焊接電流對高速電渣單層堆焊的成分及性能的影響

楚成剛，范陽陽，龍柄宏

摘要：采用高速電渣堆焊焊材進(jìn)行1 200 A、1 500 A、1 800 A梯度電流條件下的單層堆焊試驗(yàn)，研究了電流對堆焊層化學(xué)成分、鐵素體數(shù)FN的影響規(guī)律，并分析堆焊層微觀組織。國產(chǎn)單層電渣堆焊焊材在不同電流下具有良好的焊接工藝性，焊后自動脫渣，堆焊層具有良好的平整度及直線度。理化性能結(jié)果顯示，不同電流水平下的化學(xué)成分、鐵素體、硬度、側(cè)彎、晶間腐蝕、氫剝離結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求。在堆焊厚度相同的條件下，隨著焊接電流增大及焊接速度加快，熔深及稀釋率增大，堆焊層主要合金元素中Cr、Ni含量下降，鐵素體含量降低，工程應(yīng)用中可通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)控制堆焊層的鐵素體含量。金相分析結(jié)果顯示，堆焊層組織均為奧氏體+少量δ鐵素體，在熱處理后熔合線上出現(xiàn)了10～20 μm的黑色碳化帶，主要是由超低碳不銹鋼堆焊層與中碳母材之間較大的碳含量差異引起。

關(guān)鍵詞：高速電渣堆焊;單層;稀釋率; 鐵素體;焊接材料

中圖分類號：TG448? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）09-0055-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.11

0? ? 前言

目前，在大型石化容器制造領(lǐng)域的臨氫設(shè)備容器內(nèi)壁不銹鋼帶極堆焊，國內(nèi)基本上采用成熟的雙層堆焊工藝，但該工藝堆焊周期長，堆焊成本較高。單層電渣堆焊能夠在提高堆焊速度的同時(shí)，僅堆焊一層即可達(dá)到要求的耐蝕層成分，降低堆焊層的總厚度，減少熔敷金屬的堆積量，大幅提高熔敷效率。但單層堆焊技術(shù)對堆焊工藝和堆焊材料的要求非常高，堆焊質(zhì)量不易控制[1-3]。

通過開發(fā)新型堆焊材料和堆焊工藝，國外如日本制鋼所、神戶制鋼高砂工廠、印度L&T等公司已經(jīng)成功將單層帶極堆焊技術(shù)應(yīng)用于加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊，且在2004年單層堆焊已經(jīng)占到超過50%的比例[4]。我國自20 世紀(jì)90 年代起，蘭石重裝、撫順機(jī)械廠、一重等大型企業(yè)開始單層帶極電渣堆焊技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過20多年的發(fā)展，國產(chǎn)單層堆焊材料在加氫反應(yīng)器上也取得了應(yīng)用[5-6]。

單層帶極電渣堆焊技術(shù)堆焊層的化學(xué)成分和鐵素體含量控制難度較大，尤其是高速堆焊，還要考慮成形及性能要求，開展單層高速堆焊工藝技術(shù)研究對于產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用單層堆焊獲得347耐蝕層成分，堆焊層厚度按制造技術(shù)條件要求控制在4.5～5.0 mm;焊接材料為高速電渣單層堆焊焊帶+焊劑組合，其中焊帶型號為XY-Q309LNb，規(guī)格60 mm×0.5 mm，焊劑型號為XY-AF513，規(guī)格10～80目?；脑嚢宀捎?2Cr2Mo1R，試板規(guī)格400 mm×300 mm×50 mm。焊帶化學(xué)成分如表1所示。

1.2 焊接及熱處理參數(shù)

采用的焊接電源為兩臺并聯(lián)的ESAB 1251埋弧焊電源，最大電流負(fù)載能力為2 500 A。為了評估不同焊接電流對單層堆焊的成分及耐蝕層影響，設(shè)置1 200 A、1 500 A、1 800 A共3個(gè)梯度的試驗(yàn)電流。焊接速度隨著電流增加適當(dāng)增大，以獲得相同的堆焊層厚度，使用的焊接參數(shù)如表2所示。焊后按（250～300）℃×2 h進(jìn)行后熱，熱處理按照Min.PWHT （690±14） ℃×8 h和Max.PWHT （690±14）℃×32 h進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊道成形

每種參數(shù)堆焊一塊試板，3種參數(shù)下的堆焊過程都較為穩(wěn)定，飛濺小，焊后渣殼整體翹起脫落，堆焊直線度好，工藝性特征歸納至表3。

堆焊過程中未出現(xiàn)咬邊、氣孔、夾渣等工藝缺陷，焊接電流1 200 A、1 500 A、1 800 A試驗(yàn)電流時(shí)焊縫成形如圖1所示。

2.2 無損檢測

堆焊完成后，分別按照NB/T 47013.3-2017和NB/T 47013.5-2015對堆焊層進(jìn)行焊態(tài)下結(jié)合面及堆焊層的100%UT+100%PT無損檢測，3種參數(shù)下的堆焊層檢測結(jié)果均為Ⅰ級合格。

2.3 堆焊層厚度、熔深及稀釋率

對3種參數(shù)焊態(tài)下的截面進(jìn)行分析，通過圖像軟件測量堆焊層厚度、熔深和熔化面積，并計(jì)算稀釋率，測量方式如圖2所示，測量結(jié)果如表4所示。可以看到，在堆焊層厚度一致的情況下，隨著焊接電流的增大，焊縫的熔深增加，稀釋率逐漸增大。

2.4 化學(xué)成分

按照制造技術(shù)條件要求，在焊態(tài)堆焊層表面以下3 mm處取試樣測試化學(xué)成分，數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可知，3種參數(shù)下獲得的堆焊層的化學(xué)成分均滿足技術(shù)條件要求。隨著電流的增大，堆焊層主要合金元素Cr、Ni含量逐漸降低，其他合金元素變化較小。熔敷金屬中S、P含量均控制在較低水平，有效保證了電渣堆焊過程中大電流焊接過程的抗裂性。

2.5 鐵素體含量測定

采用ANSI/AWS A4.2 《測定奧氏體——鐵素體雙相不銹鋼焊縫金屬中δ鐵素體含量和磁性測定儀器的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)方法》中規(guī)定的方法對鐵素體測量儀進(jìn)行標(biāo)定，然后在經(jīng)過打磨的焊態(tài)堆焊層表面上測量鐵素體;要求至少測量6點(diǎn)，技術(shù)要求值FN為3～8。同時(shí)，根據(jù)表5中化學(xué)成分，利用WRC-1992圖（見圖3）計(jì)算得到鐵素體，結(jié)果見表6。

可以看到，3種參數(shù)下堆焊層鐵素體數(shù)的計(jì)算值和實(shí)測值有良好的一致性，均滿足技術(shù)條件要求。隨著電流的逐漸增加，計(jì)算值和實(shí)測值逐漸減小。

2.6 彎曲試驗(yàn)

對單層堆焊試板沿平行于堆焊方向和垂直于堆焊方向各取4件大側(cè)彎試樣和4件小側(cè)彎試樣，進(jìn)行Max.PWHT態(tài)側(cè)彎試驗(yàn)。按照GB/T 232要求進(jìn)行試驗(yàn)，3種參數(shù)下的側(cè)彎結(jié)果全部合格，如圖4所示。

2.7 晶間腐蝕試驗(yàn)

對單層堆焊試板進(jìn)行Max.PWHT態(tài)晶間腐蝕試驗(yàn)，每種參數(shù)取2塊試樣，試樣尺寸為3 mm×20 mm

×80 mm，試樣拉伸面為堆焊層上表面。由于Max.PWHT是產(chǎn)品制造的最大模擬狀態(tài)，其熱處理保溫時(shí)間為32 h，是Min.PWHT保溫時(shí)間的4倍，該條件下做晶間腐蝕最苛刻。在壓力容器且內(nèi)壁不銹鋼堆焊技術(shù)條件中，只對Max.PWHT狀態(tài)的晶間腐蝕進(jìn)行考核，因此試驗(yàn)條件限定為Max.PWHT狀態(tài)。試驗(yàn)方法按ASTM A262 E法規(guī)定執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕引起的裂紋或開裂傾向，3種參數(shù)均合格。

2.8 硬度試驗(yàn)

對堆焊層進(jìn)行了Min.PWHT態(tài)和Max.PWHT態(tài)下硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7可知，相同熱處理狀態(tài)下，電流對熱影響區(qū)和堆焊層的硬度影響較小。3種參數(shù)下堆焊層和熱影響區(qū)的硬度值均滿足技術(shù)條件HV10≤235的要求。同樣參數(shù)下與Min.PWHT態(tài)硬度相比，Max.PWHT之后熱影響區(qū)硬度略有降低，堆焊層硬度基本保持不變。

2.9 氫剝離試驗(yàn)

從堆焊試板截取并制備三種參數(shù)下Max.PWHT態(tài)氫剝離試樣，試樣尺寸和試驗(yàn)程序符合ASTM G146-01（2013）標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)共經(jīng)歷2個(gè)循環(huán)，具體參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）第1個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)溫度為454 ℃，試驗(yàn)充氫壓力20 MPa，保溫時(shí)間48 h，升溫速率50 ℃/h，降溫速率按照250 ℃/h的速度進(jìn)行。

（2）第2個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)溫度為454 ℃，試驗(yàn)充氫壓力20 MPa，保溫時(shí)間48 h，升溫速率50 ℃/h，降溫速率按照300 ℃/h的速度進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣在充氫前、第1個(gè)循環(huán)和第2個(gè)循環(huán)出爐后、48 h和7天后分別檢測試樣均未發(fā)現(xiàn)剝離缺陷，3種參數(shù)下氫剝離試驗(yàn)結(jié)果合格。

2.10 金相組織

截取焊態(tài)、Min.PWHT態(tài)和Max.PWHT態(tài)熔合區(qū)試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕制取金相試樣，在金相顯微鏡下觀察熔合區(qū)、不銹鋼堆焊層的組織，3種電流條件下整體特征一致。其中1 800 A參數(shù)下金相組織如圖5所示，可以看出堆焊層均為奧氏體+少量δ-鐵素體組織。經(jīng)過焊后熱處理，在焊道熔合線附近出現(xiàn)了寬度均為10～20 μm的黑色碳化帶，使熔合線附近的基材出現(xiàn)了貧碳層，熔合線附近的堆焊層中出現(xiàn)了增碳層。

3 分析與討論

從系列試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著焊接電流的增大，堆焊層主要合金元素Cr、Ni含量逐漸降低，計(jì)算鐵素體數(shù)FN和實(shí)測鐵素體數(shù)逐漸減小，3種參數(shù)下的堆焊層化學(xué)成分、鐵素體數(shù)、彎曲試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、金相試驗(yàn)、氫剝離等結(jié)果均符合技術(shù)要求。

堆焊時(shí)基體金屬（母材）熔入焊縫后會使其合金元素比例發(fā)生變化，堆焊層中的有效合金元素含量相對降低，通常用稀釋率表示[7]。隨著堆焊電流增加，稀釋率增大，堆焊層中Cr、Ni含量逐漸減少，與表4的稀釋率統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。Cr元素的降低幅度更明顯，對應(yīng)至WRC-1992圖中的Cr當(dāng)量及Ni當(dāng)量變化中，Creq的降幅大于Nieq的降幅，因此，鐵素體數(shù)量也相應(yīng)降低。在運(yùn)用單層電渣堆焊技術(shù)時(shí)，通過調(diào)節(jié)焊接電流及焊接速度，控制堆焊層成分中Cr和Ni的含量，可以對鐵素體數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)控，以滿足不同設(shè)計(jì)條件中對鐵素體數(shù)的嚴(yán)格要求。

堆焊過程中，C從含量較高的低合金母材（一般為0.12%～0.18%）向超低碳的不銹鋼焊縫中遷移，結(jié)果在低合金一側(cè)的母材上形成脫碳層，在不銹鋼一側(cè)上形成增碳層，稱為C遷移現(xiàn)象[8-9]。Cr-Mo鋼堆焊奧氏體不銹鋼的C遷移不是發(fā)生在焊接過程中，而是發(fā)生在焊后熱處理（600～700 ℃長時(shí)間加熱）過程中[10]。焊縫中的元素能夠影響碳遷移，促進(jìn)石墨化的元素（如Ni）能抑制C遷移，而穩(wěn)定碳化物的元素則會促進(jìn)C遷移[11]。不同電流水平下，熔敷金屬的合金元素差異較小，對C遷移影響不大，因此三種參數(shù)下熔合線附近黑色碳化帶寬度差別不大。

4 結(jié)論

（1）在較大的電流參數(shù)范圍內(nèi)，國產(chǎn)單層堆焊焊帶/焊劑組合XY-Q309LNb/XY-AF513焊接工藝性良好，堆焊層化學(xué)成分及鐵素體數(shù)、力學(xué)性能等均能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。

（2）焊接電流增大，堆焊厚度相同的條件下，稀釋率增大，堆焊層主要合金元素Cr、Ni含量下降，鐵素體含量降低。工程上可以通過調(diào)節(jié)焊接電流和焊接速度，控制焊縫的成分，進(jìn)而調(diào)整鐵素體含量。

（3）同樣電流下與Min.PWHT態(tài)硬度相比，Max.PWHT之后熱影響區(qū)硬度略有降低;焊接電流變化對堆焊層硬度影響不大。

（4）熱處理后，堆焊熔合線上均發(fā)生C遷移現(xiàn)象，出現(xiàn)10～20 μm的黑色碳化帶。焊接參數(shù)變化對C遷移影響不大。

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