熱處理對347型不銹鋼帶極埋弧堆焊層性能的影響

張德金，馬 鳴，2，徐祥久，2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，哈爾濱 150046)

0 引 言

鉻-鉬鋼基體堆焊奧氏體不銹鋼在耐蝕壓力容器中應用十分廣范，對于不銹鋼堆焊容器產品，縱、環縫坡口處，接管與殼體焊接坡口處的堆焊在產品生產過程中通常是不可避免的。其中絕大部分基材設計為厚壁高等級材質，標準規定鉻-鉬鋼制壓力容器焊后需進行整體去應力退火熱處理。對于這類鉻-鉬鋼基體堆焊容器而言，熱處理有利亦有弊，即適當的熱處理有利于消除焊接殘余應力、減小應力腐蝕傾向[1]；而弊端是長時間高溫熱處理易導致不銹鋼堆焊層敏華、抗晶間耐蝕性降低等不利影響。

本文以不銹鋼帶極埋弧堆焊為研究對像，分別制定兩種對比方案來進行試驗。方案一，試板堆焊耐蝕層后按產品的熱處理工藝制度進行消應力熱處理；方案二，試板堆焊耐蝕層后在焊態下直接取樣試驗。對比分析熱處理對堆焊試板力學性能及耐蝕性能的影響。

1 試驗材料和設備

1.1 試驗材料和設備

本試驗采用SA-387Gr.11Cl.2鉻-鉬合金鋼試板做為堆焊基材，試板尺寸為50 0 mm×300 mm×60 mm，其化學成分如表1所示[2]。焊接材料選用EQ309L 60×0.5 mm 、EQ347 60×0.5 mm焊帶及對應匹配焊劑，焊帶化學成份見表1。試驗設備選用ESAB LAF 1251電源配CZ20-2×2操作機帶極埋弧堆焊。

表1 SA-387Gr.11Cl.2母材及焊帶EQ309L、EQ347化學成分(質量分數%)

1.2 試驗方法

堆焊采用帶極埋弧焊，選用兩種方案分別進行堆焊試驗，即：

方案一：堆焊完耐蝕層后按SA-387Gr.11Cl.2基材的熱處理制度消應力退火熱處理，熱處理后進行試驗；

方案二：耐蝕層堆焊后不進行消應力熱處理，即在焊態下進行試驗。

1.3 試驗過程

試板采用帶極埋弧堆焊，過渡層堆焊一層EQ309L，耐蝕層堆焊一層EQ347，方案一、二堆焊工藝詳見表2。焊后對堆焊層做無損探傷，探傷結果合格。將堆焊合格的試板分為兩塊，分別按方案一、二進行相關試驗，選用兩種方案分別進行試驗，方案一熱處理曲線如圖1所示。

表2 堆焊工藝參數

圖1 方案一焊后熱處理曲線

2 試驗結果與討論

2.1 焊態鐵素體檢測結果

對于不銹鋼類堆焊產品，通常有焊態鐵素體含量要求，且通常要求焊態鐵素體含量FN(3-10)。本文也做了焊態鐵素體含量測定(磁性法測鐵素體)，由于測量在焊態下進行，所以兩種方案選用的相同的鐵素體試樣，具體實驗結果詳見表3。

表3 鐵素體含量(FN)

2.2 彎曲性能試驗

考核堆焊層塑性及與堆材的熔合情況，彎曲試驗往往是必項目，本文按NB/T47014-2011要求取樣做全厚度彎曲性能試驗，試樣尺寸200×10×66 mm，彎曲結果完好無裂紋。

根據試驗結果，方案一、方案二試板堆焊層塑性較好，堆焊層與母材熔合良好，故判斷堆焊層性能均可以滿足產品的相關技術要求。

2.3 堆焊層化學成分分析

方案一與方案二化學分析試樣均在熱處理前>取樣，故可用同一試樣，大部分容器產品技術要求中對堆焊層表面化學成分提出了明確要求，Cr當量與Ni當量共同決定了鐵素體數FN，這就要求Cr，Ni元素含量相匹配[3]。鐵素體含量過低會導致焊后堆焊層表面產生凝固裂紋，但鐵素體含量高，會引起選擇性腐蝕熱處理后會造成σ相脆化[4]。熔敷金屬化學元素含量測定值(見表4)滿足技術要求及相關標準要求。

表4 熔敷金屬化學成分(質量分數%)

2.4 宏觀、微觀及硬度試驗

取樣做宏觀檢驗、微觀檢查并做截面的硬度(母材、過渡層、耐蝕層)檢測。宏觀檢查表明在此工藝參數下，堆焊層表面成型良好，母材、過渡層、耐蝕層之間熔合良好。微觀組織母材為貝氏體，熱影響區為貝氏體+珠光體+鐵素體，堆焊層為奧氏體+鐵素體。方案一、二硬度試驗結果詳見表5。

表5 方案一、二硬度對比

由表5可見，方案一母材和熱影響區硬度與方案二相比消應力熱處理后硬度降低，去應力退火可以使母材和熱影區產生一定的回火作用故硬度降低；而過渡層和耐蝕層硬度經熱處理后則增大，根據文獻[5]可能由于堆焊層有少量σ相析出，少量σ相(體積分數<3%)呈孤立彌散分布時，對不銹鋼堆焊層的韌性影響不大，且有一定的強化效果，故可以產生一定的硬化效果[5]。方案一熱處理后由于硬度變化不大且不滿足產品相關技術要求，由此可以得出堆焊耐蝕層后進行消應力熱處理與否都能滿足產品的使用性能。

2.5 晶間腐蝕試驗

不銹鋼堆焊層大多用與腐蝕介質相接觸，堆焊層抗蝕性能是確保產品質量的重中之重。本試驗按GB/T 4334-2020不銹鋼晶間腐蝕試驗方法(方法E)對距基材6 mm處堆焊層試樣進行晶間腐蝕試驗，試樣經腐蝕后彎曲均無晶間腐蝕裂紋產生(如圖2a、b所示)，試驗合格。試樣規格80 mm×20 mm×3 mm。

圖2 晶間腐蝕試樣

3 結束語

(1)方案一母材和熱影響區硬度與方案二相比，經過消應力熱處理后硬度呈降低趨勢，其中熱影響區由于回火作用明顯，故硬度降低明顯。

(2)耐蝕層熱處理前、后微觀組織均為奧氏體+少量鐵素體，熱處理后堆焊層硬度呈上升趨勢。

(3)堆焊層熱處理后晶間腐蝕試驗未發現晶間腐蝕裂紋，表明EQ347堆焊層經過熱處理敏化后仍能保持良好的抗晶間腐蝕能力。

由此可見，EQ347型奧氏體不銹鋼材料堆焊后，耐蝕層堆焊后是否進行消應力熱處理，堆焊試板各方面性能均能滿足產品相關技術要求及產品工藝性能要求；目前EQ347型奧氏體不銹鋼材料堆焊后進行消應力熱處理與不進行消應力熱處理產品現場運行均良好。對于需要EQ347型奧氏體不銹鋼堆焊的石化容器產品，可根據設計技術要求及產品結構形式擇優選取堆焊后是否進行焊后熱處理的工藝方案。