ASTM A266鋼堆焊奧氏體不銹鋼組織與性能

張江楠，胡 冰，任 鶴，張思宇

（1.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.沈陽鼓風機集團核電泵業有限公司，遼寧 沈陽 110869）

近年來，隨著離心壓縮機市場的發展和產品種類逐漸增加，各種耐腐蝕環境的工況逐漸增多。特別是隨著海外市場產品的增多，因出口項目選材為ASME材料，在遇到含硫化氫工況的機型時，與硫化氫接觸過流部件如筒體、端蓋、法蘭、隔板等均需要考慮防腐。設計方案一般是采用堆焊耐腐蝕層來實現防腐要求，堆焊層多選用奧氏體不銹鋼。因為奧氏體不銹鋼中鎳元素可有效防止硫化氫等腐蝕性介質引起的應力腐蝕開裂。鉻具有較強的抗氧化能力，在惡劣的腐蝕環境中具有良好的抗縫隙腐蝕和點蝕性能[1]。因此，針對出口項目機殼所選用的ASME材料的奧氏體堆焊工藝研究顯得很有必要。本項目針對日益增多的出口項目，通過幾種不同的焊接方法的堆焊工藝研究，從而實現防腐堆焊要求的零部件，實現出口產品機殼的防腐要求。

1 試驗材料與方法

試驗母材為ASTM A266 Grade2，滿足ASTM A266標準，其化學成分及力學性能見表1，按其成分分類為低合金鋼，碳當量為0.43，焊接性較好，但有裂紋傾向，焊接時要通過工藝手段加以控制。為了滿足其在使用工況中耐腐蝕的要求，選用了埋弧焊堆焊奧氏體不銹鋼304材料的方法，分兩層進行焊接，過渡層焊接材料為ER309焊絲，復層為ER308焊絲，分別滿足AWS A5.9 ER309和AWS A5.9 ER308標準，規格ф3.2mm，其化學成分見表2。焊劑均為SJ304。

表1 ASTM A266 Grade2鋼的化學成分及力學性能

2 焊接及熱處理工藝

本試驗選用的焊接試板尺寸為300X200X25mm3，采用水平位置焊接。試板焊接示意圖見圖1。焊接試板表面采用加工方式去除氧化皮，焊接前用酒精擦拭，有效清潔并去除測試板表面上的油污和其他雜物。采用埋弧焊（SAW）方法，首先焊接一層過渡層，多道焊接，壓道量小于1/3焊道寬度[2]。過渡層焊后，采用加工方式加工過渡層焊縫表面高點，保證焊縫高度在2mm～2.5mm，然后在過渡層焊縫的表面進行液體滲透劑測試（PT），并在合格后進行覆層堆焊。覆層的技術要求與過渡層的要求一致，復層堆焊后的焊縫總高度為5mm。

圖1 試板焊接示意圖

由于ASTM A266 Grade II屬于低合金鋼，焊接此類低合金鋼，預熱可以有效降低裂紋傾向，特別是焊接過渡層時，母材和焊材的成分差別很大，適當預熱可以有效避免裂紋，預熱溫度不宜過高，否則會導致奧氏體不銹鋼焊接過程中出現熱裂紋。預熱溫度為80℃。奧氏體不銹鋼浮出水面，一個較小的焊接線能量2應該選擇和應嚴格控制層間溫度。如果層間溫度太高，奧氏體顆粒變粗，將形成鐵素體和耐腐蝕性能將會降低。在焊接過程中，應當嚴格控制層間溫度低于150℃。此外，在焊接操作技術，要注意正確的路和路之間的重疊，否則，裂紋和其它缺陷很容易出現在重疊的部分。由于低導熱系數、高的線性膨脹系數不銹鋼、不銹鋼焊后的殘余應力大，這可能導致應力腐蝕開裂。為減少焊后應力對焊接質量的影響，在過渡層焊接后進行焊后應力消除熱處理。當奧氏體不銹鋼保持在（450～850）℃的溫度范圍內或緩慢冷卻時，就會發生晶間腐蝕。因此，需要降低熱處理溫度為（410～430）℃，保溫時間4h～5h。

表2 焊絲的化學成分(w%)

表3 試驗焊接工藝參數

3 試驗結果與分析

經過焊接工藝試驗后，對堆焊試板表面進行了液體滲透檢測（PT），檢測結果表明，堆焊層無缺陷。下面將從力學性能、化學成分和微觀組織三個方面進行分析。

3.1 力學性能試驗結果分析

通過彎曲試驗發現，四個側彎試樣180°側彎試驗均合格，結果表明，試驗中選擇的焊接工藝更為合適，可以滿足堆焊的使用要求。應對焊縫，接縫表面，賤金屬和其他零件進行硬度測試。測試結果見表4，硬度測試結果。其中焊縫硬度平均值為182HBW，滿足使用標準。焊縫和熱影響區的硬度略高于母材，但滿足酸性環境下低合金鋼的NACE mr0175標準要求。

表4 焊接接頭的力學性能數據

3.2 堆焊層化學成分試驗結果分析

采用光譜分析法對堆焊層化學成分進行分析，分析結果見表5。其中Cr元素含量19.49，Ni含量為10.66，均滿足標準要求。Cr能增加鋼的電極電位矩陣，然后提高鋼的抗電化學腐蝕。鉻元素添加到鋼可以形成一個穩定的、完整的和緊湊的鋼鐵表面的鈍化膜，從而提高鋼的耐腐蝕性能，是主要的耐蝕性元素。Ni是一種奧氏體形成元素，它可以穩定奧氏體，擴大奧氏體相區和降低奧氏體的形成。Ni元素還可以提高奧氏體不銹鋼的韌性，并且降低奧氏體不銹鋼的加工硬化傾向。由于母材基底是低合金鋼，其Cr、Ni含量較低，因此試驗中過渡層選擇的Cr、Ni含量較高的ER309焊材，彌補了因為母材成分帶來的影響，從而使堆焊層表面化學成分滿足使用要求。

表5 堆焊層化學成分（w%）

3.3 焊接接頭組織分析

金相試樣用馬氏試劑溶液腐蝕后，觀察焊縫和熱影響區的顯微組織。圖2（a）（b）分別為ASTM A266鋼焊縫和結合面的金相組織。由圖2（a）可以看出焊縫的組織為奧氏體，組織均勻。在奧氏體基體上分布著呈鐵素體狀的帶狀，呈枝狀。鐵氧體的形狀取決于冷卻速度，鐵素體的存在可以有效提高焊縫的抗熱裂性，有利于焊縫的力學性能。這與試驗控制焊接線能量有關，選擇小的線能量對焊縫的綜合性能均有好處。圖2（b）堆焊層結合面處組織為奧氏體+鐵素體，鐵素體呈網狀分布在奧氏體上，可以看出明顯的融合邊界，可以看出兩種材質間的冶金結合很充分。在熔合區的鐵素體方向和堆焊層焊縫處不一致，這是由于熔合區的加熱速度快，奧氏體晶界合金元素偏析，鐵素體在奧氏體晶界處形核生長，產生了位相差異。

圖2 ASTM A266鋼焊縫金相組織

4 結論

ASTM A266鋼采用埋弧焊堆焊奧氏體不銹鋼304層，堆焊層硬度平均值為180HBW，側向180°彎曲合格。采用埋弧焊方法，ER309焊絲堆焊過渡層，ER308焊絲堆焊復層的ASTM A266鋼堆焊層表面的化學成分滿足使用要求。