90 mm寬帶極堆焊奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分及鐵素體FN分析

陳志林，劉應(yīng)虎

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川德陽 618013)

0 引言

在“300系列”奧氏體不銹鋼焊材領(lǐng)域，有一類材料并不是嚴(yán)格意義的純奧氏體不銹鋼，其不銹鋼焊縫中含有少量δ相鐵素體。這類材料在石油、化工、核電等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常見的如:(1)加氫反應(yīng)器、熱高壓分離器容器內(nèi)壁雙層堆焊TP.309L+TP.347(或單層帶極堆焊 TP.347L)，耐蝕層δ相鐵素體含量3～10 FN;(2)天然氣脫硫裝置主吸收塔、水解反應(yīng)器內(nèi)壁雙層堆焊TP.309L+TP.316(或單層帶極堆焊 TP.316L)，耐蝕層δ相鐵素體含量3～8 FN;(3)核電站大型RPV、穩(wěn)壓器等設(shè)備內(nèi)壁雙層堆焊 TP.309L+TP.308L，耐蝕層δ相鐵素體含量5～15 FN(目標(biāo)值5～12 FN)。這類奧氏體不銹鋼焊縫中δ相的有利作用有:(1)可打亂單一γ相柱狀晶的方向性，不致形成連續(xù)貧Cr層;(2)δ相富Cr，有良好的供Cr條件，可減少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(shí)，奧氏體不銹鋼焊縫少量δ相鐵素體的存在對(duì)于降低焊縫金屬中裂紋和微裂紋是有好處的，會(huì)降低焊縫金屬的裂紋敏感性，同時(shí)可以提高焊縫的強(qiáng)度［1］。

大型石化容器產(chǎn)品制造普遍涉及奧氏體不銹鋼帶極堆焊技術(shù)，其具有熔敷率高、稀釋率低的特點(diǎn)，合金過渡均勻穩(wěn)定。文中主要從90 mm規(guī)格寬帶極雙層堆焊TP.309L+TP.347型不銹鋼焊接工藝入手，分析各種焊接因素對(duì)奧氏體不銹鋼化學(xué)成分及鐵素體FN的影響機(jī)理。

1 寬帶極堆焊試驗(yàn)設(shè)備

90 mm規(guī)格寬帶極堆焊試驗(yàn)設(shè)備選用恒電壓平特性直流電源，等速送絲系統(tǒng)。采用直流、電極接正(DCEP)的方法可以產(chǎn)生更好的焊道邊緣形狀和更規(guī)則的熔敷金屬表面。焊接過程中，平特性電源的電壓波動(dòng)很小而電流變化相對(duì)較大，焊接過程自調(diào)節(jié)性能好，送絲速度波動(dòng)小，電弧電壓穩(wěn)定。由于90 mm規(guī)格寬帶堆焊電流較大，試驗(yàn)采用的電源為兩臺(tái)ESAB LAF1250并聯(lián)電源以產(chǎn)生更大的電流，滿足寬帶堆焊要求，堆焊機(jī)頭型號(hào)為SOUDOKAY 125－ES1－300，機(jī)頭上配備CED 1 1370 C22 型號(hào)磁控裝置［2］。

2 寬帶極堆焊試驗(yàn)材料

2.1 堆焊試驗(yàn)?zāi)覆牟馁|(zhì)

寬帶堆焊試驗(yàn)?zāi)覆脑嚢宀捎?.25Cr－1Mo－0.25V鋼，該鋼種已廣泛應(yīng)用于煉油化工行業(yè)的臨氫設(shè)備制造，其化學(xué)成分見表1。該鋼種屬Cr－Mo－V系耐熱鋼，其淬硬傾向大，冷裂敏感性明顯。為防止產(chǎn)生冷裂紋，在進(jìn)行過渡層 TP.309L型帶極埋弧堆焊時(shí)，堆焊前對(duì)焊件預(yù)熱≥125℃，過渡層層溫控制在200℃以內(nèi)，以免過高的層溫使過渡層與母材界面晶粒粗大。耐蝕層TP.347型帶極電渣堆焊在室溫下進(jìn)行，層溫≤150 ℃［3－4］。

2.2 寬帶極焊接材料

堆焊試驗(yàn)采用瑞典ESAB焊材公司TP.309L+TP.347型奧氏體不銹鋼雙層堆焊帶極焊材:過渡層焊帶OK Band 309L，規(guī)格0.5 mm ×90 mm，匹配焊劑 OK Flux 10.05;耐蝕層焊帶 OK Band 347，規(guī)格 0.5 mm × 90 mm，匹配焊劑 OK Flux 10.10。其化學(xué)成分見表2。

過渡層焊帶OK Band 3 0 9 L名義成分為24Cr13Ni、耐蝕層焊帶OK Band 347名義成分為20Cr10Ni，過渡層和耐蝕層焊帶的超低碳(C＜0.03%)含碳量，能夠有效地防止生成鉻的碳化物，降低晶間碳化物沉淀的可能性。而耐蝕層焊帶中作為穩(wěn)定劑加入的Nb+Ta，目的是讓碳優(yōu)先與之結(jié)合成NbC，可防止鋼中碳和鉻結(jié)合成鉻的碳化物沉淀于晶界而使晶界貧鉻。以此降低焊縫金屬晶間腐蝕敏感性，以抑制晶間腐蝕的發(fā)生。

某些焊材供應(yīng)商的埋弧焊焊劑有意添加合金成分來調(diào)控焊縫金屬δ相鐵素體比例，焊劑是合金化或活潑的，則焊接條件特別是電壓可以導(dǎo)致熔敷金屬化學(xué)成分的顯著變化，高電壓產(chǎn)生大的焊劑與金屬間的相互作用，所以合金過渡多。而ESAB公司不銹鋼帶極埋弧焊及電渣焊的焊接材料:為了盡量減少焊縫增Si，以及減少Cr和其他元素的氧化，通常采用堿性焊劑，過渡層焊劑OK Flux 10.05及耐蝕層焊劑OK Flux 10.10均為高堿度型燒結(jié)焊劑，基本不向堆焊層焊縫過渡Cr等合金元素，該類焊劑脫渣性好，焊接工藝性良好，成型美觀［2］。

3 TP.309L+TP.347型奧氏體不銹鋼寬帶極堆焊工藝

試驗(yàn)采用ESAB焊材進(jìn)行雙層帶極堆焊:過渡層采用帶極埋弧堆焊，耐蝕層采用帶極電渣堆焊，其焊接規(guī)范見表3。過渡層堆焊時(shí)，為了保證焊縫合適的合金含量，焊接稀釋率不能太大，控制在15%～20%范圍較好。電渣堆焊耐蝕層時(shí)，堆焊層的稀釋率可根據(jù)焊材(包括焊帶與焊劑)的化學(xué)成分含量在8%～15%較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

堆焊試驗(yàn)過程中，焊接操作者應(yīng)盡量控制溫度:較低的預(yù)熱及層溫控制有利于減弱不銹鋼堆焊層δ→σ脆性相的轉(zhuǎn)變傾向、防止晶間腐蝕發(fā)生，同時(shí)有利于防止堆焊層金屬微裂紋的產(chǎn)生。

由于不銹鋼堆焊層和2.25Cr－1Mo－0.25V鋼母材的線膨脹系數(shù)相差較大，堆焊過程中容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力，因此對(duì)于焊后的熱處理工藝要嚴(yán)格控制，至少應(yīng)考慮制造、制造返修及用戶返修共計(jì)3次的熱處理。試驗(yàn)采用的最大焊后熱處理為:705 ±14 ℃ ×32+2h［3］。

堆焊試板經(jīng)模擬最大焊后熱處理，進(jìn)行試板解剖，堆焊試板見圖1，理化檢測性能如下:

圖1 堆焊試板圖片

(1)鐵素體測量儀測量鐵素體(焊態(tài)):表面鐵素體6.9 FN。

(2)堆焊層表面HB硬度 (焊態(tài)):187，187，187，187。

(3)截面硬度檢測:堆焊層表面HB硬度:197，197，197，197;耐蝕層 HV5硬度:220，218;過渡層HV5硬度:209，217;母材層 HV5硬度:197，190。

(4)晶間腐蝕試驗(yàn):按 GB 4334.5—2000《不銹鋼硫酸－硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》試驗(yàn)，兩件試樣經(jīng)16 h晶間腐蝕試驗(yàn)彎曲180°后檢查，均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向。

(5)剖面檢查:低倍試樣經(jīng)稀鹽酸腐蝕后未發(fā)現(xiàn)堆焊層有層下裂紋;

(6)彎曲試驗(yàn):橫、縱向大側(cè)彎(a=10，D=4a，α =180°)各2 件;橫、縱向小側(cè)彎(a=3，D=4a，α =180°)各2 件;彎曲180°均無裂紋。

(7)在距堆焊層表面2.5～3.0 mm范圍內(nèi)取樣兩處進(jìn)行化學(xué)成分分析，其耐蝕層化學(xué)成分(焊態(tài))見表4。

TP.309L+TP.347型不銹鋼堆焊層在焊接及熱處理的條件下，在熔合線2.25Cr－1Mo－0.25V鋼母材的碳，通過焊縫邊界向奧氏體鋼焊縫擴(kuò)散遷移，在母材側(cè)產(chǎn)生脫碳層，奧氏體堆焊層一側(cè)形成增碳層。由于過渡層埋弧焊工藝稀釋率較大，熔合線附近發(fā)生C，Cr等元素的擴(kuò)散和遷移，這會(huì)形成脆性碳化鉻析出層，隨著熱處理溫度提高和保溫時(shí)間的延長，C擴(kuò)散遷移層范圍變大，堆焊層脆硬組織增多，這是檢測彎曲性能時(shí)容易產(chǎn)生裂紋的一個(gè)誘發(fā)因素:不銹鋼堆焊層彎曲過程中過渡層相對(duì)于其他區(qū)域更容易出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，且裂紋源一般出現(xiàn)在母材與過渡層熔合線處，彎曲過程中，裂紋由過渡層向耐蝕層延伸。同時(shí)，焊后經(jīng)長時(shí)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(duì)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(yàn)時(shí)堆焊層側(cè)彎裂紋產(chǎn)生。

表4 耐蝕層化學(xué)成分%

4 寬帶極堆焊奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分分析

ESAB公司的90 mm規(guī)格 TP.309L+TP.347型奧氏體不銹鋼帶極焊材系典型的歐洲體系焊材:不銹鋼焊帶C含量低，一般在0.01%左右，主要合金成分Cr，Ni含量高，有很大的富?？臻g。隨著焊帶規(guī)格變寬，堆焊電流隨之增大，考慮到焊接燒損及母材稀釋等因素，這種“合金成分富?？臻g大”的特點(diǎn)有利于焊接操作，堆焊規(guī)范參數(shù)可調(diào)范圍大，便于堆焊焊道的成型控制。

結(jié)合奧氏體不銹鋼焊材合金元素的物化性質(zhì)，可以分析焊接對(duì)其影響機(jī)理。從化學(xué)元素周期表可見C，Si，P，S，N 等元素氧化性:N ＞C及 S＞P ＞ Si。而 Cr，Mn，Mo，Nb，Ni，Cu，Ti等金屬還原性程度:Ti＞Cr＞Mn＞Fe＞Co＞Ni＞Cu及 Nb＞Mo。合金元素的沸點(diǎn)越低，其蒸發(fā)損失越大，過渡系數(shù)越小。合金元素對(duì)氧的親和力越大，其氧化損失越大，過渡系數(shù)越小。資料顯示:在1600℃時(shí)各種合金元素對(duì)氧親和力程度為:Ti＞Si＞V＞Mn＞Cr＞Mo＞W(wǎng)＞Fe＞Co＞Ni＞Cu，焊接不銹鋼時(shí)，位于Fe以后的元素幾乎無氧化損失，只有殘留損失，過渡系數(shù)大;而位于Fe以前、遠(yuǎn)離Fe的元素對(duì)氧親和力很大，氧化損失較多［5］。

通過研究帶極堆焊原理可以發(fā)現(xiàn)，奧氏體不銹鋼堆焊層化學(xué)成分的變化主要受到三方面因素影響:

(1)焊帶合金元素?zé)龘p:Cr，Mn，Nb等容易被氧化的合金元素活性大，焊接過程中會(huì)燒損較多量;而Ni，Cu等不太活潑的合金元素則燒損較少。

(2)焊劑成分過渡的影響:有的焊劑主要加入脫氧劑，焊接過程中焊劑通過化學(xué)冶金反應(yīng)使焊縫增Si;有的焊劑除了含脫氧劑還要加入合金劑，以此向焊縫過渡Cr，Mo和Nb等元素，起到調(diào)控焊縫合金含量與δ相鐵素體比例的作用。

(3)基體母材的稀釋作用:采用埋弧焊方法焊接過渡層時(shí)，稀釋率較大，焊縫與母材界面C，Cr等元素發(fā)生激烈擴(kuò)散和遷移，影響了堆焊層合金含量。而耐蝕層采用電渣焊方法堆焊，稀釋率較小，對(duì)堆焊層合金含量影響程度較小。

除以上因素外，焊接熔渣中僅有少量的合金殘留損失，為次要因素。

綜合考慮以上因素，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，90 mm寬帶極堆焊TP.309L+TP.347型奧氏體不銹鋼過程中，由不銹鋼焊帶到耐蝕堆焊層合金成分的變化規(guī)律:

(1)C:主要受碳鋼或低合金鋼母材的稀釋作用，增加約0.01 ～0.02;

(2)Si:由于焊劑過渡的作用，增加約0.2～0.6;

(3)Mn:容易被氧化的合金元素，由此燒損較多，減少約0.4 ～0.8;

(4)Cr:活性大，焊接過程中燒損較多，在過渡層堆焊時(shí)由于稀釋率較大損失較多，減少約2.5～4.0，在耐蝕層堆焊時(shí)減少約0.8 ～1.5;

(5)Ni:活性小的合金元素，燒損較少，在過渡層堆焊時(shí)由于稀釋率較大損失較多，減少約1.5～3.0，在耐蝕層堆焊時(shí)減少約0.1 ～0.6;

(6)Mo:燒損較少，變化很小;

(7)Cu:活性小，燒損較少，變化很小;

(8)Nb:活潑的合金元素，容易被氧化，燒損較多，減少約 0.1 ～0.3。

如果不銹鋼堆焊過程中，熔敷金屬吸入了過量的氮，根據(jù) WRC—1992圖［2］(見圖2)分析，鐵素體FN將會(huì)顯著降低。高的氮吸入量能導(dǎo)致一個(gè)典型的8 FN的堆焊金屬降低至0 FN，吸入0.10%的氮一般能降低約8 FN。因此，要保證焊縫中合適的鐵素體FN，必須嚴(yán)格限制堆焊金屬氮吸入量，一般要求 N≤0.05%［2］。

圖2 WRC—1992圖

5 寬帶極堆焊奧氏體不銹鋼的鐵素體FN分析

不銹鋼帶極堆焊工藝參數(shù)的選擇原則:在保證設(shè)計(jì)要求的最小堆焊層厚度及良好的外觀成型基礎(chǔ)上，使堆焊層的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求，重點(diǎn)控制堆焊層的鐵素體含量。目前，國內(nèi)石化工業(yè)大型加氫反應(yīng)器雙層堆焊(TP.309L+TP.347)型不銹鋼，其技術(shù)條件通常要求耐蝕層3～10 FN達(dá)標(biāo)。選用WRC—1992圖進(jìn)行鐵素體的測定:首先檢測不銹鋼焊縫的化學(xué)成分，然后計(jì)算出Creq和Nieq，最后根據(jù)WRC—1992圖測算出鐵素體FN。

帶極堆焊奧氏體不銹鋼過程中，影響鐵素體FN的因素主要有:預(yù)熱溫度、焊接電流、焊接速度及爬坡角度。以WEL公司TP.347L型焊材:焊帶 WEL ESS 347SJ規(guī)格:0.4 mm ×75 mm，匹配焊劑WEL ESB F－7M，在2.25Cr－1Mo鋼試板上進(jìn)行帶極堆焊對(duì)比試驗(yàn)以研究焊接工藝參數(shù)對(duì)鐵素體FN的影響情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

由表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:

(1)在其他參數(shù)條件一定時(shí)，預(yù)熱溫度越高(150℃→220℃)，加劇了焊接時(shí)不銹鋼鐵素體δ→σ脆性相的轉(zhuǎn)變傾向，則鐵素體FN的表現(xiàn)趨勢是降低。

(2)在其他參數(shù)條件一定時(shí)，焊接電流越大(1200 A→1300 A)，對(duì)焊帶最大的作用體現(xiàn)在合金元素的燒損:Cr容易被氧化，是活潑的合金元素，由此燒損較多，而Ni是不太活潑的合金元素，燒損較少，變化很小，由此，一定程度減低Creq，則會(huì)導(dǎo)致不銹鋼堆焊層鐵素體FN的降低。

(3)在其他參數(shù)條件一定時(shí)，焊接速度越大，使得不銹鋼堆焊層厚度變薄，這會(huì)增大稀釋率，使鐵素體FN降低。稀釋率在帶極堆焊過程中主要受到焊接電流、焊接速度等因素的影響;當(dāng)減小焊接電流或增大焊接速度都會(huì)增大稀釋率。

(4)爬坡焊的焊接方式也會(huì)增大稀釋率，而增大稀釋率的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致鐵素體含量FN的降低:爬坡角度越大，稀釋率越大，由此不銹鋼堆焊層鐵素體FN越低。車間在進(jìn)行容器筒體內(nèi)壁帶極堆焊生產(chǎn)時(shí)，為了獲得良好的堆焊焊道成型，通常焊機(jī)機(jī)頭并不設(shè)置在筒體最低點(diǎn)的水平位置，而是根據(jù)容器直徑大小同時(shí)兼顧稀釋率因素采用約1°的爬坡角進(jìn)行焊接。

6 結(jié)論

(1)TP.309L及TP.347系含少量 δ相鐵素體的奧氏體不銹鋼焊材，具有降低焊縫金屬裂紋敏感性、提高不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕能力的特點(diǎn)。ESAB公司90 mm規(guī)格寬帶極奧氏體不銹鋼焊材匹配高堿度型燒結(jié)焊劑，脫渣性好，焊接工藝性優(yōu)良，焊道成型美觀;其焊帶C含量低，Cr，Ni等主要合金成分含量高，具有較大的合金富?？臻g，焊接規(guī)范可調(diào)范圍大，有利于帶極堆焊生產(chǎn)。

表5 WEL ESS 347SJ(0.4 mm×75 mm)+WEL ESB F－7M帶極堆焊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2)奧氏體不銹鋼帶極堆焊過程中化學(xué)成分的變化主要受到三方面因素影響:1)焊帶合金元素?zé)龘p的影響;2)焊劑成分過渡的影響;3)基體母材的稀釋作用影響。通過分析 TP.309L及TP.347型不銹鋼焊帶合金元素的物化性能、焊劑類型(焊劑中除脫氧劑外，是否含有合金劑)、雙層堆焊時(shí)過渡層及耐蝕層焊接稀釋率等關(guān)系，總結(jié)了從不銹鋼焊帶到耐蝕堆焊層合金成分含量的變化規(guī)律。

(3)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了奧氏體不銹鋼帶極堆焊工藝參數(shù)對(duì)鐵素體FN的影響規(guī)律:預(yù)熱溫度、焊接電流、焊接速度及爬坡角度是鐵素體FN的主要影響因素，預(yù)熱溫度越高、焊接電流越大、焊接速度越大、爬坡焊的爬坡角度越大，均會(huì)導(dǎo)致不銹鋼堆焊層鐵素體FN的降低。

(4)對(duì)于含少量δ相鐵素體的奧氏體不銹鋼堆焊焊縫，受焊接及熱處理等因素影響，C，Cr等元素會(huì)擴(kuò)散和遷移，在堆焊層形成碳化鉻及σ脆性相，從而降低焊縫塑韌性。因此，在一定程度上減小堆焊稀釋率對(duì)C，Cr等元素的影響，有利于減少堆焊層脆硬組織，避免堆焊層彎曲檢測時(shí)裂紋的產(chǎn)生。

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