T91耐热钢已经在电站锅炉中广泛使用,一般采用TIG焊打底手工电弧焊填充盖面的方法进行焊接,同传统的电弧焊方法相比,激光-电弧复合焊具有能量密度高,热输入小,热影响区较小,焊接残余应力和变形小,焊接接头的力学性能优异的特点。因此研究开发高效、优异的T91耐热钢激光-电弧复合焊新技术和工艺具有重要的意义。根据激光-电弧复合焊双热源的特点,建立了锥形体热源和双椭球热源的组合热源模型,对不同预热温度的激光复合焊接进行温度场及应力场模拟。温度场模拟结果显示,随着预热温度的提高,焊接热循环发生了变化,尤其是冷却速度逐渐降低,减小了焊接接头淬硬倾向,对于减少裂纹倾向和改善性能有利。应力场模拟结果显示,采用焊前预热可以改善焊接接头的应力大小及分布,随预热温度的增加,焊接接头焊缝区最大拉应力逐渐减小,焊缝区拉应力分布区域宽度逐渐减小,有利于减少焊缝区裂纹的形成。对T91耐热钢的激光-复合焊焊接的工艺进行优化。T91耐热钢激光-电弧复合焊采用的焊接参数为:激光功率为2 kW、电弧功率为3.8 kW、焊接速度为0.8m/min,焊前预热温度达到200℃,获得的T91焊接接头成形良好,没有缺陷,焊接接头组织合适,综合性能较好。对预热温度为200℃的试样进行室温拉伸及600℃和900℃高温拉伸,均断裂于母材。高温拉伸母材区的析出相数量和尺寸均大于焊缝区,且析出相分布不均匀;同时,在900℃高温拉伸试验显示,母材区晶粒尺寸较小,发生了再结晶,出现了再结晶软化现象,而焊缝区变形很小,没有发生动态再结晶;这是导致母材区拉伸性能比焊缝区拉伸性能差的主要原因。通过采用OM、SEM、EDS、TEM、硬度、拉伸等手段对焊接接头在高温下不同时效处理时间的组织与性能进行分析,发现接头随时效时间的增加,晶粒逐渐变大,板条马氏体逐渐变宽并逐渐融合形成块状马氏体,进而碎化、分解为新的亚晶结构,部分马氏体甚至转化成片层状铁素体。随时效处理时间的增加,析出相逐渐向晶界和马氏体板条边界聚集,尺寸逐渐变大,数量呈先增多再减少的趋势;焊接接头硬度不断减小,抗拉强度逐渐降低,但均大于母材。时效处理形成的析出相主要由M₂₃C₆相、M₇C₃相和Laves相等三类组成。