一、引言：P91 钢及其焊接材料发展背景

在能源行业不断追求高效、可靠运行的进程中，高温高压环境下的设备材料面临着严峻挑战。P91 钢应运而生，作为一种马氏体耐热钢，它在原 9Cr - 1Mo 钢基础上，通过添加 V、Nb、N 等合金元素进行优化，成功填补了珠光体耐热钢和奥氏体耐热钢之间 600 - 650℃温度区域使用的空白。其具有良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力，在电站锅炉的过热器、再热器及主蒸汽管道等领域得到了越来越广泛的应用。

随着 P91 钢应用的拓展，与之匹配的焊接材料和焊接工艺也在持续发展。早期，焊接 P91 钢面临诸多难题，如焊接裂纹敏感性高、热影响区性能恶化等。但经过多年研究与实践，一系列适用于 P91 钢焊接的材料和工艺逐渐成熟，为其大规模应用提供了坚实保障。

二、焊缝金属化学成分

P91 钢焊缝金属化学成分与母材紧密相关且相互匹配。主要合金元素包括 Cr、Mo、V、Nb、N 等。

1.Cr 元素：含量通常在 9% 左右，是提高钢材抗氧化性和耐腐蚀性的关键元素。在高温环境下，能在钢材表面形成一层致密的氧化膜，阻止进一步氧化和腐蚀，有效延长设备使用寿命。

2.Mo 元素：约 1% 含量，可显著增强钢材的高温强度和韧性。它能固溶于铁素体中，起到固溶强化作用，同时改善钢材的抗蠕变性能。

3.V 元素：含量一般在 0.2% 左右，与 C、N 等元素形成细小弥散的碳氮化物，如 V（C，N），这些析出相能有效阻碍位错运动，从而提高钢材的强度和硬度，同时细化晶粒，改善钢材的韧性。

4.Nb 元素：含量约 0.06%，同样形成碳氮化物，如 Nb（C，N）。其作用与 V 元素类似，通过沉淀强化和细化晶粒来提升钢材性能。并且，Nb 元素能提高钢材的热稳定性，抑制高温下晶粒的长大。

5.N 元素：适量的 N 元素（约 0.03%）能与 V、Nb 等元素协同作用，形成更为稳定的碳氮化物，增强沉淀强化效果。同时，N 元素还能改善钢材的晶界性能，提高钢材的强度和韧性。

此外，C 元素含量一般控制在 0.08 - 0.12%，在保证钢材强度的同时，需兼顾其对焊接性能的影响。Si、Mn 等元素作为常规脱氧剂和合金化元素，在焊缝金属中也有一定含量，Si 一般在 0.2 - 0.5%，Mn 在 0.3 - 0.6%，它们有助于改善焊缝金属的铸造性能和力学性能。

三、P91 钢焊接材料技术标准、材料性能

技术标准

1.ASME 标准：在 ASME SA - 213 标准中，对 P91 钢焊接材料的化学成分、力学性能等有详细规定。例如，对于焊接填充金属，要求其化学成分与母材匹配，以保证焊缝金属在高温下具有与母材相近的持久强度和抗蠕变性能。在力学性能方面，规定了室温下的抗拉强度、屈服强度以及高温下的持久强度等指标。

2.EN 标准：EN 标准同样对 P91 钢焊接材料提出严格要求。涵盖了焊接材料的熔敷金属化学成分限制、冲击韧性要求以及焊接工艺评定标准等。在熔敷金属化学成分上，对各合金元素的含量范围进行精确界定，以确保焊接质量的稳定性和可靠性。

材料性能

1.力学性能：P91 钢焊接材料熔敷金属具有较高的室温抗拉强度，一般在 585 - 760MPa 之间，屈服强度不低于 415MPa，与母材相当。在高温下，其持久强度和蠕变性能良好，能在 550 - 650℃的工作温度范围内长期稳定运行，有效抵抗蠕变变形。

2.物理性能：密度与母材相近，约为 7.85g/cm³。热导率在 20 - 500℃范围内为 26 - 30W/（m・K），线膨胀系数在 20 - 600℃时为 11.5×10⁻⁶ - 13.0×10⁻⁶/℃，这些物理性能使得焊接接头在不同温度环境下能与母材协同工作，减少因物理性能差异导致的应力集中和变形。

四、P91 焊接工艺

焊前预热

由于 P91 钢合金元素含量高，淬硬倾向大，冷裂纹敏感性较强，因此焊前预热至关重要。预热温度一般控制在 200 - 300℃。合适的预热温度可以降低焊接接头的冷却速度，减少马氏体转变时产生的组织应力，同时促进氢的逸出，降低氢致裂纹的产生风险。预热范围为焊缝两侧各 100mm 以上。可采用电加热、火焰加热等方式进行预热，加热过程中要确保温度均匀，避免局部过热或过冷。

层间温度

焊接过程中，需严格控制层间温度。层间温度不宜过高，一般不超过 350℃。过高的层间温度会导致焊缝及热影响区晶粒长大，降低接头的韧性和强度。在多层多道焊时，每焊完一层后，应测量层间温度，待温度降至合适范围后再进行下一层焊接。可通过红外测温仪等设备实时监测层间温度。

后热及焊后热处理

1.后热：焊后应立即进行后热消氢处理，后热温度为 300 - 350℃，保温时间 2 - 4 小时。后热的目的是促使焊缝中的氢充分逸出，进一步降低氢致裂纹的产生几率。

2.焊后热处理：焊后热处理是改善焊接接头组织和性能、消除焊接残余应力的关键环节。热处理温度一般为 730 - 780℃，保温时间根据焊件厚度确定，通常每 25mm 厚度保温 1 小时，但总保温时间不少于 1 小时。加热速度不宜过快，一般不超过 220℃/h，冷却速度应在 80 - 100℃/h 以下，以避免产生新的应力和组织变化。通过焊后热处理，使焊缝金属中的马氏体发生回火转变，形成回火马氏体组织，提高接头的韧性和塑性。

五、P91 钢焊接材料系列介绍

焊丝 1.ER90S - B9 焊丝：是常用的 P91 钢焊接用焊丝，其化学成分与 P91 钢母材匹配良好。具有良好的工艺性能，电弧稳定，飞溅小，熔敷效率高。适用于各种焊接位置，尤其在氩弧焊（TIG）等高质量焊接工艺中应用广泛。能保证焊缝金属具有与母材相近的力学性能和抗腐蚀性能。

2.其他焊丝：部分特殊工况下，还有一些改进型焊丝。例如，添加了微量稀土元素的焊丝，可进一步改善焊缝金属的组织和性能，提高其抗氧化性能和高温持久强度。这些焊丝在特定的高温、高压及腐蚀环境下的焊接工程中发挥重要作用。

焊条 1.E9018 - B9 焊条：为碱性焊条，具有超低氢含量。能有效减少焊缝中的氢含量，降低氢致裂纹的产生风险。其熔敷金属具有较高的强度和韧性，适用于焊接改进型铬钼耐热钢。在手工电弧焊中，该焊条操作性能良好，脱渣容易，焊缝成型美观。

2.其他焊条：针对不同的焊接要求，还有一些特殊焊条。如用于厚壁焊件的高熔敷效率焊条，通过优化药皮配方，提高了单位时间内的焊条熔敷量，同时保证了焊缝质量；用于低温环境下焊接的焊条，通过调整合金成分，改善了焊缝金属在低温下的韧性。

六、焊缝金属及焊接接头机械性能

焊缝金属机械性能 1.室温性能：焊缝金属室温抗拉强度与母材相当，一般在 585 - 760MPa 之间，屈服强度不低于 415MPa，具有良好的塑性，延伸率通常在 15% 以上。这使得焊缝在常温下能承受较大的载荷，且不易发生脆性断裂。

2.高温性能：在高温环境下，焊缝金属的持久强度和蠕变性能是关键指标。在 550 - 650℃的工作温度范围内，焊缝金属能保持较高的持久强度，有效抵抗蠕变变形。例如，在 10⁵h 及 550℃下，焊缝金属的蠕变强度能满足实际工程需求，保证设备长期稳定运行。

焊接接头机械性能

1.拉伸性能：焊接接头的拉伸强度应不低于母材规定值的下限，保证接头在承受拉伸载荷时，不会在焊缝或热影响区首先发生断裂。通过合理的焊接工艺和材料选择，可使焊接接头的拉伸性能与母材良好匹配。

2.冲击韧性：焊接接头的冲击韧性是衡量其抵抗冲击载荷能力的重要指标。由于焊接热循环的影响，热影响区的冲击韧性可能会有所下降。但通过控制焊接工艺参数，如焊接热输入、预热和后热等措施，可有效改善热影响区的组织和性能，提高焊接接头的冲击韧性，确保在冲击载荷下接头的安全性。

3.硬度分布：焊接接头的硬度分布应均匀，避免出现局部硬度过高或过低的情况。过高的硬度可能导致接头脆性增加，易产生裂纹；过低的硬度则会影响接头的强度和耐磨性。通过合适的焊接工艺和焊后热处理，可使焊接接头的硬度分布在合理范围内，保证接头的综合性能。

七、P91 钢与异种材料的焊接

与珠光体耐热钢焊接

当 P91 钢与珠光体耐热钢（如 P22 钢）焊接时，由于两者化学成分和性能存在差异，焊接过程中易出现问题。焊条可选用 2.25Cr - 1Mo 焊条，预热温度为 200℃，焊接后缓慢冷却到室温，然后在 700 - 725℃下回火。也可先在 P91 钢侧堆焊 5Cr1 - 1Mo 焊条，然后再与 P22 钢焊接。焊接过程中，要注意控制焊接热输入，避免热影响区晶粒过度长大。由于两种钢材焊接部位可能出现脱碳区，因此要保证焊接金属的含碳量足够高，以满足持久强度的要求。

与奥氏体耐热钢焊接

P91 钢与奥氏体耐热钢（如 TP304H）焊接时，需选用 Inconel 182Ni 基合金焊条。预热温度为 200℃，焊后冷却到室温，在 700 - 730℃回火。由于奥氏体钢和 P91 钢的线膨胀系数差异较大，在运行过程中会产生较大的热应力，因此焊接时要采取措施减小热应力，如合理安排焊接顺序、控制层间温度等。同时，要注意焊接接头的组织和性能变化，防止出现因组织不匹配导致的早期失效。

P91 钢与普通碳钢、低合金钢焊接

焊接性分析

：P91 钢的合金元素含量较高，淬硬倾向大，而普通碳钢、低合金钢的合金元素含量较低，两者在焊接时，热影响区容易产生淬硬组织，导致焊接接头的韧性和塑性下降，同时可能产生冷裂纹。 焊接工艺

：焊前需对 P91 钢一侧进行预热，预热温度一般在 200 - 250℃左右。焊接过程中，要控制焊接热输入，采用较小的焊接电流和较快的焊接速度，以减少热影响区的宽度。焊后应及时进行后热和热处理，后热温度为 250 - 350℃，保温 2 - 4 小时，以消除焊接残余应力，防止冷裂纹的产生。 焊接材料

：可选用 E9015 - B9（R907）焊条，或 ER90S - B9 焊丝。

P91 钢与 15CrMo 焊接

焊接性分析 ：15CrMo 是一种珠光体耐热钢，与 P91 钢相比，其合金元素含量较低，高温性能不如 P91 钢。在焊接时，两者的热膨胀系数有一定差异，可能导致焊接接头在高温运行时产生较大的热应力，同时也存在冷裂纹和热裂纹的倾向。 焊接工艺 ：焊前预热温度控制在 200 - 250℃。焊接时，采用多层多道焊，严格控制层间温度不超过 300℃。焊后进行高温回火处理，回火温度为 730 - 770℃，保温时间根据焊件厚度确定，一般每 25mm 厚度保温 1 小时。 焊接材料 ：焊条可选用 E9015 - B9（R907），焊丝选用 ER90S - B9。

P91 钢与 P11、P22 焊接

焊接性分析 ：P11 和 P22 均为 Cr - Mo 系耐热钢，与 P91 钢相比，合金元素含量和性能有所不同。焊接时，存在热应力、组织不均匀以及裂纹等问题，尤其是 P91 钢与 P22 钢焊接时，由于两者的碳含量和合金元素含量差异较大，焊接性相对较差。 焊接工艺 ：焊前预热温度一般在 200 - 250℃。焊接过程中，控制热输入，避免过高的温度导致合金元素的烧损和组织的恶化。焊后进行热处理，热处理温度根据具体材料和焊件要求确定，一般在 700 - 760℃之间。 焊接材料 ：对于 P91 钢与 P11 焊接，可选用 E8015 - B8（R807）焊条或 ER80S - B8 焊丝；与 P22 焊接时，可选用 E9015 - B9（R907）焊条或 ER90S - B9 焊丝。

P91 钢与 1Cr5Mo 焊接

焊接性分析 ：1Cr5Mo 属于马氏体耐热钢，与 P91 钢相比，其合金元素含量和性能有一定差异。焊接时，容易出现热影响区的脆化和裂纹等问题，特别是在热影响区的粗晶区，由于组织粗大，韧性下降明显。 焊接工艺 ：焊前预热温度应不低于 250℃。焊接时，采用小电流、快速焊的工艺，减少焊接热输入。焊后及时进行后热和回火处理，后热温度为 300 - 350℃，回火温度为 720 - 750℃。 焊接材料 ：焊条可选用 E6015 - B5（R507），焊丝选用 ER62 - B5。

P91 钢与 T9、T91 焊接

焊接性分析 ：T9 和 T91 与 P91 钢同属马氏体耐热钢，化学成分和性能较为相似，但仍存在一些差异。焊接时，主要问题是热影响区的组织转变和应力分布不均匀，可能导致焊接接头的性能不稳定。 焊接工艺 ：焊前预热温度一般在 200 - 250℃。焊接过程中，控制层间温度在 250 - 300℃。焊后进行高温回火处理，回火温度为 730 - 780℃，保温时间根据焊件厚度确定。 焊接材料 ：焊条可选用与母材成分相近的 E9015 - B9（R907），焊丝选用 ER90S - B9。 P91 钢与 304、316L 焊接

焊接性分析 ：304 和 316L 属于奥氏体不锈钢，与 P91 钢的化学成分、组织和物理性能差异很大。焊接时，会出现稀释问题，即 P91 钢中的合金元素稀释到不锈钢焊缝中，导致焊缝金属的组织和性能发生变化，同时还可能产生热裂纹、应力腐蚀开裂等问题。 焊接工艺 ：焊前一般不进行预热，但需对焊件进行清理，去除油污、铁锈等杂质。焊接时，采用小电流、快速焊，减少热输入，避免不锈钢一侧过热。多层多道焊时，要控制层间温度不超过 150℃。焊后一般不进行热处理，以免引起不锈钢的敏化。 焊接材料 ：可选用 A302、A307 等奥氏体不锈钢焊条，或 ER309、ER309L 等焊丝，以保证焊缝金属具有良好的抗裂性和耐腐蚀性。

八、Cr - Mo 类新型耐热材料研究开发的最新进展

近年来，为满足更高参数电站及其他工业领域对材料性能的严苛要求，Cr - Mo 类新型耐热材料的研究开发取得了显著进展。

1.合金成分优化：通过进一步调整合金元素的种类和含量，开发出性能更优的材料。例如，在 P91 钢基础上，研发出含更高 Cr、Mo 含量并添加其他微量元素的新型钢材，其高温强度和抗蠕变性能得到进一步提升，可应用于更高温度和压力的环境。

2.微观组织调控：利用先进的冶金技术，如控轧控冷、形变热处理等，对材料的微观组织进行精细调控。获得更加均匀、细小的晶粒组织以及弥散分布的强化相，从而显著提高材料的综合性能。

3.焊接材料与工艺协同发展：针对新型 Cr - Mo 类耐热材料，研发与之匹配的高性能焊接材料和先进焊接工艺。例如，开发出具有特殊成分设计的焊接材料，能在焊接过程中抑制不利相的产生，保证焊缝金属与母材在性能上的良好匹配。同时，采用激光焊接、电子束焊接等新型焊接技术，提高焊接质量和效率，降低焊接缺陷的产生几率。

随着研究的不断深入，Cr - Mo 类新型耐热材料及其焊接技术将为能源、化工等行业的高效、安全发展提供更有力的支持。