刁旺戰(zhàn)+馬鳴+劉海+歐海燕

摘要： 為了研究堆焊單一E309L熔敷金屬的焊接工藝和接頭性能，采用埋弧焊（SAW）在14Cr1MoR基體上堆焊一層EQ309L焊帶，焊接過程中嚴(yán)格控制焊接熱輸入和采用有效的消應(yīng)力退火熱處理制度，保證堆焊層順利通過無損檢測以及彎曲、化學(xué)、鐵素體數(shù)量、硬度試驗、金相組織分析和晶間腐蝕等理化性能檢測。結(jié)果表明，采用埋弧焊（SAW）堆焊單層EQ309L時堆焊層的塑韌性能滿足要求，晶間腐蝕試驗合格，可以用在壓力容器的表面堆焊中。

關(guān)鍵詞： 帶極埋弧堆焊；E309L；接頭性能

中圖分類號：TG455

Abstract： In order to study the welding process and mechanical properties of surfacing welding E309L， surfacing one layer EQ309L strip electrode on 14Cr1MoR base metal using the submerged arc welding（SAW）， strictly control the welding heat input and adopt effective post weld heat treatment time in the welding process. The above measures ensure that the results of nondestructive examination， bending， chemical composition tests， hardness tests， metallographic examination and intergranular corrosion test are qualified. The test results show that the plasticity and ductility of surfacing one layer EQ309L strip electrode using the SAW meet the requirements， the results of intergranular corrosion test are qualified， the welding process could be applied in the surfacing welding of pressure vessel.

Key words： band electrode submerged arc surfacing；E309L；mechanical properties

0前言

很多石化容器、核能設(shè)備等厚壁壓力容器由于在高溫、高壓的環(huán)境下運行，同時還受介質(zhì)的腐蝕作用，一般從成本等方面考慮設(shè)計要求在容器內(nèi)壁堆焊不銹鋼復(fù)層。根據(jù)腐蝕介質(zhì)的工作溫度和腐蝕特性以及抗裂因素，常見的不銹鋼復(fù)層搭配有309L/308L、309L/316L和309L/347，其中堆焊首層309L主要是為了在基體與面層之間形成高韌性的過渡層，防止表面裂紋向母材擴展，同時為了補償由于基材稀釋所引起的合金元素（Cr、Ni）降低，使復(fù)層焊縫的合金成分保持應(yīng)有的水平。而面層308L、316L和347主要是起到防止腐蝕的作用。而某石化容器產(chǎn)品的設(shè)計僅要求在14Cr1MoR的殼體內(nèi)表面堆焊厚度不小于3 mm的309L堆焊層，這種設(shè)計要求在以往的容器產(chǎn)品中十分少見。

與焊條電弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊相比，帶極埋弧焊由于其熔敷效率高、焊縫質(zhì)量好，稀釋率低，焊道表面平整光滑等優(yōu)點，可以不經(jīng)過機械加工而直接使用，且焊縫與母材結(jié)合處不易產(chǎn)生焊接缺陷和焊接質(zhì)量問題[1，2]，是壓力容器內(nèi)表面堆焊的優(yōu)化選擇。

文中采用埋弧焊在14Cr1MoR母材表面堆焊單層EQ309L不銹鋼焊帶，對焊接工藝、堆焊層彎曲性能、表面化學(xué)成分、硬度、金相組織、晶間腐蝕等接頭力學(xué)性能和理化性能展開了研究，以獲得壓力容器表面堆焊的成熟工藝。

1試驗方法

1.1試驗材料

試驗中采用的基體材料為按照GB713—2014標(biāo)準(zhǔn)采購的14Cr1MoR鋼板，尺寸為600 mm×300 mm×50 mm，供貨狀態(tài)為正火加回火熱處理狀態(tài)，其化學(xué)成分見表1。焊接材料采用表2列出的由安泰公司提供的規(guī)格為60 mm×0.5 mm，牌號為AT-D309L的焊帶及WEL公司提供的WEL-BNDF-8焊劑，焊帶的成分和性能滿足ASME SFA 5.9的規(guī)定。

1.2焊接方法及工藝參數(shù)

焊接時采用的焊接方法為埋弧焊（SAW），焊前需要對堆焊表面采用砂輪及丙酮等方法去除氧化皮、油污等污物。焊接時堆焊一層就可達(dá)到不小于3 mm的堆焊厚度要求，堆焊的示意圖如圖1所示。

試驗的焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱溫度、層間溫度如表3所示，焊接時采用較小的焊接電流及焊接速度一方面可以控制堆焊層的厚度，另一方面較小的焊接熱輸入可以減少稀釋率，降低堆焊層鐵素體含量，焊后去應(yīng)力退火熱處理時間至少考慮制造、制造返修及用戶返修共計3次的熱處理，通過計算最終制定為665 ℃×20 h。焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度：因為較低的預(yù)熱及層間溫度有利于減弱不銹鋼焊層δ→σ脆性相的轉(zhuǎn)變傾向、防止晶間腐蝕發(fā)生，同時有利于防止堆焊層金屬微裂紋的發(fā)生。焊接過程中關(guān)鍵的參數(shù)還有導(dǎo)電嘴距工件的距離為35～40 mm，壓道量為7～8 mm。

2試驗結(jié)果及分析

用肉眼觀察，堆焊層表面無裂紋、氣孔、夾渣、咬邊缺陷。根據(jù)JB/T 4730標(biāo)準(zhǔn)對堆焊層表面進(jìn)行100%PT+100%UT檢驗，檢測結(jié)果為Ⅰ級合格。對合格的焊接接頭按照NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)耐蝕層堆焊工藝評定的規(guī)則進(jìn)行力學(xué)性能、化學(xué)成分等檢測。

2.1不銹鋼堆焊層高度

焊后對堆焊高度進(jìn)行測量，堆焊的高度為3.3～4.0 mm，堆焊層的厚度滿足要求。

2.2不銹鋼堆焊層的化學(xué)成分分析

試驗中對距離母材表面3 mm堆焊層進(jìn)行化學(xué)成分測定，結(jié)果如表4所示，根據(jù)表4測試的結(jié)果，分別用式（1）、式（2）計算其相應(yīng)的Ni當(dāng)量、Cr當(dāng)量，并根據(jù)WRC-1992圖來估算堆焊層的鐵素體數(shù)量為7.2。采用磁性鐵素體儀對相同位置進(jìn)行測量，10個點的平均鐵素體數(shù)量為8.7。試驗結(jié)果表明采用WRC-1992圖計算和磁性鐵素體儀測量的鐵素體含量存在一定差別的。

一般而言，堆焊層中的鐵素體一般控制在4%～12%[3]，δ相鐵素體的有利作用一方面為可打亂單一奧氏體柱狀晶的方向性，避免形成連續(xù)的貧Cr層；另一方面δ相鐵素體富Cr，有良好的供Cr條件，可以減少γ晶粒形成貧Cr層。由此減少了晶間碳化物沉淀的可能性，提高不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕的能力。同時奧氏體不銹鋼焊縫少量的δ相鐵素體的存在對于降低焊縫金屬中裂紋和微裂紋是有好處的，會降低焊縫金屬的裂紋敏感性，同時提高焊縫的強度[4]。但在低溫退火或長時間高溫條件下，δ鐵素體容易轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁啵c堆焊層中出現(xiàn)的馬氏體組織都是脆化相，會降低堆焊層的沖擊韌性及其抗腐蝕能力。單層堆焊EQ309L時鐵素體數(shù)量采用WRC-1992圖計算和磁性鐵素體儀測量的鐵素體含量存在一定差別的，但數(shù)值都低于12，鐵素體含量處在合理的范圍內(nèi)。

2.3不銹鋼堆焊層的彎曲試驗

按照NB/T47014-2011標(biāo)準(zhǔn)沿垂直于堆焊方向切取4個試樣做橫向側(cè)彎試驗，彎曲條件為：d=40 mm，180°，彎曲結(jié)果完好，在4個試樣拉伸面上的基層、堆焊層及熔合線上均未發(fā)現(xiàn)缺陷，彎曲后的試樣如圖2所示，試驗結(jié)果表明采用小的焊接熱輸入且熱處理保溫時間短的焊接工藝能夠保證堆焊接頭具有良好的塑韌性。

由于單層埋弧焊堆焊時稀釋率較大，熔合線附近發(fā)生C，Cr等元素的擴散和遷移，這會形成脆性碳化鉻析出層，隨著焊后去應(yīng)力退火熱處理溫度的提高和保溫時間的延長，C擴散遷移層范圍變大，堆焊層脆硬組織增多，這是彎曲試驗時容易產(chǎn)生裂紋的一個誘發(fā)因素。同時焊后經(jīng)長時間熱處理過程，加劇了鐵素體δ→σ脆性相的轉(zhuǎn)變傾向，σ相（FeCr金屬間化合物）硬而脆，分布在晶界，不僅使焊縫沖擊韌性和塑性急劇下降，還將增大晶間腐蝕傾向。因此在一定程度上減小稀釋率對焊縫增C的影響，有利于減少堆焊層脆性相，從而提高焊縫塑韌性，避免理化試驗時堆焊層側(cè)彎裂紋產(chǎn)生。

2.4不銹鋼堆焊層的硬度試驗

焊接接頭的硬度檢測結(jié)果如圖3所示，由曲線圖可知，熱影響區(qū)由于受焊接熱源的影響晶粒度長大，硬度要大于母材的硬度，焊縫由于其組織為奧氏體，硬度處在170～180HV10之間，另外母材、熱影響區(qū)及堆焊的硬度都不大于225HV10，硬度處于合理的范圍內(nèi)，可以保證堆焊層具有良好的韌性。

2.5不銹鋼堆焊層的金相試驗

采用光學(xué)顯微鏡對母材、熱影響區(qū)和堆焊層的微觀組織進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，如圖4～圖6所示，由圖可見母材組織為貝氏體，熱影響區(qū)組織也為貝氏體，但由于受焊接熱源的影響，熱影響區(qū)的晶粒存在長大的現(xiàn)象，在堆焊層與母材的交界處（即熔合區(qū)）靠母材一側(cè)有深度不一的脫碳層，而靠堆焊層一側(cè)則有增碳區(qū)和鉻的稀釋帶。焊縫組織形態(tài)為枝狀晶組織，金相組織為γ奧氏體+δ鐵素體，其中黑色為δ鐵素體相，沿柱狀晶方向生長，灰白色為γ奧氏體基體，δ鐵素體為骨架狀和板條狀。

2.6不銹鋼堆焊層的晶間腐蝕試驗

按照GB/T4334.5—2000《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》要求進(jìn)行晶間腐蝕試驗，所取試樣規(guī)格為：80 mm×20 mm×3 mm，其中有一塊為不經(jīng)過敏化處理的對比樣，其它兩塊為經(jīng)過敏化處理（650 ℃/2 h）的試樣。試驗結(jié)果如圖7所示，試驗結(jié)果無晶間腐蝕裂紋，試驗合格。

3結(jié) 論

（1）通過焊接過程中嚴(yán)格控制焊接熱輸入和焊后制定有效的消應(yīng)力退火熱處理制度，采用埋弧焊（SAW）在14Cr1MoR基體上堆焊單層EQ309L不銹鋼材料的方案是可行的，可以獲得塑韌性合格的堆焊層。

（2）堆焊單層EQ309L不銹鋼材料時，堆焊層的鐵素體含量處在合理的范圍內(nèi)，晶間腐蝕試驗合格，試驗結(jié)果表明此種堆焊工藝可以應(yīng)用在壓力容器的表面堆焊中。

參考文獻(xiàn)

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[3]張文鉞，周振豐.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987：166-174.

[4]Brooks J A， Thompson A W， Williams J C.A fundamental study of the beneficial effects of delta ferrite in reducing weld cracking[J]. Welding Journal， 1984，63（3）：71-83.