奧氏體不銹鋼高速帶極電渣堆焊用燒結(jié)焊劑CHF25B的研制

彭祺珉，楊 飛，陳 嬌，霍玲玲，金一標(biāo)

1.四川大西洋焊接材料股份有限公司 成都分公司，四川 成都 610512 2.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000 3.光華東山學(xué)校，四川 成都 610100

0 前言

帶極電渣堆焊（Electroslag strip welding，ESW）是一種高效、穩(wěn)定的堆焊方法，具有熔敷率高、稀釋率低和成形好等特點(diǎn)，在石油化工、鍋爐、煤化工、海上平臺(tái)等設(shè)備上已得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著國(guó)內(nèi)外焊接材料的發(fā)展，高速帶極電渣堆焊在國(guó)外得到了長(zhǎng)足發(fā)展，焊接速度已達(dá)到40 cm/min以上，且焊接工藝性能良好。在相同時(shí)間內(nèi)，高速電渣堆焊的堆敷量能提高2倍以上，熔敷效率大大提高。

高速帶極電渣堆焊對(duì)焊劑性能要求極高，而國(guó)內(nèi)配套的高速帶極電渣堆焊焊劑存在一定的缺陷，如高速焊接時(shí)容易出現(xiàn)咬邊，焊道成形差，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等，因此這類焊材主要依靠進(jìn)口，價(jià)格貴且采購(gòu)周期長(zhǎng)，在一定程度上制約著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。

為了滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)使用需求，四川大西洋焊接材料股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱大西洋）研制出一種焊接速度可達(dá)到40 cm/min的電渣帶極堆焊用燒結(jié)焊劑CHF25B，配套EQ309LMo/EQ316L焊帶進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究堆焊層的組織與性能。

1 燒結(jié)焊劑CHF25B的研制

國(guó)內(nèi)常規(guī)帶極電渣堆焊的焊接速度一般為14～22 cm/min，如果超過該速度，由于不能產(chǎn)生足夠數(shù)量帶導(dǎo)電性的熔渣，堆焊熔池會(huì)落在前進(jìn)焊帶的后面，不僅影響焊接過程的穩(wěn)定性，還容易出現(xiàn)焊道成形變差、咬邊和飛濺等現(xiàn)象。因此，高速帶極電渣堆焊急需解決的問題是在高速焊接時(shí)，能否產(chǎn)生足夠數(shù)量的帶電性的熔渣，以便熔池能跟上高速前進(jìn)的焊帶。同時(shí)必須使熔渣電導(dǎo)率到達(dá)一定程度，產(chǎn)生的電阻熱才能保證高速焊接時(shí)電渣過程的快速建立以及電渣熔池的穩(wěn)定[2]。

為了解決這些問題，就必須保持熔渣有合適的粘度、表面張力、導(dǎo)電率和線脹系數(shù)，且具有較高的堿度，使焊接過程的焊帶中合金元素的成分燒損處于較低水平。針對(duì)這種情況，大西洋設(shè)計(jì)出以CaF2和Al2O3為主，SiO2、MgO及其他氧化物為輔的CaF2-Al2O3-SiO2鋁氟堿型渣系[3-4]，使其既能保持熔渣合適的粘度、導(dǎo)電率、熔點(diǎn)及凝固溫度，又具備脫氧能力，并能有效除去硫、磷和氫，提高焊縫的純凈度[5]，按照國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的BIIW公式，其堿度為3.8～4.0。

經(jīng)過大量焊劑配方調(diào)試，確定了具有良好工藝性能和冶金性能的焊劑配方，如表1所示。

表1 焊劑CHF25B配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Formula of flux CHF25B（wt.%）

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

堆焊試板為15CrMoR鋼，厚度40 mm。試驗(yàn)所用焊帶為EQ309LMo、EQ316L，規(guī)格60 mm×0.5 mm，其化學(xué)成分分別如表2、表3所示。

表2 焊帶EQ309LMo化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical composition of welding strip EQ309LMo（wt.%）

表3 焊帶EQ316L化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of welding strip EQ316L（wt.%）

2.2 試樣制備

使用焊研威達(dá)ZD5-2000A多功能焊接電源進(jìn)行雙層堆焊，雙層堆焊形式如圖1所示。焊前須對(duì)燒結(jié)焊劑CHF25B進(jìn)行300～350℃烘焙2 h。該焊劑配合焊帶EQ309LMo進(jìn)行過渡層焊接；配合焊帶EQ316L進(jìn)行耐腐蝕層焊接。焊帶伸長(zhǎng)為30～40 mm，焊劑堆高為20～30 mm。采用直流反接，焊接電壓為24～25 V，焊接電流1 600～1 800 A，焊接速度35～40 cm/min，每層堆焊厚度3～4 mm，預(yù)熱及道間溫度≤150℃。焊后熱處理工藝參數(shù)為：從室溫升溫到350℃，然后以≤55℃/h的速度升溫至690℃后保溫32 h，最后以不大于55℃/h冷卻到350℃后取出空冷至室溫。

圖1 堆焊示意Fig.1 Schematic diagram of surfacing

2.3 檢測(cè)設(shè)備

堆焊金屬化學(xué)成分分析采用SPECTROLAB M9直讀光譜分析儀；側(cè)向彎曲試驗(yàn)采用SHT4605型30噸微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)；硬度試驗(yàn)采用HBE-3000布氏硬度儀；鐵素體檢測(cè)采用SP10A鐵素體測(cè)量?jī)x；金相組織分析采用STEMI2000C光學(xué)顯微鏡；超聲波檢測(cè)采用HSQ6數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊劑成分檢驗(yàn)

按照NB/T 47018.5-2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件第5部分：堆焊用不銹鋼焊帶和焊劑》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)研制的奧氏體不銹鋼高速帶極電渣堆焊用燒結(jié)焊劑CHF25B進(jìn)行粒度及焊劑成分檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。可以看出，CHF25B成分滿足NB/T 47018.5-2017的規(guī)定及設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

表4 焊劑CHF25B成分檢測(cè)結(jié)果Table 4 Composition test results of flux CHF25B（wt.%）

3.2 工藝性能

在焊劑CHF25B的工藝性能調(diào)試過程中，若CaF2含量過低，熔池粘度高，焊縫潤(rùn)濕性差，會(huì)出現(xiàn)咬邊及焊縫覆蓋不良等情況；若CaF2含量過高，熔渣粘度過低，熔池流動(dòng)激烈，焊道外觀不整齊。SiO2可降低熔渣的粘度，有利于焊縫成形，但含量過高，會(huì)造成焊縫波紋粗大，表面不光潔，形成明顯的中間結(jié)晶紋。Al2O3屬于高熔點(diǎn)物質(zhì)，當(dāng)Al2O3含量過高，會(huì)增加熔渣表面張力，容易造成焊縫中央凸起，形成咬邊[6]。從焊接工藝圖片（見圖2）可以看出，使用試驗(yàn)焊劑對(duì)平板試樣進(jìn)行單層單道次高速電渣堆焊時(shí)，電弧燃燒穩(wěn)定，焊接飛濺小，焊縫脫渣性良好，焊道表面平整光滑、熔合良好，無粘渣和壓坑，焊縫與母材過渡平滑。

圖2 焊接工藝圖片F(xiàn)ig.2 Welding process picture

3.3 堆焊層的無損檢測(cè)

按照NB/T47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分：超聲檢測(cè)》、NB/T47013.5-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分：滲透檢測(cè)》的規(guī)定，分別對(duì)堆焊層進(jìn)行超聲波檢測(cè)和滲透檢測(cè)，堆焊層無任何裂紋及未熔合等缺陷，檢測(cè)結(jié)果合格。

3.4 堆焊層的化學(xué)成分

從熔合線向上，對(duì)距熔合線3 mm、4 mm、6 mm的堆焊層分別進(jìn)行化學(xué)成分分析和鐵素體含量檢測(cè)，均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求且波動(dòng)范圍較小，檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 堆焊層化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 5 Chemical composition of surfacing layer（wt.%）

3.5 堆焊層金相組織

堆焊層金相組織如圖3所示，焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)組織均為奧氏體+δ鐵素體。當(dāng)δ鐵素體控制在4%～12%時(shí)，不銹鋼焊縫金屬為FA模式凝固，該模式在凝固過程中，先結(jié)晶析出δ鐵素體，隨后發(fā)生包晶-共晶反應(yīng)，凝固終了前在鐵素體凝固邊界形成部分奧氏體[7-8]。在凝固終了階段沿凝固晶粒邊界出現(xiàn)奧氏體和鐵素體的兩相混合成分，阻止了液態(tài)薄膜的浸潤(rùn)、鋪展，并使裂紋必須沿著彎曲（而不是平直且光滑）的晶粒邊界擴(kuò)展，增加裂紋擴(kuò)展的阻力，從而保證焊縫金屬具有良好的抗凝固裂紋能力[9]。

圖3 堆焊層金相組織Fig.3 Metallographic structure of surfacing layer

3.6 硬度試驗(yàn)

按照GB/T 231.1-2018《布氏硬度試驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)耐腐蝕層、過渡層、熱影響區(qū)及母材四個(gè)區(qū)域各取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行表面硬度試驗(yàn)。取點(diǎn)位置示意如圖4所示，測(cè)量結(jié)果如表6所示。試驗(yàn)結(jié)果滿足用戶對(duì)于堆焊層整體硬度≤235 HB的要求。

圖4 硬度試驗(yàn)位置示意Fig.4 Location diagram of hardness test

表6 堆焊層硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Hardness test results of surfacing layer

3.7 堆焊層的彎曲性能

按照NB/T 47018.5-2017要求，對(duì)堆焊層進(jìn)行側(cè)向彎曲試驗(yàn)，縱向和橫向各取2個(gè)試樣，彎曲直徑為D=4t=40 mm，彎曲角度為180°。在2組試樣拉伸面上的堆焊層內(nèi)和過渡層熔合線上均無任一開口缺陷，試驗(yàn)結(jié)果合格。彎曲后的試件如圖5所示。

圖5 側(cè)向彎曲試件Fig.5 Specimen of lateral bending

3.8 堆焊層的晶間腐蝕性能

按照GB/T 4334-2008《不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法E法》進(jìn)行堆焊金屬晶間腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果顯示無裂紋，無晶間腐蝕傾向，如圖6所示。文獻(xiàn)[10]指出，當(dāng)碳含量很低時(shí)（L級(jí)），碳在奧氏體中并未飽和，冷卻時(shí)不存在晶內(nèi)的碳向奧氏體晶界析出，也就不能與晶界上的鉻反應(yīng)生成Cr23C6，因此不會(huì)造成貧鉻區(qū)，不會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕；同時(shí)焊縫中存在4%～12%的δ相時(shí)，在奧氏體晶界，如果過飽和C析出，δ相中富含的Cr析出，兩者形成鉻化物，避免了晶界上出現(xiàn)貧鉻區(qū)，有效防止晶間腐蝕。由表5可知，文中研發(fā)的焊材堆焊金屬C含量和δ鐵素體含量均在合理范圍，保證了焊縫金屬具有良好的耐晶間腐蝕性能。

圖6 晶間腐蝕試樣Fig.6 Intergranular corrosion sample

4 工藝評(píng)定

研制的奧氏體不銹鋼高速帶極堆焊用燒結(jié)焊劑CHF25B，分別配合焊帶EQ309LMo和EQ316L，已在東鍋完成了工藝性能評(píng)定，產(chǎn)品工藝性能良好，堆焊金屬化學(xué)成分和各項(xiàng)性能滿足技術(shù)要求，得到了東鍋的好評(píng)。

5 結(jié)論

（1）奧氏體不銹鋼高速帶極堆焊用燒結(jié)焊劑CHF25B，渣系為CaF2-Al2O3-SiO2，堿度為3.8～4.0，焊接速度可達(dá)40 cm/min；分別配合焊帶EQ309LMo和EQ316L，進(jìn)行焊接工藝性能試驗(yàn)，工藝性能良好、電渣過程穩(wěn)定、焊接飛濺小、脫渣容易、焊道表面平整光滑、焊道間搭接處熔合良好。

（2）焊劑CHF25B配合焊帶EQ309LMo進(jìn)行過渡層焊接，配合EQ316L進(jìn)行耐腐蝕層焊接，堆焊金屬雜質(zhì)元素S、P等含量少，合金元素?zé)龘p少，化學(xué)成分及各項(xiàng)性能滿足NB/T 47018.5-2017的規(guī)定及設(shè)計(jì)技術(shù)要求，堆焊金屬組織為奧氏體+δ鐵素體，奧氏體+鐵素體的兩相混合成分保證了焊縫金屬具有良好的抗凝固裂紋的能力。