神鋼309LCb不銹鋼藥芯焊絲單層堆焊工藝試驗

王天先，邱伏禮，張 凱，劉寶劍

(青島蘭石重型機械設備有限公司，山東青島 266426)

0 引言

CO2氣體保護焊用藥芯焊絲堆焊因具有生產效率高、焊縫成形美觀、焊后熔渣薄且易去除，適應全位置焊接，可進行半自動和自動化的焊接等諸多優點，藥芯焊絲電弧焊(FCAW)不銹鋼雙層堆焊技術已在加氫設備零部件內壁堆焊中應用。目前，單層寬帶極堆焊技術已在國內外壓力容器領域得到應用[1]，也是大型壓力容器耐蝕層堆焊的發展方向，但FCAW單層堆焊技術在國內外鮮見使用。近幾年，焊材廠商均在積極研發不銹鋼FCAW單層堆焊焊材。本次試驗采用日本神鋼CO2氣體保護309LCb不銹鋼藥芯焊絲，主要控制堆焊焊道之間的搭接量，減少堆焊層由于稀釋而造成的增碳、合金元素降低及焊后熱處理所形成的增碳帶，通過含Cb元素穩定化的超低碳型不銹鋼焊材來降低碳含量，使堆焊層具有優良的抗H2S等介質的應力腐蝕性能[2]。本文按照《加氫高壓設備用單層堆焊材料工程技術條件》的要求，對FCAW單層不銹鋼堆焊進行焊接評定及試驗。

1 評定試驗及試驗條件

(1)試驗采用350 mm×240 mm×40 mm的 12Cr2Mo1R試板，其化學成分如表1所示；采用?1.6 mm日本神鋼309LCb藥芯焊絲熔敷金屬，其化學成分見表2。

表1 12Cr2Mo1R鋼板化學成分

表2 309LCb焊絲熔敷金屬化學成分

(2)試驗采用OTC半自動CO2氣體保護焊接設備，預先設置焊接工藝參數(見表3)，進行單層堆焊。試件S1，S2焊道搭接量分別為2～3 mm,0～-1 mm，其余參數均相同。堆焊前試件表面按NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行100%磁粉檢測合格。堆焊層焊道搭接量用S表示，具體搭接量如圖1所示。

表3 CO2氣體保護藥芯焊絲單層堆焊工藝參數

(a)試件S1 (b)試件S2

(3)試件焊接后分別進行最小模擬焊后熱處理[Min.PWHT(690±14) ℃×8 h]和最大模擬焊后熱處理[Max.PWHT(690±14) ℃×32 h)]，裝爐溫度≤400 ℃，升、降溫速度≤55 ℃/h，試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷。

(4)在堆焊層表面往下測定堆焊層的厚度、熔深及稀釋率。技術條件要求堆焊層厚度≥4.5 mm，有效厚度3 mm；熔深≥0.8 mm；稀釋率≥16%。

(5)焊接狀態下，從堆焊層表面開始每間隔0.5 mm、直至距表面3 mm檢測堆焊層的化學成分、鐵素體數(FN)，且化學成分及鐵素體數應滿足表4中要求。

表4 距表面3 mm處堆焊層化學成分(%)及鐵素體數FN要求

(6)試件經Max.PWHT后，進行堆焊層剪切強度、側彎、硬度、晶間腐蝕試驗及氫致剝離試驗。

2 檢測項目及結果分析

2.1 工藝性及外觀成形

單層堆焊焊材焊接工藝性較好，送絲順暢，電弧穩定性好，飛濺小，脫渣性好；堆焊層表面無粘渣、氣孔等工藝缺陷；堆焊層焊道間的搭接量如欠佳，將對堆焊層的側彎性能影響較大[3]。試件S1,S2堆焊層焊道外觀如圖2所示。可以看出，試件S1堆焊焊道之間搭接平整，表面成形美觀，焊道寬度為16～20 mm，表面不平度最大為0.8 mm；試件S2堆焊焊道之間搭接較平整，表面成形尚可，焊道寬度18～22 mm，表面不平度最大為1.1 mm。

圖2 試件堆焊層焊道外觀

2.2 無損檢測

對焊態下和經Max.PWHT的試件，分別按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》、NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》，對堆焊層表面進行100%PT檢測、結合面進行100%UT檢驗，檢測結果均合格。

2.3 堆焊層厚度及熔深檢測

采用超聲波測厚檢測堆焊層厚度，試件S1為4.6～4.9 mm，試件S2為4.2～4.6 mm；采用宏觀金相測量堆焊層厚度，試件S1為4.6～5.0 mm，試件S2為4.3～4.7 mm。堆焊層熔深平均值約為0.83 mm，見圖3。

圖3 堆焊層熔深宏觀檢測

2.4 堆焊層化學成分及鐵素體數檢測

焊態下試件S1,S2堆焊層距表面不同位置的化學成分結果見表5，并根據“WRC—1992(FN)圖”計算出堆焊層鐵素體數FN[4]；同時從堆焊層表面開始每隔0.5 mm、直至距表面3 mm處，按GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》檢測鐵素體數，每個位置測6點，結果見表6。

表5 焊態下堆焊層不同位置化學成分(%)及鐵素體數FN

表6 焊態下堆焊層不同位置磁性法鐵素體數FN測量結果

由表5,6可以看出，試件S1,S2堆焊層化學成分均滿足技術條件的要求；從堆焊層表面至距表面3 mm處，C含量呈增加趨勢，Cr,Ni含量呈降低趨勢，其他元素含量較穩定；但試件S2化學成分比試件S1變化幅度大，說明焊道搭接量少對堆焊層化學成分有一定的稀釋。因此，在堆焊過程中焊道間的搭接量控制在2～3 mm為最佳，這樣既能保證堆焊過程的穩定性，又能確保堆焊層各元素含量滿足技術要求。

眾所周知，堆焊層中各元素的含量因母材的稀釋和焊接過程中電弧的氧化燒損而低于原焊材中的各元素含量，但Ni元素屬于不銹鋼焊縫金屬中活性小的合金元素，在堆焊過程中基本不參與氧化反應，只有母材的稀釋，因此，可通過Ni元素的含量的變化計算堆焊層的稀釋率[5]。

通過表2和表5中 Ni元素含量，根據公式CO=DCb+(1-D)Cd(式中，CO為元素在堆焊層中的實際質量百分含量；D為稀釋率；Cb為元素在母材中的質量百分含量；Cd為元素在非稀釋堆焊層中的質量百分含量，此處的Cd即為原焊絲熔敷金屬中Ni元素的質量百分含量)[6]，計算從堆焊層表面開始每隔0.5 mm、直至距表面3 mm處，試件S1最大稀釋率D約為18.2%，試件S2最大稀釋率D約為22.3%，因此應控制焊道搭接量來降低堆焊層化學元素的稀釋，保證堆焊層的化學成分。

奧氏體不銹鋼的堆焊層如是單相奧氏體會產生熱裂紋，因此需在奧氏體焊縫中有一定量的鐵素體是非常必要的[7]。從表5,6中可以看出，在焊態下的堆焊層從表面往下3 mm范圍內，按“WRC-1992(FN)圖法”計算的堆焊層鐵素體數FN在6.9～9.7之間，磁性法檢測的鐵素體數FN在7.3～8.6之間，均滿足技術要求，且兩者的數據基本吻合；但從堆焊層表面往下直至距表面3 mm 處，堆焊層鐵素體數呈下降趨勢，且試件S2下降趨勢較大，表明焊道搭接量對堆焊層鐵素體數也有一定的影響。

2.5 堆焊層彎曲性能檢測

(1)試件S1,S2經Max.PWHT熱處理后，按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求，分別制備彎曲試驗各8件，其中每個試件大側彎4件(2件平行于堆焊方向，2件垂直于堆焊方向，a=10 mm,D=4a,α=180°)、小側彎4件(2件平行于堆焊方向，2件垂直于堆焊方向，a=3 mm,D=4a,α=180°)，垂直和平行于焊道的試樣均無超標缺陷。

(2)在試件經過最大熱處理后，按照GB/T 4340—2012《金屬材料 維氏硬度試驗》進行硬度檢測，測量位置如圖4所示，其堆焊層表面5點、堆焊層中間5點、熔合線5點、母材3點，每隔2 mm打1點，檢測結果如表7所示。由表7中可以看出，堆焊層硬度值均滿足技術條件要求值≤237HV10。

圖4 堆焊層硬度檢測示意

表7 堆焊層硬度檢測結果(硬度HV10/15)

(3)試件經Max.PWHT后，按照GB/T 6396—2008《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》加工剪切試樣2件，檢測堆焊層與母材結合面的剪切強度，其中試件S1為430,435 MPa，試件S2為450,465 MPa，均滿足標準剪切強度不小于210 MPa的技術要求。

2.6 金相檢測及分析

試件S1經Max.PWHT后，按照GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》及GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對試件橫截面(包括堆焊層和母材)進行宏觀金相及微觀金相組織檢測，橫向受檢面在20倍放大鏡下觀察，未發現裂紋、孔穴、夾雜、未熔合、未焊透等焊接缺陷；堆焊層結合面熔合良好，母材和熱影響區顯微組織為貝氏體，堆焊層顯微組織為奧氏體+少量鐵素體，在熔合線母材側有寬窄不一的脫碳層，而堆焊層側有深度不一的增碳區和Cr的稀釋層，在熔合區一般易出現低碳馬氏體黑帶[8-10]。圖5示出試件S1不同區域的顯微金相組織。

(a)堆焊層及母材熔合線 (b)母材

2.7 晶間腐蝕試驗

試件S1，S2經Max.PWHT后，按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的E法，制作100 mm×20 mm×3 mm的晶間腐蝕試樣2件，經腐蝕后，采用直徑為5 mm壓頭進行彎曲180°，試件S1表面無晶間腐蝕產生的裂紋，試件S2有1件出現晶間腐蝕裂紋，表明焊道搭接量過少造成堆焊層厚度減薄，使堆焊層產生增碳、Cr的稀釋增加，堆焊層晶間腐蝕傾向加大。

2.8 氫剝離試驗

加氫反應器處在高溫、高壓、臨氫介質狀態下，堆焊層和母材之間的界面在正常操作過程中積累了較多的氫，當停工快速降溫時，基體內溶解的氫來不及逸出被困在界面上，沿堆焊層向外擴散[11]，由于堆焊層和母材金屬的熱膨脹系數不同，冷卻時內壁比外壁降溫快，產生大的切向應力，在比較薄弱的部位產生剝離，稱氫剝離裂紋。兩焊道的搭接部位最易產生氫剝離裂紋，剝離裂紋大多為片狀，且基本平行于堆焊層的熔合面一側，且沿著熔合面上粗大奧氏體晶粒的晶界形成和擴展。試件S1在經Max.PWHT后，制作?73 mm×45 mm氫剝離試棒，試驗按照ASTM G146-01—2007標準進行。

(1)第1次循環：充氫壓力18 MPa，升溫速率50 ℃/h，保溫溫度為(475±2) ℃，保溫時間48 h，降溫速率為(150±5) ℃/h，氫氣純度為98.9%。

(2)第2次循環：充氫壓力18 MPa，升溫速率50 ℃/h，保溫溫度為(475±2)℃，保溫時間48 h，降溫速率為(260±5)℃/h，氫氣純度為98.9%。

(3)試驗結果：在試樣充氫前、第1次循環結束、第2次循環結束后48 h和7天后，分別按照ASTM G146-01—2007對堆焊層結合面進行超聲波檢測，均未產生剝離現象。

3 結論

(1)采用日本神鋼CO2氣體保護焊用309LCb不銹鋼藥芯焊絲進行單層堆焊，焊道搭接量在2～3 mm時，焊接工藝性良好，焊道表面成形美觀，表面不平度最大0.5 mm，單層堆焊厚度大于4.5 mm，堆焊層及結合面無損檢測未發現超標缺陷；焊道搭接量在0～-1 mm時，表面不平度最大1 mm，單層堆焊最小厚度為4.2 mm，會產生晶間腐蝕現象。

(2)焊道搭接量在2～3 mm時，堆焊層厚度大于4.5 mm，從堆焊層表面往下直至距表面3 mm 處，堆焊層化學成分、鐵素體數FN，堆焊層各項理化性能、硬度值、晶間腐蝕、顯微金相組織等，均符合技術條件要求，且氫剝離試驗合格。

(3)試驗結果表明，日本神鋼CO2氣體保護焊用309LCb不銹鋼藥芯焊絲采用單層堆焊工藝，控制合適的焊道搭接量，堆焊層各項性能均能滿足《加氫高壓設備用單層堆焊材料工程技術條件》的要求。