李夕强，王学，杨超，葛兆祥，杨贤彪，任遥遥
（1．江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102;
2．武汉大学动力与机械学院，湖北武汉430072）
摘要：为优化焊接工艺，解决水冷壁T23接头焊缝在运行中容易出现裂纹的问题，测试了T23接头在4种不同工艺(不预热、焊后不热处理，不预热、焊后热处理，预热、焊后不热处理，预热、焊后热处理；预热温度为150℃，焊后热处理工艺为740℃、0.5 h)下的硬度和冲击韧性，并观察了显微组织的变化。研究结果表明，预热对T23接头硬度的影响不大，但增大晶粒尺寸和过热区的宽度，对焊缝和热影响区(HAZ)的韧性均有不利影响：焊后热处理明最降低焊缝和HAZ的硬度，虽然对HAZ韧性影响很小，但可改善焊缝的韧性。建议预热温度不超过150℃或取消预热，进行焊后热处理以保证接头的长期服役性能。
关键词：T23钢；焊接接头；预热；焊后热处理；力学性能
0引言
T23 (2.25Cr-1.6W-V-Nb)钢是在T22的基础上以钨(W)替代钼(Mo)，并加入微合金化元素钒(V)、铌(Nb)，得到的一种新型低合金热强钢。W的作用是同溶强化，V、Nb在回火过程中形成细小的(V，Nb)C强化相，多元强化使T23的持久强度提升到T22钢的1.8倍，在600℃的蠕变强度接近于T91钢。T23钢成分设计的另一个改进是降低含碳量（质量分数不超过0.1%），减小HAZ的淬硬倾向，以改善焊接性。国外早期文献报道，对壁厚不超过10 mm的T23接头，焊接时不仅不需预热，还可取消焊后热处理。焊接工艺的简化使T23成为制造超超临界锅炉水冷壁的理想材料，在中国建造的1000 MW塔式炉中，水冷壁部件大量使用了T23钢。但是，近年来有文献报道水冷壁T23接头的焊缝在运行巾容易出现裂纹，导致泄漏事故，使机组频繁停运。因此，人们对T23钢焊接时能否取消预热和焊后热处理产生了质疑。本文研究T23钢预热和焊后热处理与否对接头力学性能的影响．为分析接头失效原因和提出防止失效措施提供依据。
1 试验材料及方法
试验用T23管子规格为d38.1 mmx6.5 mm.焊材为德国蒂森公司的T23钢专用焊丝WZCr2WV（规格d2.4 mm），其化学成分如表1所示。坡口形式为V型，焊接位置为垂直固定(2G)。焊接方法为手工钨极氩弧焊( GTAW)．共焊接3层，每层单道。焊接规范参数如表2所示。
对于预热和焊后热处理．进行以下4种组合工艺试验：(1)不预热、焊后不热处理(编号为T1)；(2)不预热、焊后热处理（编号为T2）；(3)预热、焊后不热处理（编号为T3）；(4)预热、焊后热处理（编号为T4）。通过这4种工艺，试验研究预热和焊后热处理对接头组织和力学性能的影响。预热温度为150℃．加热宽度为200 mm。焊后热处理工艺为740℃、保温30 min，加热宽度及保温宽度为200 mm,升温速度与降温速度≤300。C/h。
焊后热处理后，按DL/T 821-2002《钢制承压管道对接焊接接头射线检验技术规程》规定对4种接头进行了射线探伤．均未发现裂纹等焊接缺陷，焊缝质量I级，符合标准要求。之后取样进行接头常温力学性能试验和微观分析。常温拉伸试验依据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的规定进行，冲击试验依据GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》及GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的规定进行。由于管壁较薄，取5 mmxlo mmX55 mm的非标准试样进行冲击试验，然后折算成标准试样的冲击吸收能量。冲击试样缺口分别开在焊缝中心和HAZ,得到这2个部位的冲击韧性平均值。在320HBS -3000/0035型Brinell硬度计上测试4种工艺下接头焊缝和母材部位的硬度，载荷为1.84 kN。
金相分析在OLYMPUS -PMG3型光学显微镜下进行。用HXS-1000A型数字式显微硬度计测试接头的硬度分布，载荷为2N。
2试验结果
2.1 常温力学性能试验结果
试验用4种接头的常温抗拉强度为560—625MPa．符合标准要求（不低于母材抗拉强度的下限值510 MPa）。其断裂位置均在离焊缝10 mm以外的母材上，为延性断裂。
布氏硬度测试结果如图1所示。由图1可见，T1与T3工艺相比、T2与T4工艺相比，焊缝硬度的差异很小．表明150℃预热对焊缝硬度的影响非常小。但T1与T2工艺相比、T3与T4工艺相比．试样的硬度差异较大，表明740℃、30 min的焊后热处理明显降低焊缝的硬度，其硬度由热处理前的300 HBW左右降至250 HBW左右。值得注意的是．4种接头母材部位的硬度值稳定在180—190 HBW,故对于焊后未热处理的T1和T3接头．焊缝与母材的硬度差值大于100 HBW,而DL/T 868-2014《焊接工艺评定规程》要求，焊缝与母材硬度的差值应低于100 HBW．因此焊后不热处理T23接头的焊缝硬度超标。
试样接头在4种不同工艺下的冲击试验结果如图2所示。由图2可见，对于热影响区，T1和T2工艺的冲击韧性分别高于T3和T4工艺．表明不预热时的冲击韧性更高。另外，T1与T2工艺相比、T3与T4工艺相比，试样的冲击韧性差异均不大．说明焊后热处理对热影响区冲击韧性的影响较小．即焊后热处理并未明显提高其冲击韧性。对于焊缝的冲击韧性，T1和T2工艺试样也分别高于T3和T4工艺试样，表明预热可能降低焊缝的冲击韧性。与热影响区不同的是，焊缝在T2和T4工艺时的冲击韧性分别高于焊缝在T1和T3工艺时的冲击韧性，表明焊后热处理改善了焊缝的韧性。总的来看，4种工艺下热影响区和焊缝的冲击韧性均较高，最低的接近100 J/cm2，最高的超过200 J／cm2。
2.2显微组织
4种不同工艺下的焊缝显微组织照片如图3所示。由图3可见，焊缝晶粒较粗大。对于未做焊后热处理的T1和T3工艺焊缝．均有较多板条状的马氏体组织．特别是未预热的T1工艺焊缝．板条马氏体数量更多．而进行了预热的T3工艺焊缝，贝氏体数量较T1工艺焊缝增多。另外，T3工艺焊缝的原始奥氏体晶粒的平均尺寸似略大于T1工艺焊缝。对于进行了焊后热处理的T2和T4工艺焊缝，回火转变组织特征明显．T2工艺焊缝尚保留少量板条组织痕迹．组织为回火马氏体+回火贝氏体．而T4工艺焊缝铁索体基体的再结晶特征较明显，板条状组织基本消失．转变为回火贝氏体+回火索氏体。
不同工艺下粗晶粒热影响区(CGHAZ)的显微组织如图4所示。由图4可见，T1和T3工艺的焊缝均形成较多的板条马氏体，与T1工艺相比，T3工艺的CGHAZ平均晶粒尺寸略有增长。T2和T4工艺的焊缝虽然进行了高温回火．但仍保留较多的板条状组织．表明T23钢CGHAZ的抗回火稳定性较好，740℃、30 min热处理后得到的是回火马氏体。要得到回火索氏体，需要延长焊后热处理时间。另外，与T2工艺相比，T4工艺CGHAZ晶粒尺寸的增长不明显。
2.3接头的硬度分布
T1和T3工艺下接头硬度分布（靠近管子外壁）测试结果如图5所示。由图5可见，T1工艺焊缝的硬度较T3工艺焊缝的硬度高．但2种工艺CGHAZ的硬度差别不大．它们的最高硬度均小于350 HV。需要注意的是，T1工艺CGHAZ的宽度约为1.5 mm,而T3工艺CGHAZ的宽度达到4mm，表明预热使CGHAZ宽度明显增加。
T1和T2工艺接头硬度分布（靠近管子外壁）的比较如图6所示。由图6可见，T2工艺下焊缝和HAZ的硬度均较T1工艺时明显降低，表明焊后热处理不仅降低焊缝硬度，也降低了HAZ的硬度。另外，再次的高温回火也使T2工艺接头母材部位的硬度略有降低。
3分析讨论
3.1 预热对接头力学性能的影响
预热对焊接热循环的影响虽然没有热输入那么大．但由于T23管壁较薄．150℃预热仍可使高温停留时间比接头从800℃冷至500℃的时间( t8/5)有较明显的增加。高温停留时间的延长将使焊缝和HAZ的晶粒长大，并使HAZ宽度增大。t。，的增加将减少淬硬马氏体的形成，使贝氏体数量增多。
前文微观分析表明，预热对焊缝的影响一方面使晶粒尺寸略有增大，因此对冲击韧性产生了一定的不利影响（见图2）。此外，预热使t。增加，冷却速度减慢，使焊缝的板条马氏体减少，贝氏体数量增多，也可能是焊缝冲击韧性降低的原因。尽管预热使焊缝的显微硬度降低（见图5），但从布氏硬度的测试结果（见图1）来看，其对宏观硬度的影响不大。预热对CGHAZ的影响除增加晶粒过热程度外．另一个变化是明显增加了过热区宽度，造成冲击韧性的降低。预热对CGHAZ组织的影响似没有对焊缝的影响大，预热时CGHAZ仍形成了较多的板条马氏体，因此其对CGHAZ显微硬度的影响不大(见图5)。
预热的主要作用是为了防止CGHAZ产生冷裂纹，其作用有以下3个方面：(1)增加t8，5，减慢冷却速度，避免形成淬硬的马氏体，降低CGHAZ的硬度；(2)延长在100℃或200℃以上温度的停留时间，从而有利于氢的扩散逸出；(3)减小焊接应力。就其第1个作用而言．150℃预热降低T23钢CGHAZ硬度的作用不大。即便不预热，CGHAZ的最高硬度也低于350 HV,因此对于拘束应力不大的T23钢对接接头，如采取低氢的焊接方法(如GTAW)，是可以取消预热的。预热温度过高或控制不当，反而有可能明显降低焊缝和CGHAZ的韧性。
3.2焊后热处理对接头力学性能的影响
接头性能测试结果表明，焊后热处理降低了焊缝和CGHAZ的硬度，并对焊缝韧性有较明显的改善作用，但对CGHAZ韧性的影响不大。这可能是由于CGHAZ的回火稳定较好，在740℃、30 min热处理后得到的是回火马氏体，不是回火索氏体，因此其韧性改善幅度不大。与CGHAZ相比，焊缝铁素体基体的再结晶特征较为明显，因此其韧性有较最著的提升。
不预热和焊后不热处理（T1工艺）T23接头的韧性良好，焊缝的室温冲击韧性达到114 J/cm2，HAZ的冲击韧性更高，达到200 J/cm2，因此接头的抗裂性较好．加上CGHAZ的最高硬度小于350HV,其产生冷裂纹的倾向较小。这种接头在水压测试巾也应具有较好的抗裂能力。但是，近年来1000 MW塔式炉的水冷壁出现不少T23接头泄漏事故，并且发现失效接头的焊缝韧性均很低(不足15 J/cm2)。笔者通过对T23接头时效性能的研究，发现未焊后热处理的焊缝韧性的恶化是由于其在水冷壁运行温度（管壁金属温度不超过550℃）下有较严重的时效脆化倾向。有些水冷壁在停炉检修后进行水压测试时发现新的泄漏点，很可能与焊缝的时效脆化有关。这表明，尽管取消焊后热处理的T23接头具有较好的初始韧性，但在运行中存在严重的时效脆化。为了稳定组织，保证接头的长期性能，建议最好进行焊后热处理。另外．焊后未热处理T23接头焊缝部位的硬度明显高于母材，超过相关标准规定，在运行中可能使接头的应力一应变分布不均匀，焊缝部位的应力较大，容易导致焊缝的蠕变失效。
4结语
本文研究结果表明：150℃预热对T23接头硬度的影响不大，但可明显增加过热区的宽度，对焊缝和HAZ的韧性均有不利影响；740℃、30 min焊后热处理可明显降低焊缝和HAZ的硬度，并可明显改善焊缝的韧性：在不产生冷裂纹的前提下，建议预热温度不超过150℃或取消预热，以避免焊缝和HAZ过热造成韧性的明显降低：尽管取消焊后热处理的T23接头具有良好的初始韧性，但为了保证接头的长期性能，建议进行焊后热处理。本文结果为T23钢焊接工艺的优化提供了科学依据。
