超級(jí)雙相鋼S32750 堆焊工藝探討

高瑞博，王 丁，曹永強(qiáng)，肖 陽(yáng)，喬 偉

（西安天力金屬?gòu)?fù)合材料股份有限公司，陜西 西安 710201）

S32750為鐵素體和奧氏體組織各占50%左右的雙相不銹鋼，比一般鐵素體不銹鋼有更高的塑性和韌性；比奧氏體不銹鋼有優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕、縫隙腐和點(diǎn)蝕能力，且無(wú)室溫脆性。S32750耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN=(Cr+3.3Mo+16N)%=43%＞40%，所以稱為超級(jí)雙相鋼[1]。S32750 雙相鋼復(fù)合板由于其優(yōu)越的耐蝕性能及力學(xué)性能，廣泛的應(yīng)用于航空航天、核電、化工、原子能等眾多工程領(lǐng)域。特別是氧化反應(yīng)器作為四甲苯催化氧化法制取均酐的核心設(shè)備，因其工作環(huán)境惡優(yōu)劣，通常選用S32750 雙相鋼復(fù)合板。

S32750 焊接時(shí)，冷裂紋敏感性小，有產(chǎn)生熱裂紋傾向,由于有較高的氮含量,熱影響區(qū)的單相鐵素體化傾向較小。UNS S32750 超級(jí)雙相不銹鋼中進(jìn)一步提高了Mo 和N 的含量，加入了少量的Cu，提高了其組織的穩(wěn)定性及耐腐蝕能力。焊接時(shí)超級(jí)雙相不銹鋼冷裂紋的敏感性小，有產(chǎn)生熱裂紋的傾向，最突出的問(wèn)題是由于其合金含量較高，焊縫金屬易析出σ 相、氮化物等化合物，因析出第二相形成貧鉻層，造成焊接接頭耐腐蝕性能及塑韌性的下降[2，3]。又由于雙相不銹鋼在高溫下是100%的鐵素體組織,若線能量過(guò)小,熱影響區(qū)冷卻速度快,奧氏體來(lái)不及析出,過(guò)量的鐵素體就會(huì)在室溫下過(guò)冷保持下來(lái)。若線能量過(guò)大,冷卻速度太慢,盡管可以獲得足量的奧氏體,但也會(huì)引起熱影響區(qū)鐵素體晶粒長(zhǎng)大以及σ 相等有害金屬相的析出,造成接頭脆化。因此對(duì)于S32750 復(fù)合板制造不論是復(fù)層拼焊，還是返修中堆焊，焊接突出問(wèn)題是保證焊接接頭的耐蝕性和低溫沖擊性,所以焊接時(shí)可適當(dāng)緩冷，以獲得理想的奧氏體與鐵素體的相比例。為避免上述情況的發(fā)生,最佳的措施是控制焊接線能量和層溫度,并使用填充金屬，同時(shí)應(yīng)控制層間溫度≤150℃，焊接熱輸入控制在10～15kJ/cm 范圍內(nèi)[4]。在實(shí)際焊接中首相選用合適的焊材，其次就是合理的焊接參數(shù)和層間溫度，最后是控制冷卻速度。以保證相比例，減少中間相產(chǎn)生。S32750 板材化學(xué)成分如下表1。

表1 S32750 板材化學(xué)成分

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 焊接材料

超級(jí)雙相不銹鋼UNS S37250 的主要化學(xué)成分為Cr、Ni、Mo、N。其中Ni 和N 是促進(jìn)和穩(wěn)定奧氏體的元素，Cr 和Mo 是鐵素體形成元素，所以焊材合理的化學(xué)成分是保證超級(jí)雙相不銹鋼合理相比例的前提[5]。為了既能滿足堆焊試驗(yàn)要求，又能確保在實(shí)際復(fù)合板不結(jié)合缺陷修補(bǔ)時(shí)效率，試驗(yàn)選用焊接方法為過(guò)渡層GTAW+覆層SMAW，GTAW 過(guò)渡層選用焊材為ER309LMo 和ERNi-1， SMAW 覆層選用焊材為E2594。試板Q345R,40×300×300mm，耐蝕層為150mm×200mm，其中過(guò)渡層1.5mm～2mm,覆層6mm。所用焊材化學(xué)成分如表2 所示.

表2 焊材化學(xué)成分

1.2 焊接工藝要點(diǎn)及參數(shù)

焊前使用金屬磨頭和不銹鋼鋼絲刷清理坡口周圍25mm 范圍內(nèi)氧化皮，使用酒精擦拭去除水分、油污、雜質(zhì)，直至焊接表面露出金屬光澤。裝配時(shí)保證間隙0mm～1mm，錯(cuò)邊量≤0.5mm。為了保證相比例及第三相產(chǎn)生，應(yīng)合理控制冷卻速度，控制焊接線能量。每層焊完必須清理干凈，焊接盡量采用短弧焊，小電流，快速焊接，控制焊接線能量[6，7]。焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試板焊接的主要參數(shù)

2 結(jié)果分析及討論

2.1 外觀檢測(cè)及PT 檢測(cè)

四組焊接試板經(jīng)過(guò)目視檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫表面無(wú)咬邊、氣孔、裂紋等明顯缺陷，按照ASME sec.Ⅷ Div.1 App endix 8 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊縫進(jìn)行了100%的PT 檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示滿足Ⅰ級(jí)要求。表明現(xiàn)有的焊接工藝條件下，四組焊接試板焊縫表面質(zhì)量良好。

2.2 腐蝕試驗(yàn)及相比例

腐蝕試驗(yàn)按照ASTM A923-14 方法C 執(zhí)行，將試樣放入40±1℃(初始pH 值為1.3)、6%FeCl3 溶液中，經(jīng)過(guò)24 小時(shí)試驗(yàn)后4 組試樣平均腐蝕速率見(jiàn)表4。

表4 腐蝕速率及相比例

可以清晰的對(duì)比出不同相比例情況下，相同試驗(yàn)情況下腐蝕量大小有很大區(qū)別，特別是第一組相比例為33.8%，腐蝕速率為0.3mdd，腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ASTM A923 C 法要求的10mdd。ER309LMo 中Ni 促進(jìn)和穩(wěn)定奧氏體的形成，Cr 和Mo 保證鐵素體形成元素，使奧氏體和鐵素體含量達(dá)到平衡，防止了基層碳鋼中鐵素體含量對(duì)復(fù)層焊縫成分影響，最終保證了堆焊層焊縫的耐蝕性。

2.3 彎曲試驗(yàn)

按照QW160 試板進(jìn)行側(cè)彎，彎心直徑40mm，彎曲角度180°，彎曲后4 組試樣表面無(wú)缺陷。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)按照制定的工藝，控制相關(guān)工藝參數(shù)，即使不同焊接方法下使用兩種系列焊材，焊接接頭的力學(xué)性能是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的。

3 結(jié)論

從上述試驗(yàn)結(jié)果分析焊接中層間溫度控制在100℃～150℃比其它溫度區(qū)間堆焊的耐蝕性能高。過(guò)渡層材料選擇也對(duì)腐蝕性能有嚴(yán)重的影響，經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比焊縫中鐵素體含量33%～38%耐腐蝕性能比較優(yōu)越。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）S32750 復(fù)合板返修堆焊時(shí)選擇合適焊材及控制層間溫度，可以確保相比例，防止有害相生成，最終保證堆焊層的耐蝕性能。

（2）S32750 復(fù)合板返修堆焊過(guò)渡層應(yīng)該選用ER309LMo 系列焊材，避免選用純鎳，控制焊縫中成分，保證堆焊層力學(xué)性能和耐蝕性能。

（3）合適的焊接線能量，使接頭有足夠的γ 相，使Cr、Ni、Mo 有足夠時(shí)間擴(kuò)散，確保了鐵素體與奧氏體含量平衡，最終保證了焊接接頭的耐蝕性。