高頻脈沖氣保焊耐蝕堆焊工藝研究及經(jīng)濟(jì)性分析

楊有福，俞祿沅，趙虎慶，曹 洋，張佳杰，李玉成

（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

耐蝕堆焊工藝在壓力容器制造行業(yè)應(yīng)用非常廣泛[1-5]，常見的耐蝕堆焊方式有焊條電弧焊堆焊、埋弧帶極堆焊、埋弧電渣堆焊、氬弧焊堆焊及藥芯 CO2氣體保護(hù)焊堆焊等[6-10]。文中以 Q345R鋼板為基材，采用高頻脈沖（體積分?jǐn)?shù)為98%的Ar+體積分?jǐn)?shù)為2%的CO2）氣保焊進(jìn)行耐蝕堆焊工藝研究[11-14]，探討在焊態(tài)以及不同的熱處理時機(jī)下能否得到質(zhì)量可靠的耐蝕堆焊層。同時，從經(jīng)濟(jì)成本、工作效率等方面探討這種耐蝕堆焊工藝在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的可行性。

1 高頻脈沖氣保焊耐蝕堆焊工藝試驗(yàn)

1.1 材料組成及性能

高頻脈沖氣保焊耐蝕堆焊工藝試驗(yàn)的材料包括母材和焊材。其中，焊材包括焊材1和焊材2，母材為22 mm厚的Q345R鋼板。焊材1為牌號ER309L的實(shí)芯焊絲，焊材2為牌號ER308L的實(shí)芯焊絲，直徑均為1.2 mm。母材與焊材的化學(xué)組成見表1，母材和焊材的非比例延伸率為0.2%時的屈服強(qiáng)度 Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后延伸率 A等力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表1 高頻脈沖氣保焊耐蝕堆焊母材及焊材化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 高頻脈沖氣保焊耐蝕堆焊母材及焊材力學(xué)性能參數(shù)

1.2 耐蝕堆焊工藝及試板

1.2.1 試板制備程序

①試板下料，下料規(guī)格為1 000 mm×250 mm×22 mm（長×寬×厚），將其命名為試板S1。②采用砂輪機(jī)打磨試板，使表面露出金屬光澤。③用焊材1堆焊過渡層。焊接時，后一道壓前一道約1/3，且略帶擺動多道焊接。過渡層堆焊1層，堆焊厚度為2.7～3.0 mm。熔深為2.3～2.5 mm。④過渡層堆焊結(jié)束后，將S1沿著長度方向平均切割為2塊長500 mm、寬250 mm的試板，分別命名為試板S2和S3。⑤將S2置入加熱爐進(jìn)行過渡層620℃×4 h熱處理，過程升溫速度為67℃/h，降溫速度為55℃/h。⑥對S3與熱處理結(jié)束后的S2進(jìn)行面層堆焊。堆焊采用高頻脈沖氣保焊配合焊材2，具體堆焊方式與過渡層相同。面層堆焊1層，整個堆焊層的厚度為5.8～6.1 mm。⑦將S2與S3各自沿著長度方向平均切割為2塊，得到4塊長250 mm、 寬 250 mm、 厚 22+ （5.8～6.1）mm的試板， 分別命名為試板 S4、S5、S6、S7。 ⑧將 S5、S7置入加熱爐內(nèi)進(jìn)行面層620℃×4 h熱處理，過程升溫速度為69℃/h，降溫速度為61℃/h。

1.2.2 耐蝕堆焊工藝參數(shù)

試板制備過程中，過渡層堆焊控制層間溫度不高于150℃，面層堆焊控制層間溫度不高于100℃。過渡層堆焊與面層堆焊的其它工藝參數(shù)相同，焊接方法為高頻脈沖氣保焊，保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)98%的氬氣與體積分?jǐn)?shù)2%的二氧化碳組成的混合氣體，焊接電流為180～190 A，焊接電壓為26～28 V，焊接速度為 320～330 mm/min，最大焊接線能量為9.975 kJ/cm。采用上述工藝制備的試板 S4、S5、S6、S7，具有規(guī)格尺寸相同、焊接工藝參數(shù)相同、消除熱應(yīng)力的時機(jī)不同的特點(diǎn)，其熱處理狀態(tài)見表3。表3中，AW為焊態(tài)，PWHT為焊后熱處理態(tài)。

表3 高頻脈沖氣保焊試板S4、S5、S6、S7熱處理狀態(tài)

2 高頻脈沖氣保焊耐蝕堆焊工藝性能檢測及評價

2.1 初步缺陷檢查

對試板S4、S5、S6、S7進(jìn)行外觀檢查，可見試板成形平整，沒有氣孔、夾渣、咬邊、未熔合和裂紋等缺陷。按照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測第 5部分： 滲透檢測》[15]以及 NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分:超聲檢測》[16]進(jìn)行 100%滲透檢測和 100%超聲檢測，符合Ⅰ級合格要求。

2.2 焊接組織形貌

2.2.1 宏觀形貌

從試板S4取樣S8，用稀王水溶液對S8進(jìn)行腐蝕處理，然后在10倍放大鏡下觀察焊縫，結(jié)果表明，焊縫、熱影響區(qū)以及熔合線部位均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣及未熔合等焊接缺陷，宏觀形貌合格。經(jīng)稀王水溶液腐蝕后的S8宏觀形貌見圖1。

圖1 稀王水溶液腐蝕后試板S8宏觀形貌

2.2.2 微觀形貌

從 試 板 S4、S5、S6、S7 分 別 取 樣 S9、S10、S11、S12，對 S9～S12 的焊縫、熱影響區(qū)、熔合線及母材進(jìn)行微觀形貌分析，S9～S12母材微觀金相組織見圖2，S9～S12焊縫微觀金相組織見圖3，S9～S12熱影響區(qū)微觀金相組織見圖4，S9～S12熔合線微觀金相組織見圖5。

圖2 堆焊試板S9～S12母材顯微組織(200×)

圖3 堆焊試板S9～S12焊縫顯微組織(200×)

圖4 堆焊試板S9～S12熱影響區(qū)顯微組織(200×)

圖5 堆焊試板S9～S12熔合線顯微組織

圖2～圖5表明，采用高頻脈沖氣保焊耐蝕堆焊工藝，無論在焊態(tài)，也無論過渡層、面層或是過渡層和面層,進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理得到的堆焊焊縫、熱影響區(qū)、熔合線部位的組織形式是相同的，焊縫組織表現(xiàn)為鐵素體+奧氏體，熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，熔合線部位組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體+奧氏體形式。

對比圖2～圖5可知，焊后消除應(yīng)力熱處理的時機(jī)不同，焊接組織包含的幾種表現(xiàn)形式的占比隨之不同。以焊縫的組織為例，過渡層焊接完畢后不做620℃消除應(yīng)力熱處理時，焊縫表面的鐵素體含量較低，為6%。當(dāng)試板經(jīng)歷過渡層堆焊、過渡層進(jìn)行620℃消除應(yīng)力熱處理、再堆焊面層的工藝后，堆焊焊縫表面的鐵素體含量明顯增加。

2.2.3 鐵素體含量

按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》[17]，取試板 S9～S12的截面，經(jīng)過機(jī)械拋光、王水溶液腐蝕后，測得焊縫鐵素體含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為 6%、6%、11%、10%，相應(yīng)的截面檢測圖見圖6。

圖6 試板S9～S12焊縫鐵素體含量檢測結(jié)果(200×)

結(jié)合圖6進(jìn)行分析可知，當(dāng)耐蝕堆焊焊縫過渡層不進(jìn)行熱處理，而在面層堆焊完畢后熱處理與否，對于焊縫表面的鐵素體含量的影響并不大。對于耐蝕堆焊工藝來說，堆焊焊縫表面奧氏體化越明顯，耐腐蝕性能就越好，否則耐腐蝕性會變差。然而在過渡層焊后進(jìn)行熱處理，會抑制堆焊焊縫表面奧氏體化的效果[16]。因此，在壓力容器制造過程中，長時間對堆焊部件的過渡層進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，需要慎重考量。同時，從堆焊過程中發(fā)現(xiàn)，大規(guī)范焊接，堆焊層表面的鐵素體含量也會有明顯的增加，因此，焊接過程中控制焊接工藝參數(shù)對堆焊質(zhì)量至關(guān)重要。

2.3 晶間腐蝕

按照GB∕T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》[18]進(jìn)行E法晶間腐蝕試驗(yàn)。晶間腐蝕試樣規(guī)格為100 mm×20 mm×3.24 mm，將樣品置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%的銅-硫酸銅-硫酸溶液中，煮沸試驗(yàn)20 h，然后用10 mm壓頭經(jīng)180°彎曲，用10倍放大鏡檢查，試板S4～S7的晶間腐蝕試樣均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。彎曲后的晶間腐蝕試樣端面見圖7。

圖7 彎曲后的晶間腐蝕試樣端面

結(jié)合圖6和圖7進(jìn)行分析可知，對于高頻脈沖氣保焊堆焊形成的焊縫，當(dāng)焊縫表面的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在6%、10%、11%時，堆焊焊縫均可以防止E法晶間腐蝕，并且過渡層選擇短時間的消除應(yīng)力熱處理對堆焊層的耐腐蝕性有促進(jìn)作用。從堆焊過程中發(fā)現(xiàn)，采用大規(guī)范焊接，其堆焊層表面的鐵素體含量也會有明顯增加，因此，焊接過程中，控制焊接工藝參數(shù)對堆焊質(zhì)量至關(guān)重要。

2.4 組織硬度

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分》[19]的要求對堆焊試板S9～S12的焊縫、熱影響區(qū)以及熔合線部位的硬度進(jìn)行測試。每副試板的焊縫、熱影響區(qū)以及熔合線部位各取維氏硬度3點(diǎn)，得到的硬度測試數(shù)據(jù)見表4～表7。

表4 試板S9焊縫、熱影響區(qū)及熔合線硬度測試數(shù)據(jù)

表5 試板S10焊縫、熱影響區(qū)及熔合線硬度測試數(shù)據(jù)

表6 試板S11焊縫、熱影響區(qū)及熔合線硬度測試數(shù)據(jù)

表7 試板S12焊縫、熱影響區(qū)及熔合線硬度測試數(shù)據(jù)

從表4～表7可知，控制合理的焊接參數(shù)，不管在焊態(tài)亦或是不同時機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的消除應(yīng)力熱處理，其堆焊焊縫、熱影響區(qū)以及熔合線部位的硬度均能滿足要求，且堆焊焊縫的完好性和塑性均能得到保證。

2.5 化學(xué)組成

對試板S4～S7進(jìn)行化學(xué)成分取樣分析。采用機(jī)加工的方式剝?nèi)ザ押笇用鎸? mm，然后在機(jī)加工表面鉆孔取樣，按照GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》[20]進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表8。

表8 試板S4～S7化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

從化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不管在焊態(tài)亦或是不同時機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的消除應(yīng)力熱處理，其堆焊焊縫金屬的合金元素均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)波動，結(jié)合圖7的晶間腐蝕端面情況發(fā)現(xiàn)，焊縫金屬的合金元素略微波動，對晶間腐蝕的影響并不明顯。但Cr、Ni元素含量的波動幅度較大，這種情況除與試板的熱處理狀態(tài)不同有關(guān)外，還與焊接過程中參數(shù)的波動幅度有關(guān)。因此，為保證在進(jìn)行耐蝕堆焊時合金元素不被高溫熔池所燒損，尤其是耐腐蝕元素Cr、Ni不被燒損，就必須嚴(yán)格控制焊接規(guī)范不宜太大，盡量選用小線能量施焊。

2.6 堆焊試板力學(xué)性能

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[21]的要求，從試板 S4～S7取橫向側(cè)彎試樣4件，試樣彎軸直徑均為40 mm，支座間距離均為38 mm，彎曲角度均為180°。按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》[22]進(jìn)行 180°側(cè)彎試驗(yàn)，結(jié)果各側(cè)彎試樣均無開裂現(xiàn)象。

3 高頻脈沖氣保焊耐蝕堆焊經(jīng)濟(jì)性分析

將高頻脈沖氣保焊實(shí)芯焊絲堆焊簡稱為焊接方法1，焊條電弧焊堆焊簡稱為焊接方法2，手工CO2氣體保護(hù)焊藥芯焊絲堆焊簡稱為焊接方法3。以壓力容器制造最常見的普通碳鋼?500 mm平蓋堆焊（E309+E308）耐蝕層（過渡層 3 mm+面層3 mm）的堆焊為例，通過比較焊接方法1、焊接方法2、焊接方法3的焊材成本、堆焊成本、堆焊效率，進(jìn)行高頻脈沖氣保焊實(shí)芯焊絲堆焊的綜合經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)計的3種焊接方法所用焊材的種類、牌號、直徑、定額、單價、氣體用量、焊接時長、焊材費(fèi)用、氣體費(fèi)用及人工費(fèi)用見表9。表9中，焊接方法1保護(hù)氣體為98%（體積分?jǐn)?shù)）Ar+2%（體積分?jǐn)?shù)）CO2，焊接方法 3保護(hù)氣體為80%（體積分?jǐn)?shù)）Ar+20%（體積分?jǐn)?shù)）CO2， 保護(hù)氣單價均3.25元/L，人工費(fèi)用為20元/h。

表9 堆焊Φ500 mm平蓋經(jīng)濟(jì)性比較分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)

對表9中的分項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行總計，可知焊接方法1需要593.2元，焊接方法2需要856.32元，焊接方法3需要732.72元，焊接方法1的綜合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯。

4 結(jié)語

（1）采用高頻脈沖氣保焊堆焊時，在焊態(tài)下可以獲得可靠的堆焊焊縫。同時，當(dāng)考慮在過渡層堆焊完畢后消除應(yīng)力熱處理時，應(yīng)控制熱處理時間不宜過長，否則會抑制堆焊層面層奧氏體化，降低堆焊焊縫的耐腐蝕能力。

（2）采用富氬氣高頻脈沖氣保焊進(jìn)行堆焊時，焊接規(guī)范對于堆焊焊縫的質(zhì)量是至關(guān)重要的，當(dāng)焊接熱輸入量過大時，局部熱量集中，且升溫越快，高溫停留時間越短，其堆焊焊縫的晶粒就會變得粗大。同時高溫熔池對Cr、Ni、Mo等元素有不同程度的燒損，使得堆焊焊縫不容易奧氏體化，鐵素體含量會增加，減弱堆焊層的耐腐蝕性能。

（3）采用高頻脈沖氣保焊進(jìn)行堆焊時，一定要選擇合適的保護(hù)氣體和流量，否則形成的焊縫會呈現(xiàn)蜂窩狀氣孔，加大返修工作量。

（4）綜合制造和經(jīng)濟(jì)成本等各方面因素進(jìn)行評價后認(rèn)為，高頻脈沖氣保焊實(shí)芯焊絲堆焊的焊接方法完全可以應(yīng)用在壓力容器部件的堆焊中，保證堆焊質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。