裂纹等缺陷显示。 3.3.3 冲击性能
-60 ℃下焊接接头冲击试验的结果见表7。Inconel 625合金的最大冲击功为220 J，P92钢纵向距离熔合线3 mm处的最小冲击功为62 J，热影响区横向最低的冲击功为64 J。P92钢的显微组织主体为板条马氏体，边界含有碳化物M23C6，马氏体之间含有少量的高温铁素体，高温铁素体的脆性大，裂纹既可以沿着晶间扩展，也可以在高温铁素体晶粒内扩展[10-11]。焊接机头冲击断口的形貌如图7所示。可以看出，Inconel 625合金的冲击断口呈大而深的韧窝;P92钢的断口呈明显的河流花样，属于脆性断裂。
3.3.4 化学成分
距离熔合线3 mm处堆焊层的化学成分分析见表8，各化学成分均合格，铁含量<5%。
3.3.5 晶间腐蚀试验
按ASTM 262-14方法E进行24 h晶间腐蚀试验，经弯曲后放大检查，试样未出现因晶间腐蚀而产生的龟裂或裂纹[12]（如图8所示）。
4 结论
通过热丝TIG堆焊技术，实现了25.4 mm管子的P92钢与Inconel 625合金的堆焊，研究了焊接接头的组织和力学性能，得到以下结论。①焊接堆焊层组织性能良好，化学成分符合要求，Fe含量<5%。②P92钢热影响区宽度为0.5 mm左右，P92钢热影响区中没有高温铁素体生成。③堆焊层经24 h晶间腐蚀试验，弯曲后经放大镜检查无龟裂或裂纹。④运用热丝TIG堆焊技术，能够满足P92管子的内壁Inconel 625耐腐蚀合金的堆焊要求。
参 考 文 献
[1]Xiang Lan，Hong Xu，Yongzhong Ni，et al.Research on hardness variation for P92 notched specimen creep experiment[J].Materials at High Temperatures，2019，36（1）：27-34.
[2]郭龙龙，郑华林，李悦钦，等.热丝脉冲TIG堆焊Inconel 625的组织及性能[J].中國表面工程，2016，29（2）：77-84.
[3]王学，潘乾刚，刘洪，等.超超临界机组用P92钢焊接细晶区高温蠕变行为研究[J].中国电机工程学报，2010（2）：104-108.
[4]Xu F J，Lü Y H，Liu Y X，et al.Microstructural evolution and mechanical properties of Inconel 625 alloy during pulsed plasma arc deposition process[J].Journal of Materials Science and Technology，2013，29（5）：480-488.
[5]耿鲁阳，郭晓峰，巩建呜，等.国内外P92耐热钢微观组织和高温性能对比研究[C].中国机械工程学会，2012：156-165.
[6]Zhao L，Jing H Y，Xu L Y，et al.Analysis of creepcrack growth behavior of P92 steel welded joint by experiment and numerical simulation[J]. Materials Science and Engineering A，2012，558：119-128.
[7]乔亚霞.P92钢焊接接头持久强度及微观组织分析[C].第十一届电站焊接学术讨论会论文集，2011（11）：215-220.
[8]郭必永.ASTM 4130自动氩弧焊堆焊Inconel 625焊接工艺[J].石油化工设备，2014，43（1）：44-46.
[9]姜运建，荆洪阳，徐连勇，等.焊接残余应力对P92钢Ⅳ型蠕变开裂的影响[J].焊接学报，2011，32（1）：16-20.
[10]卢长煜，徐祥久，李宜男.国产SA-335P92钢的焊接工艺性能[J].机械制造文摘（焊接分册），2011（6）：1-5.
[11]徐连勇，荆洪阳，周春亮，等.焊后热处理对P92钢管道焊接残余应力场的影响[J].焊接学报，2010，31（3）：13-16.
[12]Wang X，Pan Q G，Ren Y Y，et al.Microstructure and type IV cracking behavior of HAZ in P92 steel weldment[J].Materials Science and Engineering A，2012，552：493-501.
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】T-P92，热丝氩弧焊，625合金，显微组织;力学性能
【中图分类号】TG457 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0110-04
0 前言
目前，国内大型电站亚临界、超临界、超超临界机组中的主辅机设备已基本实现了国产化，其中包括1 000 MW超超临界机组的重要主辅设备，这些超超临界技术的应用，可以提高发电机组的效率、减少有害物质的排放，已经得到广泛应用。随着发电机组容量的增大，机组内的温度和压力也增大，这对材料的高温性能提出了更高的要求[1]。铁素体/马氏体钢和镍基超合金都被广泛用做高温条件下的结构材料。P92钢具有良好的蠕变性能、延性和韧性及抗孔洞性能，已被广泛应用于发电设备中[2]。Inconel 625合金属于固溶强化的镍基超合金，其内部含有大量的Cr、Mo、Fe和Nb原子，具有很好的耐腐蚀性能及蠕变性能。P92钢可承受的蒸汽温度高达625 ℃，而Inconel 625合金的使用温度更高，而在阀门内壁通道中堆焊耐腐蚀合金，使其除了拥有P92钢的耐高温延性和韧性以外，同时具有较高的耐高温腐蚀性[3]。
在发电机组中，部分通道工况需要耐高温腐蚀的需求也越来越多，采用热丝氩弧焊工艺进行T-P9管道内壁的Inconel625堆焊，能够满足客户对堆焊层的低稀释率要求，同时具备有其他优势，如能够对小孔径的管道内壁堆焊，出现气孔未熔合的焊接缺陷概率比其他焊接工艺少[4]。目前，有关P92/Inconel 625内壁堆焊的研究鲜有报道。
本文采用热丝氩弧焊焊接技术焊进行厚度为25.4 mm的T-P92管道内壁堆焊Inconel 625焊接，研究了接头显微组织与力学性能的变化，为后续的研究和工业应用提供了参考。
1 试验材料与方法
选择P92钢作为试验母材，选用Inconel 625（ERNiCrMo-3 φ1.2mm）焊丝作为堆焊填充材料，其化学成分见表1。SA335-P92钢的常温力学性能见表2。
采用Fronius紧凑型堆焊专机进行堆焊焊接试验如图1所示。母材尺寸为φ230×L180×T25.4 mm，堆焊焊接工艺参数见表3。
2 焊接过程控制
2.1 焊前工件准备
将试样待焊面不锈钢钢丝刷抛光，去除油、漆、垢、锈、毛刺，对内壁进行100%着色检验，确保工件无裂纹，检验结束后用丙酮擦拭多余的药剂。
2.2 焊前预热
施焊之前对试样进行预热，预热温度为150～200 ℃，道间温度不小于150 ℃，预热达到150 ℃后，操作人员每隔30 min用红外线测温仪进行4点位置的测量、记录和控制，超过200 ℃时，需暂停焊接，等温度降下来之后才能继续焊接，检验员不定期巡查测温记录和测温。合金层焊后立即进行焊后消除应力处理，650 ℃+2 h。
2.3 焊后热处理
焊接结束后，进行300～350 ℃的消氢处理，然后冷却至室温，热电偶分布均匀，之后进行去应力退火处理，（760±10）℃×1 h随炉空冷。
3 堆焊后结果与分析
3.1 焊接接头宏观形貌
P92/Inconel 625堆焊横截面的宏观形貌如图2所示。可以看出，堆焊接头总共有2层，每层高度约2 mm，宽度为3～4 mm，从上到下的宽度相近，焊缝形状齐整。超声检测结果表明，焊缝内部没有产生侧壁未熔合、气孔等缺陷。各试样取样位置如图2所示。
3.2 焊接接头的显微组织
图3显示试样横截面完全熔合，无裂纹缺陷。熔合线和堆焊层无晶界碳化物、内部金属夹层等连续析出迹象[5]。
P92钢热影响区（HAZ）的形貌如图4所示，依据晶粒的形貌将其分为粗晶区（CGHAZ）和细晶区（FGHAZ）。可以看出，P92钢热影响区的宽度约0.5 mm。较小的热影响区可以提高接头的力学性能[6]。由于热丝TIG焊的热输入量较小，热影响区中没有生成铁素体，因此热丝TIG焊对提高P92+Inconel 625堆焊接头的力学性能具有积极作用[7]。
P92钢热影响区中粗晶区和细晶区的微观形貌如图5所示。粗晶区中的P92钢在加热过程中经历了从回火马氏体到奥氏体的相变，由于原马氏体边界处起强化作用的碳化物溶解于奥氏体，因此高温条件下的奥氏体粗化长大[8]。在随后的冷却过程中，奥氏体转化为淬火马氏体，形成粗晶区。在粗晶区中没有发现削弱接头韧性的高温铁素体[9]。细晶区形成在靠近P92钢一侧，其尺寸小于粗晶区的。细晶区经历的热循环峰值温度小于粗晶区，碳化物没有完全溶解，剩余的碳化物具有抑制晶粒长大的作用，从而形成细晶区。经过热处理后，淬火马氏体经历了向回火马氏体的转变，原奥氏体晶粒尺寸没有变化。
3.3 焊接接头力学性能
3.3.1 热处理后焊接接头的显微硬度
如表4和图6所示，Inconel 625合金第二层的显微硬度为244 HV，P92钢的显微硬度为220 HV。镍基高温合金的高温稳定性能好。
3.3.2 拉伸强度
经过热处理的焊接接头拉伸试验结果见表5。
侧弯性能試验结果见表6，分别在堆焊层1.5和3.0位置处取样，180°无裂纹等缺陷显示。 3.3.3 冲击性能
-60 ℃下焊接接头冲击试验的结果见表7。Inconel 625合金的最大冲击功为220 J，P92钢纵向距离熔合线3 mm处的最小冲击功为62 J，热影响区横向最低的冲击功为64 J。P92钢的显微组织主体为板条马氏体，边界含有碳化物M23C6，马氏体之间含有少量的高温铁素体，高温铁素体的脆性大，裂纹既可以沿着晶间扩展，也可以在高温铁素体晶粒内扩展[10-11]。焊接机头冲击断口的形貌如图7所示。可以看出，Inconel 625合金的冲击断口呈大而深的韧窝;P92钢的断口呈明显的河流花样，属于脆性断裂。
3.3.4 化学成分
距离熔合线3 mm处堆焊层的化学成分分析见表8，各化学成分均合格，铁含量<5%。
3.3.5 晶间腐蚀试验
按ASTM 262-14方法E进行24 h晶间腐蚀试验，经弯曲后放大检查，试样未出现因晶间腐蚀而产生的龟裂或裂纹[12]（如图8所示）。
4 结论
通过热丝TIG堆焊技术，实现了25.4 mm管子的P92钢与Inconel 625合金的堆焊，研究了焊接接头的组织和力学性能，得到以下结论。①焊接堆焊层组织性能良好，化学成分符合要求，Fe含量<5%。②P92钢热影响区宽度为0.5 mm左右，P92钢热影响区中没有高温铁素体生成。③堆焊层经24 h晶间腐蚀试验，弯曲后经放大镜检查无龟裂或裂纹。④运用热丝TIG堆焊技术，能够满足P92管子的内壁Inconel 625耐腐蚀合金的堆焊要求。
参 考 文 献
[1]Xiang Lan，Hong Xu，Yongzhong Ni，et al.Research on hardness variation for P92 notched specimen creep experiment[J].Materials at High Temperatures，2019，36（1）：27-34.
[2]郭龙龙，郑华林，李悦钦，等.热丝脉冲TIG堆焊Inconel 625的组织及性能[J].中國表面工程，2016，29（2）：77-84.
[3]王学，潘乾刚，刘洪，等.超超临界机组用P92钢焊接细晶区高温蠕变行为研究[J].中国电机工程学报，2010（2）：104-108.
[4]Xu F J，Lü Y H，Liu Y X，et al.Microstructural evolution and mechanical properties of Inconel 625 alloy during pulsed plasma arc deposition process[J].Journal of Materials Science and Technology，2013，29（5）：480-488.
[5]耿鲁阳，郭晓峰，巩建呜，等.国内外P92耐热钢微观组织和高温性能对比研究[C].中国机械工程学会，2012：156-165.
[6]Zhao L，Jing H Y，Xu L Y，et al.Analysis of creepcrack growth behavior of P92 steel welded joint by experiment and numerical simulation[J]. Materials Science and Engineering A，2012，558：119-128.
[7]乔亚霞.P92钢焊接接头持久强度及微观组织分析[C].第十一届电站焊接学术讨论会论文集，2011（11）：215-220.
[8]郭必永.ASTM 4130自动氩弧焊堆焊Inconel 625焊接工艺[J].石油化工设备，2014，43（1）：44-46.
[9]姜运建，荆洪阳，徐连勇，等.焊接残余应力对P92钢Ⅳ型蠕变开裂的影响[J].焊接学报，2011，32（1）：16-20.
[10]卢长煜，徐祥久，李宜男.国产SA-335P92钢的焊接工艺性能[J].机械制造文摘（焊接分册），2011（6）：1-5.
[11]徐连勇，荆洪阳，周春亮，等.焊后热处理对P92钢管道焊接残余应力场的影响[J].焊接学报，2010，31（3）：13-16.
[12]Wang X，Pan Q G，Ren Y Y，et al.Microstructure and type IV cracking behavior of HAZ in P92 steel weldment[J].Materials Science and Engineering A，2012，552：493-501.
[责任编辑：陈泽琦]