工件傾斜角度堆焊對不銹鋼帶極堆焊工藝的影響

吳瑞萍，唐波濤2，王天先，王 毅

(1.青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司,山東青島 266426;2.青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司,山東青島 266111)

0 引言

加氫反應(yīng)器是石化裝置中的重要設(shè)備之一，為了保證強(qiáng)度要求，所以一般使用2.25Cr-1Mo制造。由于介質(zhì)中含有硫化氫，而Cr-Mo鋼不耐硫化氫的腐蝕，為了防止介質(zhì)的腐蝕，在加氫反應(yīng)器的內(nèi)壁堆焊奧氏體不銹鋼耐蝕層。殼體堆焊選用具有效率高、堆焊層內(nèi)部質(zhì)量均勻、堆焊表面平整光滑等特點(diǎn)的帶極自動堆焊技術(shù)。目前普遍采用過渡層+表層雙層堆焊技術(shù)，過渡層材料采用E309L型，表層材料采用E347型。堆焊總厚度為6.5 mm,表層有效厚度為3 mm，并要求鐵素體數(shù)控制在3～8 FN 范圍內(nèi)。對于堆焊層質(zhì)量，除外觀質(zhì)量和化學(xué)成分要求外，鐵素體含量是檢測堆焊層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。焊縫中含有一定量的δ鐵素體，對防止焊接過程產(chǎn)生熱裂紋以及以后實(shí)際使用中對介質(zhì)耐腐蝕的能力都有一定的好處。

本文通過采用不同試板傾角(傾斜)堆焊時，鐵素體含量的明顯變化及PWHT后鐵素體含量有明顯增高的現(xiàn)象，研究焊帶位置與稀釋率的關(guān)系及對堆焊工藝的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆焊材料為12Cr2Mo1R(H),規(guī)格400 mm×330 mm×30 mm。堆焊焊材為50 mm×0.4 mm規(guī)格的鋼帶，過渡層牌號為H309L(鋼帶)+SJ304(焊劑)，表層牌號為H347L(鋼帶)+SJ305(焊劑)。并采用規(guī)格為50×0.5 mm進(jìn)口鋼帶進(jìn)行了堆焊，過渡層牌號為SANDVIK 22.11.L(鋼帶)+10SW(焊劑)，表層牌號為SANDVIK 19.9.LNb(鋼帶)+10SW(焊劑)材料化學(xué)成分分別如表1～5所示。

表1 母材化學(xué)成分 %

表2 國產(chǎn)鋼帶化學(xué)成分 %

表3 焊劑化學(xué)成分 %

表4 進(jìn)口鋼帶化學(xué)成分 %

表5 焊劑化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

采用雙層埋弧帶極堆焊方法，過渡層堆焊前預(yù)熱溫度大于120 ℃，1#～4#試板焊接位置為平焊，并在一定范圍內(nèi)調(diào)整電流、電壓、焊接速度等工藝規(guī)范[1]，檢測在平焊位置鐵素體含量的變化，規(guī)范參數(shù)如表6所示；5#～8#試板是調(diào)整試板傾斜角度α，帶極堆焊工藝規(guī)范參數(shù)如表7所示，檢測鐵素體含量的變化，試板傾角及測點(diǎn)位置如圖1所示；焊接過程中過渡層保持道間溫度在120～250 ℃范圍內(nèi)，焊后在250～300 ℃溫度下保溫2 h，控制表層道間溫度15～100 ℃。

表6 試板平焊位置帶極堆焊工藝規(guī)范參數(shù)

表7 試板傾斜角度帶極堆焊工藝規(guī)范參數(shù)

1.3 鐵素體含量的測定

圖1 試板傾角及測點(diǎn)位置

奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的測定方法[4]主要有3種：化學(xué)分析法、磁性測量法和金相檢驗(yàn)法。本次試驗(yàn)采用磁性法測量堆焊層的鐵素體，試板傾角及測點(diǎn)位置如圖1所示；平焊位置試板測點(diǎn)位置如圖2所示，鐵素體試驗(yàn)結(jié)果如表8所示；傾斜角度試板鐵素體試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

圖2 平焊試板測點(diǎn)位置

表8 平焊位置規(guī)范參數(shù)變化對鐵素體含量的影響

表9 試板傾角對鐵素體含量的影響

1)熱處理后鐵素體含量超標(biāo)值

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過檢測1#～4#試板鐵素體含量發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)改變焊接電流、焊接電壓、焊接速度進(jìn)行水平位置堆焊試驗(yàn)(分別采用國產(chǎn)焊材與進(jìn)口焊材)，鐵素體含量沒有大幅度變化，當(dāng)采用不同試板傾角(傾斜)堆焊時，鐵素體在焊后卻有著明顯的變化，從舍弗勒圖可以分析，當(dāng)稀釋率在20%以下時，焊縫金屬是穩(wěn)定的A+F兩相組織，鐵素體含量在5%～10%，穩(wěn)定的雙相組織在PWHT期間不會發(fā)生組織形態(tài)變化，因此鐵素體測量值也不會有大的變化。當(dāng)稀釋度在20%～30%范圍內(nèi)時，堆焊層為A+M+F三相組織，也就是說，過程中就產(chǎn)生了馬氏體，當(dāng)采用不同試板傾角(傾斜)堆焊時，稀釋率產(chǎn)生了變化，其鐵素體測量值必然很高，但是已不能真正反映鐵素體的實(shí)際含量。當(dāng)稀釋率在20%附近時，堆焊層處于A+F和A+M+F兩個區(qū)域的交界處，為一種非穩(wěn)定狀態(tài)，其中一部分奧氏體組織是不穩(wěn)定的。在焊后熱處理期間，不穩(wěn)定奧氏體可能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而導(dǎo)致PWHT前后鐵素體測量值大幅度升高，由此得出堆焊時試件傾斜角度是造成稀釋率大的主要原因的結(jié)論[2]。稀釋率變化導(dǎo)致鐵素體含量發(fā)生變化。

2.2 鐵素體含量的控制

鐵素體含量與諸多因素有關(guān)，首先取決于堆焊金屬的化學(xué)成分，因此在選擇焊接材料上，應(yīng)充分考慮在一定焊接工藝條件下的最佳成分組成；另外焊接工藝條件也對堆焊成分有重要影響，綜合反映在堆焊過程中的稀釋率。

國內(nèi)加氫反應(yīng)器制造廠對焊接規(guī)范(焊接電流、焊接電壓、焊接速度)中鐵素體含量的影響都進(jìn)行了許多研究，以確定最佳規(guī)范；另外對筒體或封頭堆焊的焊接位置也做了分析試驗(yàn)，制訂了具體要求。

(a)

(b)

日本川崎制鋼所提供了焊接與稀釋率關(guān)系曲線，如圖3所示。該曲線表明堆焊層的稀釋率與焊帶偏離中心的距離有關(guān)，而且曲線呈拋物線，隨偏離X值的增加，將導(dǎo)致稀釋率大大增加。因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)特別注意確定焊接位置，以控制堆焊層的稀釋率，保證鐵素體含量符合要求。

推薦X值范圍在30～50 mm，這里稀釋率可控制在20%以下。

2.3 稀釋率的計算及控制

稀釋率D由下面公式計算：

D=(Ni1-Ni2)/Ni1×100%

式中D——稀釋率,%;

Ni1——焊帶中的鎳含量,%;

Ni2——堆焊層中的鎳含量,%。

2.4 施焊位置和工件傾斜度對稀釋率的影響

施焊位置對稀釋率有重要影響[5],焊接位置或工件傾斜角不同時，重力將引起焊接熔池導(dǎo)前于電弧、在電弧之下或滯后于電孤。焊接熔池導(dǎo)前于電弧越多，母材的熔深越小，稀釋率越低，但焊接熔池也不能導(dǎo)前電弧太多或熔池太深，若如此，則母材金屬表面將熔化不足，不能與堆焊金屬很好結(jié)合，降低了堆焊質(zhì)量。實(shí)踐證明，對于某些施焊位置和工件位置，按稀釋率降低的順序依次為：立向上焊、橫焊、上坡焊、平焊、下坡焊。施焊位置和工件的傾斜度對稀釋率的影響如表10所示。

表10 施焊位置和工件的傾斜度對稀釋率的影響

2.5 試板傾角對堆焊工藝的影響

經(jīng)過對焊接電壓、試板傾斜角度(即環(huán)向堆焊——熔池所處位置)，焊帶干伸長度等對結(jié)合面熔合質(zhì)量的影響因素分別進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明，試板傾斜角度[7]對熔合面質(zhì)量影響最大，當(dāng)傾斜角度為2°時，在兩堆焊焊道的交界面處開始有夾渣產(chǎn)生；當(dāng)傾斜角度達(dá)到5°時，在全焊帶堆焊層寬度下均有斷續(xù)夾渣產(chǎn)生，而且兩堆焊焊道交界處最嚴(yán)重；在2°～5°傾斜條件下，當(dāng)電弧電壓提高時，其夾渣現(xiàn)象也更加嚴(yán)重。試板傾斜角后宏觀檢測照片如圖4所示。水平位置(即傾角為零)電壓變化并不產(chǎn)生夾渣現(xiàn)象。

圖4 試板傾斜角后宏觀檢測照片

3 結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi)改變焊接電流、焊接電壓、焊接速度進(jìn)行水平位置堆焊試驗(yàn)，均未引起鐵素體含量的大幅度變化。當(dāng)采用不同試板傾角(傾斜)堆焊時，鐵素體在焊后卻有著明顯的變化，而且PWHT后出現(xiàn)了鐵素體含量極其明顯的增高(磁性法測定值)。由此得出堆焊時試板傾角是造成稀釋率大的主要原因，稀釋率變化導(dǎo)致鐵素體含量發(fā)生變化的結(jié)論。

(2)鋼帶堆焊時，控制堆焊層的稀釋率，保證鐵素體含量要求，應(yīng)特別注意確定焊接位置，推薦焊帶偏離中心距離X值范圍在30～50 mm。

(3)對于某些施焊位置和工件位置，按稀釋率降低的順序依次為：立向上焊、橫焊、上坡焊、平焊、下坡焊。