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T91钢[1-4]是改进型的9Cr1Mo钢，是一种新型耐热合金，它在原9Cr1Mo钢的基础上添加少量微量Nb，V，N等，热处理工艺为正火加高温回火，正火温度不低于1 040 ℃，回火温度不低于730 ℃，组织为回火马氏体，既具有低碳板条马氏体的高强度又因高温回火形成亚稳态多变化结构，热强度和热稳定性优异，可在A1相变点以下高温长时间服役，广泛应用于蒸汽锅炉、原子能工业、石油工业的高温环境下工作的管道、部件等.
T91钢中铬含量为9%，钼含量为1%，还有铌、钒等，合金元素含量较高，且铬、钼、钒为强碳化物形成元素，焊缝组织为马氏体，淬硬倾向大，T91钢焊接极易产生冷裂纹. 目前T91钢常采用氩弧焊或焊条电弧焊[5-6]进行焊接，由于焊缝金属合金含量较高，熔池流动性不好，所以需严格控制焊接热输入，对焊接手法要求很高.
激光填丝焊[7]作为激光焊接技术的一种，继承了激光焊能量密度高、深宽比大、焊后变形小等优点，且它对焊件装配间隙的敏感度降低，可实现较小功率焊接较厚较大焊件，因此激光填丝焊有着广阔的应用的前景. 魏菁，王欢[8]等人采用10 000 W光纤激光器对8 mm 10CrSiNiCu船用高强钢进行激光填丝焊工艺研究，添加ER50-6焊丝，研究了热输出对焊缝质量的影响，获得了成型良好的焊缝，拉伸试验断裂在母材，冲击性能与母材相当，但焊缝弯曲性能较母材差. 目前国内外很多学者已经采用激光填丝焊工艺对各种材料进行焊接，不仅在中薄板焊接[9-15]取得一定成果，在厚板焊接[16-19]也取得较大突破.
但因T91马氏体耐热钢的特殊性，其对焊缝质量要求更高，故采用激光填丝焊焊接T91马氏体耐热钢的的研究鲜有报道. 本文采用光纤激光填丝焊接T91马氏体耐热钢，添加同质焊丝，探究激光填丝焊热输入对T91钢焊缝组织及内部气孔数量的影响，以获取内部质量优异的焊缝，并对较优参数下获得的焊缝进行力学性能的分析.
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试验采用多功能激光焊接平台，如图1所示，平台配备10 000 W IPG光纤激光器(波长1 080 nm)、光纤芯径200 μm；焊接头为PrecitecYW52型焊接头，聚焦光斑0.5 mm；送丝机构采用奥地利Fronius推拉丝送丝机；运动机构为KUKA 60HA机器人.
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试验采用5 mm厚T91马氏体耐热钢板料，微观组织为板条马氏体，晶粒度11.5级，如图2所示，成分如表1所示，抗拉强度700 MPa，屈服强度540 MPa，延伸率20%. 激光填丝焊采用同材质材料拉拔焊丝、焊丝直径1.0 mm.
图 1 试验设备
Figure 1. Experimental installation
图 2 母材微观组织
Figure 2. Microstructure of base metal
表 1 T91马氏体耐热钢化学成分(质量分数，%)
Table 1. Chemical component of T91
元素 Cr Mo V Nb N Ni Si C Mn P S Fe 8 ~ 9.5 0.85 ~ 1.05 0.18 ~ 0.25 0.06 ~ 0.1 0.03 ~ 0.07 ≤ 0.04 0.2 ~ 0.4 0.08 ~ 0.12 0.30 ~ 0.60 ≤ 0.02 ≤ 0.01 余量 -
将5 mm厚T91板材加工为100 mm × 100 mm标准试板，采用激光清洗的方式去除板材表面油污等杂质，然后用丙酮清洗以进一步去除其表面残留杂质. 将清理好的板材装夹在拼焊夹具上，并检查拼缝质量，使得拼缝间隙小于0.1 mm，错边量小于0.1 mm. 调整焊接头工作距离，保持离焦量为2 mm，采用表2中的焊接参数分别进行激光填丝焊接，然后对三组试板进行热处理，热处理工艺为730 ℃保温90分钟后空冷，对热处理后的焊缝进行RT检测，分析焊缝内部气孔状态、微观组织，最后对气孔状态最佳的焊缝进行力学性能检测.
表 2 焊接参数
Table 2. Welding parameters
序号 功率
P/W焊接速度
vw(mm/s)送丝速度
vf(m/min)线能量
E(kJ/cm)1 5 600 20 1.2 2.8 2 6 000 25 1.5 2.4 3 6 400 30 1.8 2.13 -
将金相式样镶样后磨抛，采用苦味酸盐酸水溶液进行腐蚀，在USB便携式电子显微镜下对焊缝截面形貌进行观察；采用金相显微镜分析焊缝各区域组织形态，并用显微硬度计测量各区域显微硬度；将焊缝余高去除后采用电子万能试验机对拉伸式样进行拉伸试验，测量焊缝抗拉强度，并采用弯曲试验机测试焊缝弯曲性能；采用摆锤式冲击试验机，分别在温度T为20，0，–20 ℃下进行冲击试验，非标试样尺寸为55 mm × 10 mm × 2.5 mm(试样厚度由5 mm磨削至2.5 mm)，分别在母材/焊缝/热影响区位置开V型缺口，测量冲击吸收能.
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试验过程中对焊缝正反采用Ar保护，三组参数均可以获得成型良好的焊缝，如图3所示，焊缝表面纹路均匀，无微裂纹、气孔等不良缺陷.
图 3 焊缝外观形貌
Figure 3. Weld appearance
图4为不同热输入下焊缝截面低倍形貌，当线能量由2.8 kJ/cm降低到2.13 kJ/cm时，焊缝表面宽度由4 mm降低到3.2 mm，焊缝中部宽度由1.4 mm降低到0.9 mm，焊缝表面塌陷有轻微改善，背面凸起减小. 主要是因为线能量降低时，焊缝熔池受热作用时间减短，熔化母材面积减少，熔宽变窄，同时熔池在高温下停留时间减短，熔池受重力及金属蒸汽压的作用向下流淌的现象减缓，因而背面凸起减小. 但三组参数整体成型均较好，上表面无明显塌陷，截面呈典型钉子头形貌.
图 4 焊缝截面形貌
Figure 4. Weld section morphology
图5为接头低倍下各区域的分布图，从左往右依次为焊缝区(WZ)、热影响区(HAZ)、母材区(BM). 图6为不同热输入下接头各区域微观组织，焊缝、热影响均为回火马氏体组织，焊缝区晶粒较热影响区与母材区粗大一些，热影响区晶粒度与母材相当，达到11级，焊缝区晶粒度为8级. 随着焊接热输入的变化，焊缝晶粒尺寸未见明显变化，说明合适的激光参数焊接T91钢时，不会带来明显的晶粒长大现象，焊缝区组织均匀细小.
图 5 接头各区域分布图
Figure 5. Regional distribution of the weld section
图 6 不同热输入下接头焊缝与热影响区微观组织
Figure 6. Microstructure of HAZ and WZ at different weld heat input
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激光深熔焊时功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔，孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底，这种现象称为小孔效应. 小孔能将射入的激光能量完全吸收，使包围着这个孔腔的金属熔化，孔壁外液体的流动和壁层的表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持动态平衡，光束携带着大量的光能不断地进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束向前移动，小孔始终处于流动的稳定状态，小孔随着前导光束向前移动后，熔融的金属填充小孔移开后所留下的空腔并随之冷凝成焊缝，完成焊接过程. 而当激光入射能量或其他原因导致小孔效应失稳，会使得运动的小孔被剪断在焊缝内部，故而形成工艺性气孔.
图7为不同热输出下焊缝X射线探伤结果，当E = 2.8 kJ/cm时，焊缝内部基本无气孔，随着热输入的降低，焊缝内部气孔逐渐增多. 激光深熔焊气孔主要分为工艺性气孔与氢气孔，而各组参数的试验条件相同，焊缝内部的气孔差异主要为工艺性气孔. 因为当线能量降低时，激光能量输入降低，加之焊丝熔化需消耗部分能量，导致小孔吸收的激光能量降低，小孔效应失稳，焊缝熔透率降低，残留在焊缝内部的由小孔被剪断产生的气孔数量增加. 同时，线能量降低时，焊缝宽度变窄，小孔效应的通道变窄，也会导致焊缝内部残留较多工艺性气孔.
图 7 不同热输入下的焊缝X射线探伤结果
Figure 7. Result of RT at different weld heat input
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在不同热输入下，激光焊缝的微观组织差别不大，而当采用E = 2.8 kJ/cm的激光参数焊接时，焊缝基本无气孔，达到ISO13919 I级焊缝，因此仅对该组参数下的焊缝力学性能进行分析，以评估激光焊接T91钢焊缝的力学性能.
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图8为E = 2.8 kJ/cm时激光填丝焊焊缝上、中、下区域显微硬度H对距离焊缝中心距离S的分布，从图中可以看出，焊缝与热影响区硬度均高于母材，因焊缝宽度差异使得高硬度区宽度存在差异，上中下三个区域的硬度分布趋势及各区域硬度值基本相同，焊缝区290 HV，热影响区平均240 HV，母材区200 HV，也说明了尽管采用焊后高温回火的热处理方法，也无法获得与母材硬度相当的焊缝组织.
图 8 焊缝各区域显微硬度分布
Figure 8. The microhardness distribution at different position of the weld section
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拉伸试验结果如表3、图9所示，抗拉强度697 MPa，屈服强度545 MPa，延伸率17%，试样断裂在母材，焊缝抗拉强度、屈服强度均与母材相当，但延伸率略低于母材. 因为激光焊接后，虽然采用回火方式提升焊缝塑性，但焊缝硬度仍无法降低到母材水平，虽然焊缝强度与母材相当，但延伸率较母材低.
表 3 拉伸试验结果
Table 3. Result of tensile test
编号 抗拉强度Rm(MPa) 屈服强度Rp0.2(MPa) 延伸率δ(%) 断裂位置 1 695 545 17 母材 2 697 550 15 母材 
图 9 拉伸试样断裂示意图
Figure 9. Tensile sample fracture morphology
T91激光焊试样弯曲结果如图10所示，对试样进行180°正弯与背弯，弯曲半径为15 mm，均为发现裂纹. 虽然焊缝拉伸试验结果表面其延伸率较母材有所降低，焊缝塑性有所降低，但弯曲试验结果表明T91钢激光焊缝仍具有良好的塑性.
图 10 180°弯曲后试样形貌
Figure 10. 180 ℃ bending sample morphology
表4为焊缝接头分别在20，0，–20 ℃下的冲击试验结果，可以看出，在三个温度梯度下，热影响区与焊缝的冲击吸收能量均大于母材，即冲击性能优于母材.
表 4 20，0，–20 ℃下接头各区域冲击试验结果
Table 4. Impact test results of different area at 20/0/–20 ℃
编号 缺口位置 测试温度T(℃) 冲击吸收能量KV2(J) 1 BM 20 24 2 HAZ 20 26 3 WS 20 28 4 BM 0 26 5 HAZ 0 29 6 WS 0 25 7 BM –20 23 8 HAZ –20 31 9 WS –20 28 从上述检测结果可以看出，采用激光填丝焊接T91马氏体耐热钢，可以获得基本无气孔的优质焊缝，且焊缝强度，弯曲性能、冲击性能均达到母材水平.
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(1)采用激光填丝焊接5 mm T91马氏体耐热钢，添加同种材质焊丝，当焊接热输入增加时，焊缝变宽，焊缝区晶粒度基本不变，焊缝内部气孔减少；
(2)焊缝与热影响区组织为回火马氏体，焊缝区晶粒度8级，热影响区晶粒度11级，与母材相当；
(3)当采用功率5 600 W，速度1.2 m/min，送丝速度1.2 m/min的参数进行焊接时，可获得基本无气孔的优质焊缝，其显微硬度达300 HV，抗拉强度与母材相当，180°正弯曲与背弯曲均不开裂，20，0，–20 ℃下冲击功均高度母材.
Laser Welding of T91 Martensite Heat-resistant Steel with Feeding Wire
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摘要: 对5 mm厚T91马氏体耐热钢板激光填丝焊工艺进行研究，分析了热输入对焊缝成型、微观组织、内部气孔数量的影响规律，并对最佳参数焊缝的力学性能进行了检测. 结果表明，采用同质焊丝焊接T91钢时，随着热输入的增加，焊缝宽度变大，焊缝内部气孔数量减少，晶粒度变化不明显，焊缝区与热影响区组织均为回火马氏体；采用功率5 600 W、速度1.2 m/min、送丝速度1.2 m/min的参数焊接可获得内部基本无气孔的焊缝，焊缝显微硬度300 HV，抗拉强度697 Mpa，断裂在母材，180°正弯与背弯曲均未出现裂纹，20，0，–20 ℃下冲击性能均高于母材.Abstract: The research on laser welding 5-mm thick T91 martensite heat-resistant steel with filler wires is conducted, and the effects on weld appearance, microstructures, and porosity are studied, also the weld mechanical properties of the optimal parameter are tested. The results show that when welding heat input increased by using same material wire to weld T91 steel, weld seam width, porosity decreased, and grain size changed a little, microstructure of weld zone and HAZ are tempered martensite. The weld seam can be pore-free with the parameter of power 5 600 w, speed 1.2 m/min, feeding speed 1.2 m/min, its microhardness is 300 HV, tensile strength is 697 Mpa, no cracks appear by 180° bending and back bending, and the impact properties are better than base metal at 20/0/–20 °C.
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图 6 不同热输入下接头焊缝与热影响区微观组织
Figure 6. Microstructure of HAZ and WZ at different weld heat input
图 8 焊缝各区域显微硬度分布
Figure 8. The microhardness distribution at different position of the weld section
表 1 T91马氏体耐热钢化学成分(质量分数，%)
Table 1. Chemical component of T91
元素 Cr Mo V Nb N Ni Si C Mn P S Fe 8 ~ 9.5 0.85 ~ 1.05 0.18 ~ 0.25 0.06 ~ 0.1 0.03 ~ 0.07 ≤ 0.04 0.2 ~ 0.4 0.08 ~ 0.12 0.30 ~ 0.60 ≤ 0.02 ≤ 0.01 余量 
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表 2 焊接参数
Table 2. Welding parameters
序号 功率
P/W焊接速度
vw(mm/s)送丝速度
vf(m/min)线能量
E(kJ/cm)1 5 600 20 1.2 2.8 2 6 000 25 1.5 2.4 3 6 400 30 1.8 2.13
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表 3 拉伸试验结果
Table 3. Result of tensile test
编号 抗拉强度Rm(MPa) 屈服强度Rp0.2(MPa) 延伸率δ(%) 断裂位置 1 695 545 17 母材 2 697 550 15 母材
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表 4 20，0，–20 ℃下接头各区域冲击试验结果
Table 4. Impact test results of different area at 20/0/–20 ℃
编号 缺口位置 测试温度T(℃) 冲击吸收能量KV2(J) 1 BM 20 24 2 HAZ 20 26 3 WS 20 28 4 BM 0 26 5 HAZ 0 29 6 WS 0 25 7 BM –20 23 8 HAZ –20 31 9 WS –20 28
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图(10) / 表 (4)
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