FZ316L-E堆焊金屬彎曲斷裂原因分析及解決措施

張文軍，趙斌，馬明亮，范會卿

洛陽雙瑞特種合金材料有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

在石化行業(yè)中的加氫反應(yīng)器、反應(yīng)堆壓力殼、穩(wěn)壓器及蒸發(fā)器等設(shè)備中，由于其服役環(huán)境的特殊性，通常對容器內(nèi)壁的耐蝕能力有較高的要求，而設(shè)備整體采用耐蝕材料進(jìn)行制造在成本方面是無法實(shí)現(xiàn)的，因此，采用電渣或埋弧堆焊工藝對設(shè)備內(nèi)壁進(jìn)行大面積帶極堆焊成為設(shè)備制造過程中常用的方法[1-3]。

在進(jìn)行316L系不銹鋼的電渣堆焊研究過程中發(fā)現(xiàn)，其堆焊金屬在經(jīng)過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，熱處理后的試樣在進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。本文對斷裂的原因進(jìn)行了分析并提出了解決方法。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用美國Miller公司生產(chǎn)的 HDC 1500DX型焊接電源和比利時Soudokay公司生產(chǎn)的125ES1堆焊機(jī)頭。

2.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用焊帶為EQ309LMo（過渡層堆焊）、EQ309L（過渡層堆焊）和EQ316L（耐蝕層堆焊），堆焊底板金屬為14Cr1MoR，焊帶、底板的規(guī)格及化學(xué)成分見表1，堆焊過程焊接參數(shù)見表2。堆焊焊劑為自制焊劑。

堆焊側(cè)彎試樣按照NB/T 47018.5—2017中的要求加工。

2.3 檢測設(shè)備

采用GP-TS2000W彎曲試驗(yàn)機(jī)對側(cè)彎試樣進(jìn)行檢測。采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）對堆焊層金屬進(jìn)行深入分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用EQ309LMo作為過渡層、EQ316L作為耐蝕層完成電渣堆焊，隨后對堆焊試板進(jìn)行690℃×22h的焊后熱處理，然后進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)及化學(xué)成分分析。側(cè)彎試樣經(jīng)彎曲后出現(xiàn)明顯的裂紋，堆焊層金屬的化學(xué)成分見表3。

表1 焊帶、底板的規(guī)格及化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 焊接參數(shù)

表3 堆焊層金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1為FZ316L-E堆焊試板（過渡層金屬EQ309LMo）熱處理前后金相組織，從圖1a中可以看出，焊態(tài)堆焊層金屬與基材金屬處存在著一條明顯的熔合區(qū)，堆焊金屬側(cè)的金相組織為奧氏體及在其上分布的δ-鐵素體；經(jīng)690℃×22h熱處理后，熔合區(qū)附近出現(xiàn)了明顯的析出帶（圖1b中深色區(qū)域），且堆焊金屬靠近熔合區(qū)的組織基本變?yōu)榱藠W氏體。從圖1中可以看出析出帶的平均寬度大約有50μm。

圖1 FZ316L-E堆焊試板（過渡層金屬EQ309LMo）熱處理前后金相組織

在電渣堆焊過程中，基材Cr-Mo鋼與堆焊金屬間為典型的異種鋼連接，由于兩種鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)，兩種材料間必然存在不同成分的濃度梯度。從表1和表3的成分對比可以看出，基材側(cè)的wC=0.14%，而堆焊層金屬的wC=0.024%。因此，在熱處理過程中，在驅(qū)動力的作用下，必然會產(chǎn)生C元素的遷移和擴(kuò)散，導(dǎo)致基材金屬脫碳及堆焊金屬的增碳，采用掃描電鏡對熱處理后熔合區(qū)兩側(cè)C含量進(jìn)行分析，如圖2所示。從圖2中可以看出，在熔合區(qū)附近（坐標(biāo)0點(diǎn)）存在C元素的聚集，同時，堆焊層的Cr元素也會向基材側(cè)發(fā)生遷移和擴(kuò)散，使得在C聚集區(qū)生成M23C6型碳化物，導(dǎo)致強(qiáng)度提高。

圖2 C含量分布示意

對熱處理前后堆焊層金屬進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3a中可以看出，焊態(tài)金屬的金相組織為奧氏體基體及在其上連續(xù)分布的樹枝狀的δ-鐵素體，而經(jīng)熱處理后的δ-鐵素體內(nèi)出現(xiàn)了明顯的碳化物析出，其原因是在堆焊過程中，熔化的金屬冷卻速度較快，導(dǎo)致在凝固過程中奧氏體基體中將固溶部分過飽和的C，而在堆焊金屬的熱處理過程中，這部分C將從奧氏體中析出并向晶界擴(kuò)散。由于在奧氏體晶界分布著富Cr的鐵素體，析出的C與晶界處的Cr形成M23C6型碳化物，使得堆焊層金屬強(qiáng)度升高。

為進(jìn)一步分析原因，對比熱處理前后試板強(qiáng)度差異，對熱處理前后的試樣進(jìn)行顯微硬度分析，結(jié)果如圖4所示，圖中的“0”表示距離的零點(diǎn)，測量方向?yàn)閺幕膫?cè)到堆焊層。

圖4 熱處理前后金相及顯微硬度對比

從顯微硬度分析結(jié)果可以看出，經(jīng)熱處理后，前文分析的脫碳層及增碳層的存在，熔合區(qū)析出帶0的顯微硬度出現(xiàn)了明顯變化，而堆焊層金屬雖有析出，但強(qiáng)度變化不大。原因分析如下：由于熔合區(qū)析出了大量脆硬的碳化物，因此該區(qū)強(qiáng)度會明顯增高，而脫碳區(qū)由于脫碳軟化，顯微硬度出現(xiàn)下降；堆焊層金屬中δ-鐵素體內(nèi)析出的碳化物使得其顯微硬度稍有提高，但由于其基體為奧氏體組織，因此該處金屬整體硬度提高不大。

4 解決措施

根據(jù)上述分析，堆焊金屬側(cè)彎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，解決消除碳化物析出帶是提高堆焊金屬彎曲韌性的關(guān)鍵。

由分析可知，析出帶的產(chǎn)生是由于在熱處理過程中，熔合區(qū)兩側(cè)存在濃度梯度的元素在驅(qū)動力作用下產(chǎn)生了擴(kuò)散，并在熔合區(qū)形成了M23C6型碳化物，因此，減少碳化物的形成就可相應(yīng)的減小析出帶。

由于堆焊金屬的特點(diǎn)，元素的濃度梯度不可避免的存在，導(dǎo)致在熱處理過程中擴(kuò)散的驅(qū)動力也不可避免的存在，為盡量降低濃度差，選擇在滿足成分要求的范圍內(nèi)將過渡層焊帶EQ309LMo的成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后焊帶成分見表4。另一方面，在不影響整體焊道成形及堆焊厚度的前提下，將焊接參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以提高過渡層焊接時的稀釋率。綜合調(diào)整后，堆焊金屬熔合區(qū)兩側(cè)的濃度梯度得以改善，經(jīng)690℃×22h的熱處理后，堆焊金屬的側(cè)彎試樣無裂紋產(chǎn)生。

表 4 調(diào)整后焊帶成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

對調(diào)整前后的試樣進(jìn)行金相觀察及顯微硬度分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5a與圖5b的對比可看出，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50μm減小到5μm；從圖5c的顯微硬度曲線對比可知，經(jīng)過調(diào)整，雖然熔合區(qū)仍有析出，但較調(diào)整前有明顯下降；另一方面，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。

圖5 調(diào)整前后堆焊金屬熔合區(qū)金相及顯微硬度對比

5 結(jié)束語

1）針對FZ316L-E堆焊金屬，由于堆焊層金屬與基材金屬存在C、Cr等元素的濃度梯度，熱處理過程中，元素在遷移和擴(kuò)散時會在熔合區(qū)析出碳化物，形成較寬的析出帶，使得熔合區(qū)處的強(qiáng)度升高，導(dǎo)致堆焊金屬彎曲性能下降。

2）通過調(diào)整鋼帶成分及工藝，調(diào)整后的熔合區(qū)析出帶寬度明顯降低，顯微硬度也有明顯的下降，堆焊金屬彎曲性能得到了提高。