不銹鋼帶極埋弧堆焊金屬彎曲斷裂原因分析及解決措施

張文軍 王青云 孔紅雨 亢天佑

不銹鋼帶極埋弧堆焊金屬彎曲斷裂原因分析及解決措施

張文軍 王青云 孔紅雨 亢天佑

主要針對(duì)不銹鋼帶極埋弧堆焊金屬側(cè)彎斷裂的原因進(jìn)行了分析。通過焊劑向熔敷金屬過渡Mo元素的方法有效解決了該問題。

1. 概述

在石化行業(yè)的承壓設(shè)備中，容器內(nèi)壁對(duì)腐蝕或氫蝕的抵抗能力有較高的要求。而在設(shè)備制造過程中，設(shè)備整體采用耐蝕材料制造在成本方面是無法實(shí)現(xiàn)的，因此，在設(shè)備制造過程中往往是在低成本的基材表面復(fù)合高合金含量的材料，從而達(dá)到既節(jié)約成本，又能滿足耐蝕要求的目的。

在進(jìn)行316L系不銹鋼的埋弧堆焊研究過程中發(fā)現(xiàn)，堆焊金屬在進(jìn)行了690℃×22h的焊后熱處理前后，堆焊金屬的彎曲性能發(fā)生了較大改變，熱處理后的試樣在彎曲過程中出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。本文對(duì)斷裂原因進(jìn)行了分析并提出了解決方法。

2. 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)設(shè)備 試驗(yàn)采用美國Miller公司生產(chǎn)的 HDC 1500D X型焊接電源和比利時(shí)Soudkay公司生產(chǎn)的125ES1堆焊機(jī)頭。

（2）試驗(yàn)材料 本文試驗(yàn)所用焊帶為EQ309LMo（過渡層堆焊）和E Q316L焊帶（耐蝕層堆焊），堆焊底板金屬為14Cr1MoR，焊帶、底板化學(xué)成分及規(guī)格如表1所示，堆焊過程參數(shù)如表2所示。

堆焊焊劑為自制焊劑。堆焊?jìng)?cè)彎試樣按照NB/T 47018.5—2011中的要求加工。

（3）檢測(cè)設(shè)備 本文利用彎曲試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)側(cè)彎試樣。采用光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡（SEM）及其自帶的能譜分析儀對(duì)堆焊層金屬進(jìn)行深入分析。

3. 原因分析

圖1為堆焊試板熱處理前后熔合區(qū)附近的金相組織對(duì)比，從圖1a中可看出，熱處理前堆焊層金屬與底板金屬有一明顯的熔合區(qū)，堆焊金屬側(cè)為奧氏體基體+δ-鐵素體；從圖1b可看出，堆

焊試板經(jīng)過690℃×22h的熱處理后，堆焊層金屬與底板金屬熔合區(qū)附近出現(xiàn)了明顯的析出帶，并且堆焊金屬靠近熔合區(qū)的組織基本變?yōu)榱藠W氏體，析出帶的平均寬度大約為70μm。

表 1 試驗(yàn)用底板金屬及焊帶的規(guī)格及化學(xué)成分

表2 堆焊參數(shù)

圖1 堆焊金屬熱處理前后金相組織

針對(duì)熱處理后試樣出現(xiàn)的析出帶進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)堆焊金屬與底板金屬熔合區(qū)熱處理后析出物呈細(xì)小的顆粒狀，采用掃描電鏡配備的能譜分析儀對(duì)析出相進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表3所示。由能譜分析結(jié)果可看出，除基體的Fe元素外，析出物主要組成元素為Cr，根據(jù)奧氏體不銹鋼的特點(diǎn)，判斷析出物主要為Cr的碳化物，即M23C6。

對(duì)熱處理前后堆焊層金屬進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2a中可以看出，熱處理前堆焊層金相組織為奧氏體基體及在其上連續(xù)分布的樹枝狀δ-鐵素體，而熱處理后的δ-鐵素體內(nèi)出現(xiàn)了明顯的碳化物析出。

表3 分析結(jié)果

圖2 堆焊層熱處理前后金相對(duì)比

對(duì)熱處理前后的試樣進(jìn)行顯微硬度分析，結(jié)果如圖3所示。由于碳化物屬于脆硬相，因此熔合區(qū)析出的碳化物將嚴(yán)重影響此處的塑性，在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，塑性下降的熔合區(qū)將成為裂紋的起裂源，進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)彎試樣的斷裂。另一方面，堆焊層δ-鐵素體內(nèi)析出的碳化物使得其塑性略有下降，但由于堆焊層金屬為奧氏體組織，硬度提高不大。因此，引起堆焊金屬彎曲斷裂的主要原因是經(jīng)熱處理后熔合區(qū)出現(xiàn)寬的析出帶及由此引起的熔合區(qū)硬度提高。

4. 解決措施

根據(jù)以上分析，堆焊金屬側(cè)彎試樣斷裂的主要原因是熔合區(qū)處出現(xiàn)了明顯的碳化物析出帶以及由此引起的該區(qū)域的強(qiáng)度提高，因此，延緩碳化物的析出可以有效解決側(cè)彎性能差的問題。

在滿足N B/T 4 7 0 1 8中FM316L—E堆焊金屬化學(xué)成分要求的條件下，通過焊劑向堆焊金屬過渡Mo元素，調(diào)整后的堆焊金屬側(cè)彎性能良好。對(duì)調(diào)整前后的堆焊層熔合區(qū)進(jìn)行金相觀察和顯微硬度分析，具體結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)過調(diào)整，堆焊金屬熔合區(qū)熱處理后仍有一條較為明顯的析出帶，但其寬度則顯著減小，由調(diào)整前的約70μm減小到5μm，從顯微硬度對(duì)比可知，堆焊層金屬的顯微硬度較調(diào)整前也有明顯下降，這些改善保證了堆焊金屬的側(cè)彎性能。

5. 結(jié)語

通過分析引起316L不銹鋼堆焊金屬熱處理后彎曲斷裂的原因，采取了行之有效的解決方案。通過調(diào)整焊劑配方并向堆焊金屬中過渡Mo元素，堆焊金屬與底板金屬熔合區(qū)析出物數(shù)量和析出帶寬度有了明顯降低，進(jìn)而使得整個(gè)堆焊層的顯微硬度有了明顯降低，從而解決了彎曲斷裂問題。

[1]王家淳，陳勇.超低碳奧氏體不銹鋼帶極電渣堆焊層晶間相析出機(jī)理[J].焊接，1999（12），18-21.

圖3 熔合區(qū)熱處理前后金相顯微硬度對(duì)比

圖4 調(diào)整前后堆焊金屬顯微硬度對(duì)比

張文軍等，洛陽雙瑞特種合金材料有限公司。