焊接工藝對(duì)不銹鋼堆焊層性能的影響

潘秀娟,杜金濤

（蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅蘭州730314）

焊接工藝對(duì)不銹鋼堆焊層性能的影響

潘秀娟,杜金濤

（蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅蘭州730314）

臨氫設(shè)備內(nèi)壁一般要求雙層堆焊E309L+E347L奧氏體不銹鋼，其技術(shù)條件對(duì)堆焊層厚度、硬度、鐵素體數(shù)等有較高要求，焊接工藝參數(shù)對(duì)堆焊層性能尤其是表層鐵素體數(shù)有很大影響。采用焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊堆焊，研究不同工藝參數(shù)對(duì)堆焊層性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)焊接熱輸入及層溫過高時(shí)，堆焊層硬度偏高、表層鐵素體數(shù)減少，因此在實(shí)際堆焊生產(chǎn)中必須嚴(yán)格執(zhí)行堆焊工藝。

臨氫設(shè)備；堆焊層；鐵素體

0前言

石油化工行業(yè)中的加氫反應(yīng)器等厚壁壓力容器內(nèi)表面均需大面積堆焊耐腐蝕的不銹鋼襯里，目前通常采用E309L+E347L雙層奧氏體不銹鋼堆焊。E309L作為母材與E347L堆焊金屬間的過渡層堆焊材料，主要是為了提高堆焊層與母材之間的塑韌性，防止熔合區(qū)附近產(chǎn)生過多的馬氏體，以及焊后熱處理過程中由于碳遷移產(chǎn)生的增碳現(xiàn)象。眾所周知，表層鐵素體數(shù)FN要求控制在3～10，因?yàn)橐欢康蔫F素體有助于減少堆焊層熱裂紋，這是因?yàn)殍F素體對(duì)熱裂紋致裂元素的溶解能力好，反之奧氏體的溶解能力很差。若鐵素體含量低，會(huì)導(dǎo)致這些熱裂紋致裂元素發(fā)揮作用產(chǎn)生熱裂紋，并且鐵素體膨脹系數(shù)小于奧氏體，在較高溫度下奧氏體鋼焊縫金屬內(nèi)塑性變形大于鐵素體鋼焊縫金屬，導(dǎo)致其熱裂紋傾向較大，另外鐵素體會(huì)隔斷奧氏體晶界，使低熔點(diǎn)液相薄膜即使形成也只能斷續(xù)分布，不易形成熱裂紋。FN＜10是由于堆焊層要進(jìn)行消除應(yīng)力退火熱處理，當(dāng)熱處理溫度低于600℃時(shí)，堆焊層中的鐵素體含量并沒有變化，但經(jīng)過600℃以上退火后，其部分鐵素體就會(huì)轉(zhuǎn)變成σ脆化相，且隨著溫度升高和加熱時(shí)間的加長，σ相的析出量也增加[1]。本研究采用焊條電弧堆焊、CO2氣體保護(hù)堆焊探究焊接工藝對(duì)堆焊層性能的影響規(guī)律。

1焊接工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)中制備焊條電弧焊及CO2氣體保護(hù)焊試板各一對(duì)，試板規(guī)格300 mm×120 mm×30 mm，試板材質(zhì)為Q345R，過渡層焊條E309L（φ4.0），表層E347L

（φ4.0），過渡層藥芯焊絲ER309L（φ1.6），表層ER347L（φ1.6）。容器內(nèi)壁雙層堆焊技術(shù)條件一般要求總厚度為3+3.5 mm，其中表層有效厚度不小于3 mm。本次試驗(yàn)中焊條電弧焊要求在試板上堆焊三層，其中過渡層堆焊一遍，表層堆焊兩遍；CO2氣體保護(hù)焊要求在試板上堆焊兩遍，過渡層堆焊一遍，表層堆焊一遍。焊條電弧焊（SMAW）及CO2氣體保護(hù)焊（FCAW）第一組（A）采用小熱輸入量，嚴(yán)格控制層溫，第二組（B）采用大熱輸入量，不控制層溫。兩種焊接方法對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)見表1，A組試板焊接時(shí)層間溫度控制在15℃～150℃，層溫控制采用水冷的方式。

表1 堆焊工藝參數(shù)

2試驗(yàn)結(jié)果及分析[1-3]

焊后對(duì)試板進(jìn)行無損檢測，按JB/T4730.5-2005進(jìn)行100％PT檢測，按JB/T4730.4-2005進(jìn)行100％ UT檢測，結(jié)果均為合格。

2.1試樣宏觀斷面及堆焊厚度

焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊堆焊試樣宏觀斷面如圖1、圖2所示。

圖1 SMAW宏觀斷面

圖2 FCAW宏觀

本試驗(yàn)用超探方法測定堆焊層厚度（技術(shù)條件一般要求堆焊層厚度3 mm+3.5 mm），測定方法是在每塊試板表面不同部位測6個(gè)點(diǎn)，堆焊層厚度如表2所示。

表2 堆焊層厚度

由圖1、圖2可知，當(dāng)焊接熱輸入量大時(shí)，尤其是焊接電流較大時(shí)，堆焊層熔深增加，并且產(chǎn)生咬肉的幾率較大，不銹鋼堆焊層焊縫表面發(fā)藍(lán)比較嚴(yán)重。測量得到的堆焊層厚度均能滿足技術(shù)要求的6.5 mm，說明本次試驗(yàn)所定的焊接速度及堆焊層數(shù)滿足要求。

2.2堆焊層化學(xué)成分

堆焊層化學(xué)成分的取樣步驟為：先從表面刨去2.5 mm，然后距表面2.5～3 mm取樣，所測化學(xué)成分如表3所示。

表3 堆焊層化學(xué)成分％

光譜分析儀測量得到的基本五元素（C、Si、Mn、P、S）都在合格指標(biāo)范圍內(nèi)，表中不再列出。由表2可知：焊條電弧焊A組化學(xué)成分均在合格范圍內(nèi)[合格指標(biāo)w（Cr）=18.0％～21.0％，w（Ni）=9.0％～11.0％]，焊條電弧焊B組中Cr、Ni元素含量偏低，CO2氣體保護(hù)焊A組中Cr、Ni元素略微偏低，而B組中Cr、Ni元素明顯低于規(guī)定值。其原因是B組的焊接熱輸入量明顯大于A組的熱輸入量，大熱輸入量造成焊接過程中熔池溫度大幅度提升，燒損Cr、Ni元素，同時(shí)大熱輸入使熔合比較大導(dǎo)致熔化母材在焊縫中所占比例相應(yīng)增大。

2.3硬度分析

在堆焊試件的斷面測量過渡層、表層及母材的顯微硬度（HV），取點(diǎn)位置如圖3所示，測量數(shù)值如表4所示。

表4中焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊A組過渡層、表層的硬度值都在合格指標(biāo)范圍內(nèi)（合格

指標(biāo)≤248 HV10），B組中表層硬度都合格，而過渡層的硬度遠(yuǎn)超過技術(shù)條件的規(guī)定值。主要原因是焊接電流過大，層間溫度過高增大了母材對(duì)堆焊層的稀釋作用，這樣會(huì)降低不銹鋼焊縫中鉻、鎳合金元素含量，增加不銹鋼焊縫的含碳量，從而導(dǎo)致過渡層硬度過大。

圖3 硬度測量簡圖

表4 硬度測量值HV

2.4鐵素體數(shù)

鐵素體的測量有兩種方法：

（1）在焊態(tài)下分析堆焊層的化學(xué)成分后，按照WRC的“不銹鋼焊縫金屬WRC-1992（FN）圖”（見圖4）進(jìn)行堆焊層鐵素體數(shù)的測算，其值FN應(yīng)為3～8。

圖4 WRC-1992（FN）圖

其中Creq=Cr+Mo+0.7Nb，Nieq=Ni+35C+20N+ 0.25Cu，用該方法測算的鐵素體數(shù)見表5。

（2）在焊態(tài)下，參照ANSI/AWS A4.2《測定奧氏體和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼焊縫金屬中鐵素體含量和磁性測定儀器的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)方法》中采用鐵素體儀進(jìn)行測量，得到的鐵素體數(shù)如表6所示。

由表5、表6可知，焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊A組鐵素體數(shù)都能滿足要求，B組中鐵素體數(shù)都在3以下。兩種方法測得的鐵素體含量有一定差別，但其變化規(guī)律一致，從上述兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，大熱輸入量、高層溫堆焊的熔敷金屬中鐵素體含量明顯低于正常焊接規(guī)范時(shí)的鐵素體含量。原因是焊接電流、焊接電壓、層間溫度對(duì)鐵素體含量有很大影響，當(dāng)焊接電流過大，其Cr當(dāng)量降低，而Ni燒損較少，會(huì)造成鐵素體含量偏低；當(dāng)電弧過長或焊絲干伸長度過長會(huì)使空氣中的N浸入熔池，導(dǎo)致焊縫金屬氮含量較高，也會(huì)升高Ni當(dāng)量，造成鐵素體含量偏低；層溫控制采用水冷的方式可以縮短高溫試板與空氣的接觸時(shí)間，明顯降低氮含量，水冷降低熔池溫度也會(huì)影響合金元素的燒損[2]。

表5 鐵素體測算數(shù)

表6 鐵素體測量數(shù)

3結(jié)論

采用焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊兩種焊接方法，對(duì)其采用不同熱輸入量及層間溫度進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊兩種焊接方法對(duì)應(yīng)的熱輸入量和層間溫度過高時(shí)，堆焊層性能都將不能滿足要求，堆焊層主要元素含量偏低、硬度過高及鐵素體數(shù)急劇下降。

（2）兩種焊接方法采用較小熱輸入量，嚴(yán)格控制層間溫度時(shí)，堆焊層性能基本都能滿足技術(shù)要求，堆焊過程中層間溫度控制在15℃～150℃。

[1]魏學(xué)安.不同堆焊工藝不銹鋼堆焊層氫剝離性能的評(píng)價(jià)[J].壓力容器，1996（4）：26-29.

[2]王士山，邊境，徐維英，等.焊接參數(shù)對(duì)不銹鋼手弧焊接鐵素體含量的影響[J].金屬加工，2008（6）：54-56.

Effect of welding process on the properties of stainless steel overlaying

PAN Xiujuan，DU Jintao
（Lanzhou Lanshi Heavy Equipment Corpration Ltd.，Lanzhou 730314，China）

The equipment under hydrogen always overlay E309L+E347L austenitic stainless steel，there is a great demand for the overlaying thickness，hardness and the number of ferrite，large number of literature indicates that the welding parameters have a great influence on the properties of the surface overlaying.In this paper，by using the method of arc welding and CO2gas shielded arc welding，explore the influence rule of welding method and different process parameters on surface overlaying.The results show that the hardness of the surface overlaying is high and the number of the surface ferrite is decreased when the heat input and the layer temperature are high，so the welding process must be strictly implemented in the actual welding process.

hydrogen equipment；surface overlaying；ferrite

TG457.1

B

1001-2303（2016）11-0092-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.19

獻(xiàn)

潘秀娟，杜金濤.焊接工藝對(duì)不銹鋼堆焊層性能的影響[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：92-94.

2015-12-28；

2016-06-20

潘秀娟（1989—），女，甘肅蘭州人，學(xué)士，主要從事壓力容器制造、焊接及熱處理方面的工作。