P92钢的CMT P 焊接接头组织性能

0 序 言

P92钢是一种新型马氏体耐热钢，具有高温强度高、导热性好、热膨胀系数低和蠕变性能好等优点[1]. P92钢主要用于超超临界机组的高温、高压主蒸气管道等部件，其焊接接头的性能对机组的安全运行至关重要[2]. 目前，工程应用中P92钢的焊接工艺是TIG打底、SMAW焊填充、盖面. TIG打底焊虽然焊接接头强韧性好，但焊接速度不高，焊丝熔敷率低，影响焊接效率[3]. SMAW焊接效率虽高，但焊接热输入大，焊缝组织晶粒粗大，焊接热影响区较宽. 而且其电弧穿透力差，焊缝熔深小. 所以，SMAW焊接接头力学性能不够优异. CMT是一种新型焊接方法，它是在MIG/MAG焊的基础上通过焊丝回抽使熔滴在短路过渡电流接近于零的情况下实现短路过渡. CMT既能降低焊接热输入，又能提高焊接效率. 但由于CMT热输入低，不适合3 mm以上厚板的焊接[4]. 而CMT+P是在CMT基础上开发的能够更大范围控制热输入的焊接方法，可用于厚铝板的焊接[4]. 文中为了探索CMT+P是否可以替代TIG打底+SMAW填充的焊接方法用于P92钢焊接以提高焊接效率获得组织性能优异的焊接接头，采用CMT+P对15 mm厚P92钢板进行了对接试验，并研究了对接接头的组织性能，进一步促进P92钢在工业中进一步的应用.

1 试验方法

试验焊机为FroniusCMT Advanced4000，焊接机器人为FANUC Robot M-10iA，用NI USB-6361数据采集卡采集焊接电流电压信号. 焊丝直径为φ1.2 mm的Oerlikon Carbofil CrMo92实芯焊丝. 平板对接母材规格为150 mm×85 mm×15 mm，坡口形式及尺寸如图1所示. 焊接过程采用Ar+2.5%CO2混合气体保护，气流量15 L/min.

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图1 坡口形式及尺寸(mm)

Fig. 1 The shape and size of groove

2 试验过程及分析

2.1 CMT+P焊接方法及其特点

CMT+P是将CMT与脉冲焊混合的焊接方法，即在一个或几个连续的CMT周期之后加入若干个脉冲周期. 如图2所示，是在2个的CMT周期之后加8个脉冲周期从而形成一个完整的CMT+P周期. CMT+P周期中CMT周期个数与脉冲周期个数是可调的，这里将一个CMT+P周期的CMT周期数与脉冲周期数之比定义为CMT/P，图2中CMT/P为2：8. 由于脉冲焊在脉冲峰值电流密度大，热量集中，电弧穿透能力强，可以增加熔深[5]. 脉冲周期的加入增加了对焊缝熔深的控制，可以摆脱单纯CMT焊接中小电流导致的焊缝熔深浅的不足. 所以，CMT+P是综合了CMT和脉冲焊的优点的焊接方法，既可降低热输入，使焊接过程稳定，又能够增加熔深.

表1 P92钢的CMT+P多层多道焊焊接工艺参数

Table 1 Welding parameters of multipass welding

气流量q/(L·min-1)1 4.5 24 1：10 0 15 15 2 4.5 30 1：15 20 15 15 3 4.5 30 1：20 0 15 15 4～5 4.5 30 1：15 20 15 15 6 4.5 30 1：20 0 15 15 7～8 4.5 30 1：20 20 15 15 9 4.5 30 1：20 0 15 15 10～13 4.5 30 1：20 10 15 15焊缝道数送丝速度vf/(cm·min-1)焊接速度v/(cm·min-1)CMT/P焊枪角度θ/(°)伸出长度L/mm

图2 CMT+P焊接电流电压波形

Fig. 2 Waveform of current and voltage in the welding process of CMT+P

2.2 P92钢的CMT+P对接接头组织性能

采用CMT+P的焊接方法对15 mm厚P92钢进行V形坡口(图1)多层多道焊对接试验. 焊缝填充顺序如图3. 焊接起始端坡口预留间隙为1 mm，焊接结束端坡口预留间隙为1.5 mm. 试验过程严格遵守《DL/T 869- 火力发电厂焊接技术规程》，采用焊前250 ℃热处理1 h，焊后90 ℃保温1 h，待冷却至室温后加热到760 ℃保温3 h，然后炉冷至300 ℃再空冷至室温. 采用单面焊双面成形的焊接工艺. 通过CMT/P参量调整对比试验，最终焊接参数如表1(其中焊枪角度为垂直于焊道与竖直方向上的夹角).

图3 多层多道焊焊接顺序示意图

Fig. 3 Diagram of weld sequence of multipass welding

2.2.1 焊缝宏观形貌

焊缝外观均匀美观，背面成形良好，表面无任何缺陷.

CMT+P打底焊的电流电压信号波形CMT/P为1：10, 即一个CMT+P周期包含1个CMT周期和10个脉冲周期. 根据E=UI/V计算每个CMT+P周期的焊接热输入为4.3 kJ/cm. 而根据TIG打底焊的焊接参数，焊接电流120 A左右，焊接电压13 V左右，焊接速度在70 mm/min左右[6]，计算得到TIG打底焊的焊接热输入为13.37 kJ/cm左右，大于CMT+P的焊接热输入. 而CMT+P打底焊的焊接速度为 24 cm/min(即 4 mm/sec)较 TIG打底焊1 mm/sec的焊接速度提高了4倍，大大提高了焊接效率. 而且，实际SMAW填充焊中，采用φ3.2×350 mm实心焊条的焊接速度一般在150 mm/min左右，单根焊条最佳施焊长度为165 mm[7]，所以其平均送丝速度约为31.8 cm/min. 根据式υm=ρπ(D/2)2 υf. 其中：ρ为 P92钢的密度 7 850 kg/m，υm为熔敷速度，D为焊丝直径，υf为送丝速度，计算得SMAW填充焊熔敷速度为1.2 kg/h，CMT+P的熔敷速度为2.3 kg/h，所以CMT+P的熔敷速度也约为SMAW填充焊的2倍，大大提高了焊接效率.

CMT+P多层多道焊的焊缝横截面形貌如图4a所示，未出现焊接缺陷. 如图4a，CMT+P焊接接头的热影响区(图5c中熔合区到热影响区不完全重结晶区的宽度总和)为1.5 mm左右. TIG打底+SMAW填充焊的焊缝截面如图4b所示，其热影响区宽度为2.5 mm左右. 所以CMT+P焊缝热影响区相对较窄. 有文献表明，焊接热影响区宽度与P92钢高温蠕变过程中的Ⅳ型断裂有关，热影响区越窄，产生Ⅳ型裂纹倾向性越小[8]. 所以CMT+P焊接接头热影响区较小有助于提高接头的高温蠕变性能.

2.2.2 焊接接头的显微组织

焊接接头金相试样打磨抛光后，再在FeCl3的盐酸溶液中腐蚀20 s，然后用Olympus GX51金相显微镜观察得到如图5所示的焊缝金相组织. 两种焊接工艺所得焊缝区域的TEM如图6所示.

图4 两种焊接工艺焊缝截面形貌

Fig. 4 Section graph of the two kinds of welding seam

P92钢Ac1温度约845 ℃，Ac3温度约945 ℃[9].焊接时，熔池温度高，液态金属沿着向焊缝中心方向温度梯度大，冷却速度快，又由于P92钢C元素含量低，所以形成向焊缝中心生长的板条状马氏体组织. 如图5a即是典型的的有特定晶粒取向的板条状马氏体组织. 焊接热影响区分成四个区域：熔合区、粗晶区、细晶区、不完全全重结晶区. 焊接时，粗晶区最高温度在固粗线以下到1 100 ℃左右，发生奥氏体相变后，温度在Ac3以上停留时间较长，奥氏体晶粒长大粗化. 所以，在冷却过程中形成晶粒粗大马氏体组织. 细晶区在焊接时温度在1 000 ℃～Ac3之间，完全奥氏体化晶粒形成后由于在Ac3温度以上停留时间短，奥氏体晶粒来不及进一步长大，形成均匀的细小晶粒. 不完全重结晶区温度在Ac1～Ac3之间，所以发生不完全奥氏体化，只在局部形成细小的重结晶晶粒. 热影响区各区组织如图5c, 其中, 熔合区为焊缝和热影响区界限(两区之间的黑线)附近的窄区域. 且热影响区各区宽度之和也约为1.5 mm左右，与图4a宏观形貌上测量的结果一致. 而母材未经历焊接热循环过程，保留原有的正火+高温回火后的回火马氏体组织，如图5b.

图5 焊接接头各不同区域金相组织

Fig. 5 Microstructures in different parts of welding joint

图6 两种焊接工艺焊缝TEM形貌

Fig. 6 TEM graph of the two kinds of welding seam

将试验中CMT+P焊缝组织与TIG打底+SMAW填充焊且经焊后热处理的金相组织对比[10]，发现焊缝区均为有特定晶粒取向的板条马氏体组织. 热影响区都是经高温回火具有等轴晶特征的马氏体. 焊后所得焊接接头不同区域组织均与TIG打底+SMAW填充焊后接头各区域组织一致且均为回火马氏体组织. 且如图6所示，CMT+P焊缝组织的马氏体板条宽度明显较窄. 所以CMT+P焊缝组织较TIG打底+SMAW填充焊缝组织优异.

近年来,宫颈癌的多发人群不断扩大,从中老年逐渐变得年轻化,作为女性生殖器官癌症的第一位,虽然早期的治愈率很高,但中晚期患者的治愈率依旧非常低。早期宫颈癌多采用手术的方式治疗。但由于宫颈癌手术多使用全身麻醉,且术后通常需要肠外营养(PN)支持、静脉注射等都造成下肢静脉血栓的形成概率增加。下肢静脉血栓不但造成了慢性深静脉功能不全,还有一定几率会延伸至下腔静脉,导致肾静脉堵塞而造成肾功能衰竭,严重威胁了生命健康[4]。

2.2.3 焊接接头的维氏硬度

改进前后，患者的血糖指标，包括空腹血糖（FPG）、餐后2 h血糖（2 hPG）、糖化血红蛋白（HbA1c)。改进前后两组对象的用药依从性指标，参照Morisky服药依从性量表分值分布，联合用药率，过去6个月低血糖发生率。

用华银HV-1000A显微硬度计对所得CMT+P焊接接头中的焊缝、热影响区、母材三个部位分别进行显微硬度测试. 测试加载载荷为2 N，加载时间为10 s，每个部位测试5个点. 所得数据列于表2中. 由表2可以看出，焊缝区硬度最高，其次是热影响区，母材硬度最低. 根据德国标准DIN50150 中维氏硬度与布氏硬度换算关系，焊缝的布氏硬度在261 HB左右，HAZ的布氏硬度在214 HB左右，母材的硬度在212 HB左右. 各区域硬度小于350 HB，且焊缝硬度小于母材布氏硬度加100 HB，满足DL/T 868—《焊接工艺评定规程》的要求.

表2 焊接接头各区域显微硬度值(HB)

Table 2 Microhardness of different parts of welding joint

测试点编号测试位置 平均值1 2 3 4 5焊缝 285 271 274 266 274 274热影响区 234 226 243 230 247 236母材 224 220 224 226 220 223

2.2.4 焊接接头的弯曲试验

按照DL/T 868—《焊接工艺评定规程》将所得试板按标准取样，面弯、背弯试样各2个，面弯试样取样位置靠近试板上表面(即焊缝正面)，背弯试样取样位置靠近试板下表面(即焊缝根部). 然后在DDL300电子万能试验机上做弯曲试验，由于试验条件(最大弯轴直径20 mm)限制，所以弯曲试样规格为132.5 mm×40 mm×5 mm. 然后在弯轴直径20 mm，支座间距33 mm，弯曲角度180°条件下做弯曲试验，试验时弯轴对准焊缝中心. 试验结果如图7所示，面弯试样的焊缝、热影响区以及母材上均未出现裂纹，背弯试验只是在焊缝中部出现约为1.6 mm的裂纹(如图7b椭圆形框内)，但该裂纹长度小于标准中规定的3 mm长度. 所以，焊缝的弯曲试验符合DL/T 868—《焊接工艺评定规程》标准要求.

机载双基地雷达不仅具有机载雷达监视范围宽广、机动性良好、规避地物遮挡能力强的特点，还具有双基雷达“四抗”和反隐身的优点，在提高雷达自身的生存能力和目标检测方面具有其独特的优势[1-2]。但不同于机载单基雷达杂波，机载双基雷达杂波空时分布受双基构型影响大，且呈现严重的距离依赖性。杂波距离依赖性会导致不同距离单元杂波分布离散，杂波谱中心的多普勒频率和空间频率的严重扩展，目标会淹没在分布范围很广的杂波中，导致雷达检测性能急剧退化。

图7 弯曲试验后弯曲试样

Fig. 7 Bend specimens after bending test

2.2.5 焊接接头的拉伸冲击性能

对所得的焊接接头按照GB/T228.1— 《金属材料室温拉伸试验方法》加工2个拉伸试样，并用DDL300电子万能试验机在室温25 ℃左右进行拉伸试验测试焊接接头抗拉强度. 拉伸试样断裂位置均在母材上，所得抗拉强度如表3所示. 试验所得抗拉强度满足DL/T 868—《焊接工艺评定规程》标准中规定的不小于620 MPa, 符合焊接P92钢的工艺要求. 拉伸试样的断后伸长率如表3所示，符合标准不小于20%的要求.

根据GB/T 229—《金属材料夏比摆锤冲击试验》方法将焊好的工件加工成55 mm×10 mm×10 mm的标准试样，并用JBS-300B数显半自动冲击试验机对焊缝进行V形缺口夏比冲击试验测试焊缝冲击韧性. 按照标准，焊缝区和热影响区各取3个冲击试样，冲击吸收功以及平均冲击吸收功数据如表3. 与传统TIG打底+SMAW焊填充所得到的约89 J的冲击吸收功相比[11]，CMT+P焊缝的冲击韧性与其基本一致, 且二者都远大于DL/T 868—《焊接工艺评定规程》中要求的41 J的冲击吸收功对应的冲击韧性.

表3 P92钢CMT+P焊接接头力学性能参数

Table 3 Mechanical performance parameters of P92 steel welding joint obtained by CMT+P

断后伸长率A(%)焊缝 80 83 79 81 645 22.5热影响区 100 117 103 107 652 22.5位置 冲击吸收功Akv/J平均冲击吸收功Akv/J抗拉强度Rm/MPa

3 结 论

(1) CMT+P焊接工艺比TIG打底+SMAW填充焊接工艺的焊接热输入更小，焊接效率更高.

(2) CMT+P的P92焊缝组织与TIG打底+SMAW填充焊均为回火马氏体组织，但CMT+P的马氏体板条宽度更小，焊接热影响区更窄有助于提高接头的高温蠕变性能.

学困生的存在是无法回避的问题，造成学生学习困难的原因也是多方面的。其中的一个原因就是学生的心理因素，就这一点，我谈谈个人的想法。

(3) CMT+P焊接接头焊缝抗拉强度高于母材，冲击韧性与TIG打底+SMAW填充所得焊缝冲击韧性相比基本一致，断后伸长率也满足电力行业标准. 所以CMT+P可以作为一种焊接P92钢的新工艺.

首先，企业资产抵押难。目前，东营市农业龙头企业用地大部分采取租用方式，所租赁的海域、滩涂以及国有土地没有确权登记颁证，无法进行抵押，难以从银行得到贷款融资。

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