張建曉, 劉光銀, 劉世恩, 黃健康, 樊丁

(1. 蘭州理工大學, 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室,蘭州 730050;2. 蘭州蘭石重型裝備股份有限公司,蘭州 730314)

0 前言

異種鋼焊接技術廣泛應用于石油和化工生產、電站鍋爐及船舶制造中[1-4],特別是在石油化工生產中,其生產設備長期處在高溫、高壓和強腐蝕環(huán)境中運行[5]。近年來,由于原油性質日趨劣化[6],對煉油設備的腐蝕性進一步增加,對設備性能提出更高的要求。高壓加氫換熱器是煉油設備的重要組成部分,其制造過程中的異種鋼焊接一直是一大難題[7]。由于異種材料的物性參數及成分不同[8-10],從而在焊接中存在焊縫成分稀釋[11],研究發(fā)現焊接接頭過渡層中的Ni含量低于6%時便會形成馬氏體組織[12],馬氏體層脆性較高,當其厚度較大時容易在該部位形成裂紋,為了減小馬氏體厚度通常采用預邊堆焊鎳基合金和填充Ni基焊絲的方法來增加焊縫的Ni含量[13]。同時,異種鋼焊縫在凝固過程易產生成較大的殘余應力和變形等問題[14-17],也嚴重影響了焊接接頭的性質量。目前對大厚板焊接常采用的方法有電渣焊、埋弧焊、激光焊和電子束焊,激光焊和電子束焊的接頭質量好,但設備成本較高操作復雜且對工件裝配精度提出很高的要求[18],而電渣焊熱輸入高會使焊縫及熱影響區(qū)組織嚴重粗化[19],焊后須進行熱處理,從而增加了生產成本。采用埋弧焊接方法,進行多層多道的焊接工藝,能夠在較低的熱輸入條件下實現大厚板對接焊,埋弧焊接速度快、填充效率高、接頭質量好及焊后變形小,電弧不受材料磁性影響等優(yōu)點。

文中采用電弧輔助活性TIG(AA-TIG)焊打底,埋弧焊填充蓋面的方法對12Cr2Mo1R耐熱鋼和304不銹鋼進行焊接。利用SEM、夏比沖擊試驗、維氏硬度測試、拉伸測試和彎曲試驗,分析了12Cr2Mo1R耐熱鋼/304不銹鋼焊接接頭顯微組織、成分和力學性能,為12Cr2Mo1R和304大厚板焊接提供基礎。

1 試驗方法與材料

為使焊縫中奧氏體組織占比增加以提高接頭的塑性和耐腐蝕性,首先在12Cr2Mo1R鋼板一側用焊條電弧焊堆焊10 mm厚的鎳基合金過渡層。堆焊完后須要對12Cr2Mo1R鋼板進行退火處理,以消除堆焊金屬層產生的殘余應力。退火溫度為690 ℃,保溫時間為8 h,升溫速率控制在50~80 ℃/h,降溫速率控制在50~110 ℃/h。

退火完成后再進行AA-TIG焊打底,埋弧焊填充蓋面方法進行對接焊。圖1為焊接過程示意圖,圖1中兩個鎢極分別連接到不同電源,并在輔助電極側通入氧氣。氧氣在高溫下分解為O原子,O可以改變熔池表面張力,輔助電極的對熔池能繼續(xù)攪拌熔池,從而提升熔透能力[20],AA-TIG焊效率高、熔深較深且表面成形好,因此適合用做打底焊方法。采用埋弧焊用作厚板焊接具有效率高、成本低、熱輸入較低且操作簡便及焊縫質量好的優(yōu)點。焊接工藝參數見表1。

圖1 AA-TIG焊接示意圖

表1 焊接工藝參數

試驗板材為500 mm×120 mm×45 mm 12Cr2Mo1R低合金耐熱鋼和304不銹鋼板,為增加熔深的并減小填充金屬的稀釋率,采用開U形坡口形式。堆焊材料為ErNiCr-3鎳基合金焊條,埋弧焊絲規(guī)格為?2.5 mm的NiCr-3鎳基焊絲,匹配焊劑SJ608?；?、堆焊材料及焊絲的化學成分見表2。根據Schaeffler圖12Cr2Mo1R耐熱鋼與304不銹鋼焊接易生成馬氏體,鎳基合金堆焊層可以調控焊縫成分以避免生成馬氏體組織。

2 試驗結果

2.1 接頭組織及元素分布

焊后對焊縫進行滲透檢測,未發(fā)現有表面裂紋,如圖2所示。將12Cr2Mo1R耐熱鋼和304不銹鋼接頭從截面切割成規(guī)格為65 mm×45 mm×10 mm的試樣,經過砂紙打磨、拋光并腐蝕后如圖3所示,焊縫接頭熔合良好且沒有夾雜、氣孔和裂紋等缺陷。

圖2 焊接接頭截面形貌

圖3 焊接接頭截面形貌

304不銹鋼側HAZ與焊縫使用王水腐蝕液腐蝕,12Cr2Mo1R側HAZ使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕,腐蝕完成后采用光學顯微鏡對焊縫組織進行觀察。

圖4為焊縫、熔合區(qū)和母材區(qū)域的組織形貌。12Cr2Mo1R鋼供貨狀態(tài)為貝氏體組織,奧氏體化溫度在930 ℃左右,且冷卻速度超過20 ℃/s時將生成馬氏體組織[21]。在焊接熱作用下12Cr2Mo1R-HAZ的組織將由貝氏體轉變?yōu)樨愂象w和少量的馬氏體與鐵素體組織,這是由于焊后母材降溫速度快,貝氏體在這個過程中部分轉變?yōu)轳R氏體組織[22],較母材組織更加粗大。在靠近熔合線的焊縫組織呈奧氏體胞狀晶和少量的共晶鐵素體,為典型的AF凝固模式。

圖4 焊縫與HAZ微觀組織

從304不銹鋼HAZ及母材的微觀組織可以看出,二者晶粒尺寸沒有明顯的變化,但熱影響區(qū)的帶狀晶粒組織較母材數量減小且尺寸增加,這是由于在焊接熱過程中帶狀晶粒相互吞并。熱影響區(qū)中平行于軋制方向的δ鐵素體條狀組織數量增加,這是由于在熱循環(huán)作用下合金元素向晶界和相界面擴散從而使得鐵素體相生長。

焊縫中心區(qū)域組織形貌呈較細的樹枝晶,在奧氏體基體上分布著鐵素體骨架,為典型的FA凝固模式。在奧氏體基體上分布有大量的顆粒狀第二相,能對焊縫起到彌散強化作用;AA-TIG焊縫組織的樹枝晶組織且枝晶較埋弧焊顯得更粗大,這是由于AA-TIG屬于自熔焊沒有填充焊絲,焊縫中較低的Ni含量使得組織中的奧氏體含量減少鐵素體含量增加。

采用EDS對試樣各區(qū)域分別進行成分分析,如圖5為線掃描得到的Fe,Cr,Ni,C四類元素在焊接接頭不同位置的分布情況。圖5a,5b為埋弧焊和AA-TIG焊的304不銹鋼側熔合線上的成分變化曲線,Cr和C元素的含量幾乎沒有變化,Fe和Ni元素在熔合線兩側有較大的濃度梯度,埋弧焊區(qū)域的元素濃度升高速度較AA-TIG緩慢,這是由于AA-TIG焊接時溫度較低,熔合線附近液態(tài)金屬流動性差且凝固速率快,合金元素沒有充分擴散。圖5c,5d為12Cr2Mo1R不銹鋼熔合線的成分變化曲線,此時AA-TIG焊區(qū)域的元素濃度升高速度較埋弧焊緩慢,這是由于AA-TIG焊沒有填充填絲,熔化的母材對焊縫成分有較大的稀釋作用。C元素含量沒有明顯變化,表明C沒有出現擴散且沒有出現脫碳層和增碳層。

圖5 線掃描成分曲線

2.2 接頭力學性能分析

焊接接頭顯微硬度測試結果如圖6所示,底部焊縫硬度值較小,中部和頂部焊縫硬度值沒有明顯變化,這是由于打底焊縫中的組織較粗大,同時基體上沒有均勻第二相顆粒狀組織對基體起到彌散強化作用。焊縫接頭中部與底部硬度變化趨勢相似,在12Cr2Mo1RHAZ硬度數值較母材都有明顯的增長,硬度最大值達到360 HV以上,較母材升高了150 HV左右,這是由于焊接熱過程使得該區(qū)域貝氏體組織一部分轉變?yōu)轳R氏體組織,從而造成硬度升高;304不銹鋼HAZ沒有出現硬度明顯的升高現象。接頭頂部硬度與其他區(qū)域存在明顯的差異,在12Cr2Mo1R耐熱鋼HAZ硬度降低到160 HV左右,這是由于在退火熱處理過程中耐熱鋼表層組織脫碳和組織粗化所致。

圖6 焊接接頭硬度

通過拉伸試驗測得焊接接頭抗拉強度值分別為596 MPa和678 MPa。圖7為試樣拉伸曲線,兩根曲線在前部分幾乎完全相重疊,從曲線上可以看出斷裂前試樣沒有出現明顯的塑性變形階段;觀察試樣可以看出,試樣在斷裂前產生較為明顯的頸縮,且試樣2的頸縮程度較試樣1大。試樣斷裂在焊縫中心位置處,這是由于焊縫凝固過程中雜質元素富集在中心,從而降低焊縫力學性能。同時由于試樣尺寸較大,在頸縮后形成嚴重的三向應力狀態(tài),同樣也降低了塑韌性。

圖7 拉伸曲線圖

如圖8所示用掃面電鏡對斷口形貌進行觀察。圖8a,8b分別為試樣1和試樣2的斷口微觀形貌,斷口均呈韌窩狀,試樣2的韌窩較試樣1的更加均勻細小,這與拉伸試驗所得到的結果相符。

圖8 拉伸斷口形貌

為分析接頭的韌性,在-30 ℃條件下對接頭各部位進行沖擊測試。圖9為測試結果,由圖可以看出焊縫區(qū)、12Cr2Mo1R-HAZ以及304不銹鋼HAZ的沖擊吸收能量分別為132 J,124 J,241 J。

圖9 焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收能量

圖10為焊縫及HAZ的沖擊斷口形貌。圖10a為焊縫斷口形貌,為大小不均的韌窩,韌窩中能清楚觀察到有較大的第二相粒子,這與焊縫組織中存在有大量的第二相顆粒情況相符;12Cr2Mo1R-HAZ沖擊斷口形貌如圖10b所示,斷口微觀形貌由較大的韌窩構成,由于12Cr2Mo1R-HAZ由貝氏體及鐵素體組成,塑韌性相對較差,這是其沖擊韌性較低的原因;圖10c為304不銹鋼HAZ斷口形貌,斷口完全由均勻細小的韌窩組成,由此可以推測304不銹鋼側HAZ為韌性斷裂,這是由于304不銹鋼基體為奧氏體組織,具有良好的塑韌性。

圖10 焊縫及HAZ的沖擊斷口形貌

為測試接頭不同部位抗彎曲的性能,以彎心半徑為20 mm彎曲180°對接頭進行測試,結果如圖11所示。三個部位的側面和正面均為發(fā)現有裂紋,這表明接頭的彎曲性能良好。試驗焊接的12Cr2Mo1R耐熱鋼/304不銹鋼接頭成形良好,焊后進行滲透探傷,沒有發(fā)現表面裂紋;通過對熔合線附近線進行掃描檢測,其結果現實沒有出現明顯的碳遷移。通過金相觀察,接頭熔合線處沒有生成脆硬的馬氏體層,焊縫組織為奧氏體基體,基體上分布的細小第二相顆粒能有效阻礙位錯運動,從而有效提高焊縫的力學性能,耐熱鋼過熱區(qū)的貝氏體組織部分轉變?yōu)轳R氏體,從而造成該區(qū)域硬度值升高,這與顯微硬度值相一致。接頭抗拉強度達到678 MPa,且斷裂前發(fā)生較大塑性變形,斷口形貌呈韌窩狀,為典型塑性變形特征;接頭各部位彎曲測試后未出現失效等情況。接頭各項性能指標均滿足技術條件要求,表明采用預邊堆焊,AA-TIG焊打底埋弧焊填充蓋面的方案能實現12Cr2Mo1R耐熱鋼/304不銹鋼大厚板焊接。

圖11 彎曲試樣

3 結論

(1)采用AA-TIG和埋弧焊實現了12Cr2Mo1R耐熱鋼和304不銹鋼異種鋼大厚板的焊接,焊接接頭成形良好。

(2)焊縫熔合線處的Fe, Cr, Ni元素分布均勻上升和下降,未出現大幅度波動,C含量沒有明顯變化,未形成元素偏聚。

(3)接頭抗拉強度達到678 MPa,為韌性斷裂。在耐熱鋼熱影響區(qū)的平均硬度較母材升高150 HV。 12Cr2Mo1R-HAZ、焊縫和304不銹鋼HAZ沖擊吸收能量分別為124 J,132 J和241 J。