1 預熱溫度的選擇
P91鋼的Ms點約為400℃，預熱溫度一般選在200～250℃。預熱溫度不能太高，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織，從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時的沖擊韌性。預熱溫度的下限從哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。
插銷試棒采用P91鋼，直徑8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo鋼，厚20 mm，試驗在不預熱、預熱150℃、預熱200℃、預熱250℃條件下進行。焊條采用J707。焊接電流為165～170 A，電弧電壓為21～267 V，試驗結果如表2所示。
表2 P91插銷試驗結果
試驗
條件 試樣
號 應力水平
/MPa 斷裂時間
/min
不預熱 1 303.8 9 9
2 186 8 237
3 176.4 8.3 1440未斷
預熱150℃ 4 421.4 8.1 1260
5 354.8 120未斷
預熱200℃ 6 465.2 8.6 1440未斷
7 482.7 8.1 438
8 539 7.9 313
預熱250℃ 9 539 8.2 1440未斷
10 600 8.0 1440未斷
由上述試驗結果知，在不預熱條件下，P91鋼焊接接頭的臨界應力為176.4 MPa；預熱150℃時，臨界應力為354.8 MPa，為P91鋼常溫屈服極限415 MPa的85.4%；預熱200℃以上時，臨界應力大于460 MPa，超過了P91鋼常溫屈服極限。由此，為避免P91鋼焊接時產生冷裂紋，預熱溫度必須不低于200℃，德國規(guī)定預熱溫度為180～250℃，美國CE公司規(guī)定預熱溫度為120～205℃。
4.2 層間溫度的選擇
層間溫度不得低于預熱溫度下限，但如同預熱溫度的選取一樣，層間溫度也不能過高。P91焊接時層間溫度一般控制在200～300℃。法國規(guī)定：層間溫度不超過300℃。美國規(guī)定：層間溫度可位于170～230℃之間。
4.3 焊后熱處理起始溫度的選擇
P91要求焊后冷卻到低于Ms點以下并保持一定時間再進行回火處理，焊后冷卻速度為80～100℃/h。如果未經保溫，接頭的奧氏體組織可能沒有完全轉變，回火加熱會促使碳化物沿奧氏體晶界沉淀，這樣的組織很脆。但是P91焊后也不允許冷卻到室溫再進行回火，因為其焊接接頭冷卻到室溫時就有產生冷裂紋的危險。對于P91來說，最佳起始溫度為100～150℃，并保溫1h，可基本確保組織轉變完畢。
4.4 回火溫度、恒溫時間、回火冷卻速度的選擇
P91鋼冷裂傾向較大，在一定條件下，容易產生延遲裂紋，故焊接接頭必須在焊后24 h內進行回火處理。P91焊后狀態(tài)的組織為板條狀馬氏體，經過回火可變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其性能較板條狀馬氏體優(yōu)越。回火溫度偏低時，回火效果不明顯，焊縫金屬容易時效而脆化；回火溫度過高(超過AC1線)，接頭又可能再次奧氏體化，并在隨后的冷卻過程中重新淬硬。同時，如本文在前面所述，回火溫度的確定還要考慮接頭軟化層的影響。一般而言，P91回火溫度為730～780℃。
P91焊后回火恒溫時間不少于1 h，才能保證其組織完全轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體。
為了降低P91鋼焊接接頭的殘余應力，必須控制其冷卻速度小于5 ℃/min。P91鋼的焊接工藝可用圖3表示。
圖3 P91鋼焊接工藝
①預熱200～250 ℃；②焊接，層間溫度200～300 ℃；③焊后冷卻，速度為 80～100 ℃/h；④100～150 ℃保溫1 h；⑤730～780 ℃回火1 h；⑥以不大于5 ℃/min速度冷卻
5 P91鋼在廣東省內火電廠應用實例
廣東省電力局第一焊接培訓中心曾作過Φ42 mm×5mm的P91小徑管對接的焊接工藝評定。采取的預熱溫度為200℃，焊后冷卻到150℃，保溫1h后進行回火，回火溫度為750～780℃，保溫1h，升降溫速度均小于5℃/min。焊后對試樣進行外觀檢查、斷口檢查、無損檢測、拉伸和彎曲試驗，結果均合格，這也說明上述焊接工藝是行之有效的。
上述焊接工藝已成功應用在沙角A廠、梅縣電廠高溫再熱器外圈。P91鋼在這些電廠應用后，由于超溫等造成的事故頻率大大降低。
6 結論
①P91鋼靠合金化原理，尤其是添加了少量鈮、釩等微量元素，高溫強度、抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有較大的提高，但其焊接性能較差。
②插銷試驗表明，P91鋼有較大冷裂傾向，選取預熱200～250 ℃，層間溫度200～300 ℃，可有效防止冷裂紋產生。
③P91焊后熱處理前，必須冷卻至100～150 ℃，保溫1 h；回火溫度730～780 ℃，保溫時間不少于1 h。
④以上焊接工藝已應用于200 MW、300MW 鍋爐制造生產實踐中，取得滿意效果，并獲得較大的經濟效益。
