90 mm寬帶極堆焊奧氏體不銹鋼的化學成分及鐵素體FN分析

陳志林，劉應虎

(中國第二重型機械集團公司，四川德陽 618013)

0 引言

在“300系列”奧氏體不銹鋼焊材領域，有一類材料并不是嚴格意義的純奧氏體不銹鋼，其不銹鋼焊縫中含有少量δ相鐵素體。這類材料在石油、化工、核電等領域應用廣泛，常見的如:(1)加氫反應器、熱高壓分離器容器內壁雙層堆焊TP.309L+TP.347(或單層帶極堆焊 TP.347L)，耐蝕層δ相鐵素體含量3～10 FN;(2)天然氣脫硫裝置主吸收塔、水解反應器內壁雙層堆焊TP.309L+TP.316(或單層帶極堆焊 TP.316L)，耐蝕層δ相鐵素體含量3～8 FN;(3)核電站大型RPV、穩壓器等設備內壁雙層堆焊 TP.309L+TP.308L，耐蝕層δ相鐵素體含量5～15 FN(目標值5～12 FN)。這類奧氏體不銹鋼焊縫中δ相的有利作用有:(1)可打亂單一γ相柱狀晶的方向性，不致形成連續貧Cr層;(2)δ相富Cr，有良好的供Cr條件，可減少γ晶粒形成貧Cr層。由此減少了晶間碳化物沉淀的可能性，提高不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕的能力。同時，奧氏體不銹鋼焊縫少量δ相鐵素體的存在對于降低焊縫金屬中裂紋和微裂紋是有好處的，會降低焊縫金屬的裂紋敏感性，同時可以提高焊縫的強度［1］。

大型石化容器產品制造普遍涉及奧氏體不銹鋼帶極堆焊技術，其具有熔敷率高、稀釋率低的特點，合金過渡均勻穩定。文中主要從90 mm規格寬帶極雙層堆焊TP.309L+TP.347型不銹鋼焊接工藝入手，分析各種焊接因素對奧氏體不銹鋼化學成分及鐵素體FN的影響機理。

1 寬帶極堆焊試驗設備

90 mm規格寬帶極堆焊試驗設備選用恒電壓平特性直流電源，等速送絲系統。采用直流、電極接正(DCEP)的方法可以產生更好的焊道邊緣形狀和更規則的熔敷金屬表面。焊接過程中，平特性電源的電壓波動很小而電流變化相對較大，焊接過程自調節性能好，送絲速度波動小，電弧電壓穩定。由于90 mm規格寬帶堆焊電流較大，試驗采用的電源為兩臺ESAB LAF1250并聯電源以產生更大的電流，滿足寬帶堆焊要求，堆焊機頭型號為SOUDOKAY 125－ES1－300，機頭上配備CED 1 1370 C22 型號磁控裝置［2］。

2 寬帶極堆焊試驗材料

2.1 堆焊試驗母材材質

寬帶堆焊試驗母材試板采用2.25Cr－1Mo－0.25V鋼，該鋼種已廣泛應用于煉油化工行業的臨氫設備制造，其化學成分見表1。該鋼種屬Cr－Mo－V系耐熱鋼，其淬硬傾向大，冷裂敏感性明顯。為防止產生冷裂紋，在進行過渡層 TP.309L型帶極埋弧堆焊時，堆焊前對焊件預熱≥125℃，過渡層層溫控制在200℃以內，以免過高的層溫使過渡層與母材界面晶粒粗大。耐蝕層TP.347型帶極電渣堆焊在室溫下進行，層溫≤150 ℃［3－4］。

2.2 寬帶極焊接材料

堆焊試驗采用瑞典ESAB焊材公司TP.309L+TP.347型奧氏體不銹鋼雙層堆焊帶極焊材:過渡層焊帶OK Band 309L，規格0.5 mm ×90 mm，匹配焊劑 OK Flux 10.05;耐蝕層焊帶 OK Band 347，規格 0.5 mm × 90 mm，匹配焊劑 OK Flux 10.10。其化學成分見表2。

過渡層焊帶OK Band 3 0 9 L名義成分為24Cr13Ni、耐蝕層焊帶OK Band 347名義成分為20Cr10Ni，過渡層和耐蝕層焊帶的超低碳(C＜0.03%)含碳量，能夠有效地防止生成鉻的碳化物，降低晶間碳化物沉淀的可能性。而耐蝕層焊帶中作為穩定劑加入的Nb+Ta，目的是讓碳優先與之結合成NbC，可防止鋼中碳和鉻結合成鉻的碳化物沉淀于晶界而使晶界貧鉻。以此降低焊縫金屬晶間腐蝕敏感性，以抑制晶間腐蝕的發生。

某些焊材供應商的埋弧焊焊劑有意添加合金成分來調控焊縫金屬δ相鐵素體比例，焊劑是合金化或活潑的，則焊接條件特別是電壓可以導致熔敷金屬化學成分的顯著變化，高電壓產生大的焊劑與金屬間的相互作用，所以合金過渡多。而ESAB公司不銹鋼帶極埋弧焊及電渣焊的焊接材料:為了盡量減少焊縫增Si，以及減少Cr和其他元素的氧化，通常采用堿性焊劑，過渡層焊劑OK Flux 10.05及耐蝕層焊劑OK Flux 10.10均為高堿度型燒結焊劑，基本不向堆焊層焊縫過渡Cr等合金元素，該類焊劑脫渣性好，焊接工藝性良好，成型美觀［2］。

3 TP.309L+TP.347型奧氏體不銹鋼寬帶極堆焊工藝

試驗采用ESAB焊材進行雙層帶極堆焊:過渡層采用帶極埋弧堆焊，耐蝕層采用帶極電渣堆焊，其焊接規范見表3。過渡層堆焊時，為了保證焊縫合適的合金含量，焊接稀釋率不能太大，控制在15%～20%范圍較好。電渣堆焊耐蝕層時，堆焊層的稀釋率可根據焊材(包括焊帶與焊劑)的化學成分含量在8%～15%較寬范圍內調節。

堆焊試驗過程中，焊接操作者應盡量控制溫度:較低的預熱及層溫控制有利于減弱不銹鋼堆焊層δ→σ脆性相的轉變傾向、防止晶間腐蝕發生，同時有利于防止堆焊層金屬微裂紋的產生。

由于不銹鋼堆焊層和2.25Cr－1Mo－0.25V鋼母材的線膨脹系數相差較大，堆焊過程中容易產生焊接應力，因此對于焊后的熱處理工藝要嚴格控制，至少應考慮制造、制造返修及用戶返修共計3次的熱處理。試驗采用的最大焊后熱處理為:705 ±14 ℃ ×32+2h［3］。

堆焊試板經模擬最大焊后熱處理，進行試板解剖，堆焊試板見圖1，理化檢測性能如下:

圖1 堆焊試板圖片

(1)鐵素體測量儀測量鐵素體(焊態):表面鐵素體6.9 FN。

(2)堆焊層表面HB硬度 (焊態):187，187，187，187。

(3)截面硬度檢測:堆焊層表面HB硬度:197，197，197，197;耐蝕層 HV5硬度:220，218;過渡層HV5硬度:209，217;母材層 HV5硬度:197，190。

(4)晶間腐蝕試驗:按 GB 4334.5—2000《不銹鋼硫酸－硫酸銅腐蝕試驗方法》試驗，兩件試樣經16 h晶間腐蝕試驗彎曲180°后檢查，均未發現晶間腐蝕傾向。

(5)剖面檢查:低倍試樣經稀鹽酸腐蝕后未發現堆焊層有層下裂紋;

(6)彎曲試驗:橫、縱向大側彎(a=10，D=4a，α =180°)各2 件;橫、縱向小側彎(a=3，D=4a，α =180°)各2 件;彎曲180°均無裂紋。

(7)在距堆焊層表面2.5～3.0 mm范圍內取樣兩處進行化學成分分析，其耐蝕層化學成分(焊態)見表4。

TP.309L+TP.347型不銹鋼堆焊層在焊接及熱處理的條件下，在熔合線2.25Cr－1Mo－0.25V鋼母材的碳，通過焊縫邊界向奧氏體鋼焊縫擴散遷移，在母材側產生脫碳層，奧氏體堆焊層一側形成增碳層。由于過渡層埋弧焊工藝稀釋率較大，熔合線附近發生C，Cr等元素的擴散和遷移，這會形成脆性碳化鉻析出層，隨著熱處理溫度提高和保溫時間的延長，C擴散遷移層范圍變大，堆焊層脆硬組織增多，這是檢測彎曲性能時容易產生裂紋的一個誘發因素:不銹鋼堆焊層彎曲過程中過渡層相對于其他區域更容易出現裂紋現象，且裂紋源一般出現在母材與過渡層熔合線處，彎曲過程中，裂紋由過渡層向耐蝕層延伸。同時，焊后經長時間熱處理過程，加劇了鐵素體δ→σ脆性相的轉變傾向，σ相(FeCr金屬間化合物)硬而脆，分布在晶界，不僅使焊縫沖擊韌性和塑性急劇下降，還將增大晶間腐蝕傾向。因此，在一定程度上減小稀釋率對焊縫增C的影響，有利于減少堆焊層脆性相，從而提高焊縫塑韌性，避免理化試驗時堆焊層側彎裂紋產生。

表4 耐蝕層化學成分%

4 寬帶極堆焊奧氏體不銹鋼的化學成分分析

ESAB公司的90 mm規格 TP.309L+TP.347型奧氏體不銹鋼帶極焊材系典型的歐洲體系焊材:不銹鋼焊帶C含量低，一般在0.01%左右，主要合金成分Cr，Ni含量高，有很大的富?？臻g。隨著焊帶規格變寬，堆焊電流隨之增大，考慮到焊接燒損及母材稀釋等因素，這種“合金成分富?？臻g大”的特點有利于焊接操作，堆焊規范參數可調范圍大，便于堆焊焊道的成型控制。

結合奧氏體不銹鋼焊材合金元素的物化性質，可以分析焊接對其影響機理。從化學元素周期表可見C，Si，P，S，N 等元素氧化性:N ＞C及 S＞P ＞ Si。而 Cr，Mn，Mo，Nb，Ni，Cu，Ti等金屬還原性程度:Ti＞Cr＞Mn＞Fe＞Co＞Ni＞Cu及 Nb＞Mo。合金元素的沸點越低，其蒸發損失越大，過渡系數越小。合金元素對氧的親和力越大，其氧化損失越大，過渡系數越小。資料顯示:在1600℃時各種合金元素對氧親和力程度為:Ti＞Si＞V＞Mn＞Cr＞Mo＞W＞Fe＞Co＞Ni＞Cu，焊接不銹鋼時，位于Fe以后的元素幾乎無氧化損失，只有殘留損失，過渡系數大;而位于Fe以前、遠離Fe的元素對氧親和力很大，氧化損失較多［5］。

通過研究帶極堆焊原理可以發現，奧氏體不銹鋼堆焊層化學成分的變化主要受到三方面因素影響:

(1)焊帶合金元素燒損:Cr，Mn，Nb等容易被氧化的合金元素活性大，焊接過程中會燒損較多量;而Ni，Cu等不太活潑的合金元素則燒損較少。

(2)焊劑成分過渡的影響:有的焊劑主要加入脫氧劑，焊接過程中焊劑通過化學冶金反應使焊縫增Si;有的焊劑除了含脫氧劑還要加入合金劑，以此向焊縫過渡Cr，Mo和Nb等元素，起到調控焊縫合金含量與δ相鐵素體比例的作用。

(3)基體母材的稀釋作用:采用埋弧焊方法焊接過渡層時，稀釋率較大，焊縫與母材界面C，Cr等元素發生激烈擴散和遷移，影響了堆焊層合金含量。而耐蝕層采用電渣焊方法堆焊，稀釋率較小，對堆焊層合金含量影響程度較小。

除以上因素外，焊接熔渣中僅有少量的合金殘留損失，為次要因素。

綜合考慮以上因素，結合試驗數據分析，90 mm寬帶極堆焊TP.309L+TP.347型奧氏體不銹鋼過程中，由不銹鋼焊帶到耐蝕堆焊層合金成分的變化規律:

(1)C:主要受碳鋼或低合金鋼母材的稀釋作用，增加約0.01 ～0.02;

(2)Si:由于焊劑過渡的作用，增加約0.2～0.6;

(3)Mn:容易被氧化的合金元素，由此燒損較多，減少約0.4 ～0.8;

(4)Cr:活性大，焊接過程中燒損較多，在過渡層堆焊時由于稀釋率較大損失較多，減少約2.5～4.0，在耐蝕層堆焊時減少約0.8 ～1.5;

(5)Ni:活性小的合金元素，燒損較少，在過渡層堆焊時由于稀釋率較大損失較多，減少約1.5～3.0，在耐蝕層堆焊時減少約0.1 ～0.6;

(6)Mo:燒損較少，變化很小;

(7)Cu:活性小，燒損較少，變化很小;

(8)Nb:活潑的合金元素，容易被氧化，燒損較多，減少約 0.1 ～0.3。

如果不銹鋼堆焊過程中，熔敷金屬吸入了過量的氮，根據 WRC—1992圖［2］(見圖2)分析，鐵素體FN將會顯著降低。高的氮吸入量能導致一個典型的8 FN的堆焊金屬降低至0 FN，吸入0.10%的氮一般能降低約8 FN。因此，要保證焊縫中合適的鐵素體FN，必須嚴格限制堆焊金屬氮吸入量，一般要求 N≤0.05%［2］。

圖2 WRC—1992圖

5 寬帶極堆焊奧氏體不銹鋼的鐵素體FN分析

不銹鋼帶極堆焊工藝參數的選擇原則:在保證設計要求的最小堆焊層厚度及良好的外觀成型基礎上，使堆焊層的各項指標達到技術要求，重點控制堆焊層的鐵素體含量。目前，國內石化工業大型加氫反應器雙層堆焊(TP.309L+TP.347)型不銹鋼，其技術條件通常要求耐蝕層3～10 FN達標。選用WRC—1992圖進行鐵素體的測定:首先檢測不銹鋼焊縫的化學成分，然后計算出Creq和Nieq，最后根據WRC—1992圖測算出鐵素體FN。

帶極堆焊奧氏體不銹鋼過程中，影響鐵素體FN的因素主要有:預熱溫度、焊接電流、焊接速度及爬坡角度。以WEL公司TP.347L型焊材:焊帶 WEL ESS 347SJ規格:0.4 mm ×75 mm，匹配焊劑WEL ESB F－7M，在2.25Cr－1Mo鋼試板上進行帶極堆焊對比試驗以研究焊接工藝參數對鐵素體FN的影響情況，試驗數據見表5。

由表5試驗數據可知:

(1)在其他參數條件一定時，預熱溫度越高(150℃→220℃)，加劇了焊接時不銹鋼鐵素體δ→σ脆性相的轉變傾向，則鐵素體FN的表現趨勢是降低。

(2)在其他參數條件一定時，焊接電流越大(1200 A→1300 A)，對焊帶最大的作用體現在合金元素的燒損:Cr容易被氧化，是活潑的合金元素，由此燒損較多，而Ni是不太活潑的合金元素，燒損較少，變化很小，由此，一定程度減低Creq，則會導致不銹鋼堆焊層鐵素體FN的降低。

(3)在其他參數條件一定時，焊接速度越大，使得不銹鋼堆焊層厚度變薄，這會增大稀釋率，使鐵素體FN降低。稀釋率在帶極堆焊過程中主要受到焊接電流、焊接速度等因素的影響;當減小焊接電流或增大焊接速度都會增大稀釋率。

(4)爬坡焊的焊接方式也會增大稀釋率，而增大稀釋率的結果會導致鐵素體含量FN的降低:爬坡角度越大，稀釋率越大，由此不銹鋼堆焊層鐵素體FN越低。車間在進行容器筒體內壁帶極堆焊生產時，為了獲得良好的堆焊焊道成型，通常焊機機頭并不設置在筒體最低點的水平位置，而是根據容器直徑大小同時兼顧稀釋率因素采用約1°的爬坡角進行焊接。

6 結論

(1)TP.309L及TP.347系含少量 δ相鐵素體的奧氏體不銹鋼焊材，具有降低焊縫金屬裂紋敏感性、提高不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕能力的特點。ESAB公司90 mm規格寬帶極奧氏體不銹鋼焊材匹配高堿度型燒結焊劑，脫渣性好，焊接工藝性優良，焊道成型美觀;其焊帶C含量低，Cr，Ni等主要合金成分含量高，具有較大的合金富?？臻g，焊接規范可調范圍大，有利于帶極堆焊生產。

表5 WEL ESS 347SJ(0.4 mm×75 mm)+WEL ESB F－7M帶極堆焊試驗數據

(2)奧氏體不銹鋼帶極堆焊過程中化學成分的變化主要受到三方面因素影響:1)焊帶合金元素燒損的影響;2)焊劑成分過渡的影響;3)基體母材的稀釋作用影響。通過分析 TP.309L及TP.347型不銹鋼焊帶合金元素的物化性能、焊劑類型(焊劑中除脫氧劑外，是否含有合金劑)、雙層堆焊時過渡層及耐蝕層焊接稀釋率等關系，總結了從不銹鋼焊帶到耐蝕堆焊層合金成分含量的變化規律。

(3)結合試驗數據，分析了奧氏體不銹鋼帶極堆焊工藝參數對鐵素體FN的影響規律:預熱溫度、焊接電流、焊接速度及爬坡角度是鐵素體FN的主要影響因素，預熱溫度越高、焊接電流越大、焊接速度越大、爬坡焊的爬坡角度越大，均會導致不銹鋼堆焊層鐵素體FN的降低。

(4)對于含少量δ相鐵素體的奧氏體不銹鋼堆焊焊縫，受焊接及熱處理等因素影響，C，Cr等元素會擴散和遷移，在堆焊層形成碳化鉻及σ脆性相，從而降低焊縫塑韌性。因此，在一定程度上減小堆焊稀釋率對C，Cr等元素的影響，有利于減少堆焊層脆硬組織，避免堆焊層彎曲檢測時裂紋的產生。

［1］周振豐.焊接冶金學［M］.北京:機械工業出版社，1995.

［2］ASME鍋爐及壓力容器委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范Ⅱ材料－C篇 焊條、焊絲及填充金屬(2001版)［M］.北京:中國石化出版社，2002.

［3］李曉清，劉志穎，張堃.90 mm寬帶極不銹鋼雙層電渣堆焊工藝試驗研究［J］.壓力容器，2006，23(5):17－21.

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