高M(jìn)o的316L堆焊技術(shù)在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼制容器上的應(yīng)用

許 凱 王迎君 劉應(yīng)虎 葉小松

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

我公司承制的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼制加氫反應(yīng)器，多數(shù)反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊TP.309L，但也遇到堆焊TP.309MoL+TP.316L的情況，且堆焊層中Mo含量不得低于2.5%。由于Mo為較強(qiáng)的鐵素體元素，堆焊后表層的鐵素體數(shù)均超過(guò)8FN，再經(jīng)過(guò)模擬705℃±14℃×32 h最大焊后熱處理后，檢測(cè)鐵素體值很低，堆焊焊接工藝評(píng)定所需的彎曲試驗(yàn)不合格。本文通過(guò)開(kāi)展工藝研究來(lái)解決2.25Cr-1Mo-0.25V鋼堆焊Mo超過(guò)2.5%的TP.309MoL+TP.316L的焊接工藝評(píng)定問(wèn)題，保證產(chǎn)品的堆焊質(zhì)量，就藥芯焊絲CO2保護(hù)焊堆焊研究展開(kāi)論述。

1 堆焊工藝評(píng)定

我公司承制的某項(xiàng)目加氫反應(yīng)器，基材為2.25Cr-1Mo-0.25V，其內(nèi)壁要求堆焊TP.309MoL+ TP.316L，其耐蝕層表面及以下3 mm深度以內(nèi)熔敷金屬的化學(xué)成分如表1所示。

產(chǎn)品堆焊前須按照NB/T 47014—2011進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼試板堆焊后，應(yīng)分別采用磁性法和化學(xué)分析法測(cè)定堆焊層的鐵素體數(shù)為3FN～8FN；經(jīng)過(guò)705℃±14℃×32 h熱處理后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，要求彎曲試驗(yàn)的試樣取樣方向?yàn)榇怪庇诩捌叫杏诤附臃较颉?/p>

表1 指定位置的熔敷金屬化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements for deposited metals at specified locations(mass fraction，%)

以往的石化容器堆焊TP.309MoL+TP.316L后，其耐蝕層表面及以下3 mm深度以內(nèi)熔敷金屬中的Mo含量實(shí)測(cè)值均在2.0%～2.5%之間，為此，采購(gòu)了專門的焊接材料用于此加氫反應(yīng)器的內(nèi)壁堆焊。

在藥芯焊絲CO2保護(hù)焊堆焊評(píng)定過(guò)程中進(jìn)行橫向側(cè)向180°彎曲試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分側(cè)彎出現(xiàn)堆焊層全部開(kāi)裂，如圖1所示。

圖1 開(kāi)裂的彎曲試樣照片F(xiàn)igure 1 Photos of cracked bent specimens

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

表3 堆焊焊材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of surfacing welding materials(mass fraction, %)

表4 堆焊層距表層3 mm以下熔敷金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Chemical composition of deposited metal located less than 3 mm from the surfacing layer to surface layer(mass fraction, %)

表5 不同焊接速度下的堆焊層FN及彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 5 FN and bending test results of surfacing layer at different welding speeds

(a)705℃×32 h,309L-347(b)焊態(tài),309MoL-316L(c)705℃×16 h,309MoL-316L(d)705℃×32 h,309MoL-316L

圖2 不同條件下試樣的組織圖(500×)
Figure 2 Microstructure of specimens under different conditions(500×)

堆焊時(shí)的焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊材廠家提供的過(guò)渡層及表層材料化學(xué)成分如表3所示。堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分分析如表4所示。

2 開(kāi)裂原因

2.1 焊接速度的影響

首先采用不同的焊接速度堆焊過(guò)渡層來(lái)調(diào)整稀釋率。對(duì)不同焊接速度下的堆焊過(guò)渡層FN進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)過(guò)渡層鐵素體測(cè)量結(jié)果，選擇兩種表面工藝成型較好，而且鐵素體數(shù)有差異的過(guò)渡層試塊來(lái)進(jìn)行表層堆焊工作。然后模擬不同熱處理工藝規(guī)范后，進(jìn)行堆焊層側(cè)彎試驗(yàn)。堆焊層不同焊接速度下的鐵素體數(shù)及彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)盡管調(diào)整了堆焊參數(shù)，使得表面鐵素體數(shù)大約為6.5左右，但是在不同時(shí)間的熱處理?xiàng)l件下，其堆焊層在側(cè)彎過(guò)程中依舊出現(xiàn)了開(kāi)裂。而且在相同溫度下保溫時(shí)間越長(zhǎng)的試樣出現(xiàn)裂紋的概率越大，裂紋的尺寸也越大。

2.2 金相組織及鐵素體的變化

試驗(yàn)人員對(duì)不同條件下的試樣進(jìn)行的組織分析，發(fā)現(xiàn)堆焊309MoL+316L焊態(tài)的金相組織與堆焊309L+347模擬最大焊后熱處理后的金相組織相似，而經(jīng)過(guò)熱處理后的309MoL+316L金相組織有明顯變化，其組織圖如圖2所示。

從表6中可以觀察到，模擬熱處理后，堆焊層的鐵素體形態(tài)發(fā)生了變化。對(duì)于模擬熱處理后的347堆焊層來(lái)講，其樹(shù)枝狀的鐵素體之間形成的環(huán)狀部分較多,對(duì)于未熱處理的316L堆焊層，其樹(shù)枝狀的鐵素體之間形成的環(huán)狀部分也較多，但是對(duì)于16 h模擬熱處理后的樹(shù)枝狀鐵素體之間相連部分較少，而32 h模擬熱處理后316L堆焊層的樹(shù)枝狀的鐵素體基本處于開(kāi)口狀態(tài)。

從圖2中反映出在Mo含量不大于0.5%的309L-347的微觀組織中鐵素體轉(zhuǎn)變較少，但是大于2.5%的高M(jìn)o含量的309MoL-316L微觀組織中鐵素體轉(zhuǎn)變較多。

表6 不同稀釋率情況下的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 不同熱處理?xiàng)l件下FCAW堆焊層的室溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)(DW-309MoL+DW316)Table 7 Tensile test data of FCAW surfacing layer at room temperature under different heat treatment conditions(DW-309MoL+DW316)

對(duì)經(jīng)過(guò)705℃±10℃×32 h和705℃±10℃×16 h后的309MoL-316L不銹鋼堆焊表層檢測(cè)出的鐵素體均較低，約為0.2FN～0.8FN之間，而經(jīng)過(guò)705℃±10℃×32 h后的309L-347堆焊表層鐵素體測(cè)量結(jié)果為2.5FN～3.5FN。從鐵素體的變化情況簡(jiǎn)單說(shuō)明了309MoL-316L不銹鋼堆焊層在模擬熱處理后，其鐵素體發(fā)生了轉(zhuǎn)化。

2.3 堆焊搭接的影響

從彎曲開(kāi)裂位置上分析，主要是以搭接處開(kāi)裂為主，帶極堆焊的彎曲試樣比自動(dòng)GTAW、焊條和藥芯焊絲堆焊彎曲試樣出現(xiàn)的裂紋要少。

隨著不銹鋼材料冶煉技術(shù)的發(fā)展和焊接材料用粉料的制備工藝改進(jìn)，現(xiàn)在不銹鋼材料本身由于S、P、Si等其他雜質(zhì)元素導(dǎo)致的焊接熱裂紋問(wèn)題幾乎很少發(fā)生，試樣堆焊完畢通過(guò)了100%UT和PT檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)人員認(rèn)為后道焊縫對(duì)前道焊縫搭接處的熱行為加劇了堆焊層鐵素體相的轉(zhuǎn)變，因此在搭接處出現(xiàn)裂紋的傾向性更大。

焊接過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)母材金屬和焊材局部進(jìn)行的熔化后凝固達(dá)到原子間的結(jié)合的過(guò)程。熔敷金屬中的鐵素體可以有效的阻止低熔點(diǎn)共晶物的生成和減少偏析程度，因而可防止熱裂紋的產(chǎn)生，顯著改進(jìn)焊接性。同時(shí)，鐵素體在焊縫中也有一定的負(fù)作用，一般在經(jīng)過(guò)600～850℃溫度下長(zhǎng)時(shí)間的熱處理，δ相鐵素體會(huì)析出σ相鐵素體，引起焊縫金屬的脆化，降低焊縫金屬的塑性，且隨著溫度的提高，δ相鐵素體析出σ相鐵素體的現(xiàn)象更嚴(yán)重。

3 FCAW不銹鋼藥芯焊絲堆焊

通過(guò)上述分析，只有控制316L中Mo含量，使得堆焊表層鐵素體含量在3%～8%之間，方可保證堆焊工藝評(píng)定的彎曲試驗(yàn)檢測(cè)合格。通過(guò)分析，仍然采用采購(gòu)的定制專用焊材，選擇不同稀釋率來(lái)進(jìn)行堆焊。

采用基層材料為2.25Cr-1Mo的試板處于平焊位置，使用過(guò)渡層不同的稀釋率來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。具體參數(shù)及彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)上述四種狀態(tài)的比較，只有第三種規(guī)范參數(shù)可作為堆焊焊接工藝評(píng)定的首選參數(shù)。

不同熱處理?xiàng)l件下FCAW堆焊層的室溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

通過(guò)表7分析，在705℃±10℃×16 h、705℃±10℃×32 h條件下，其熱處理后堆焊層的延伸率能夠滿足相應(yīng)的彎曲要求；705℃±10℃×24 h條件下，其熱處理后堆焊層的延伸率低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼平焊1層309MoL+2層316L的FCAW試驗(yàn)，其橫向彎曲試驗(yàn)合格，最終完成了FCAW堆焊工藝評(píng)定。

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)309MoL+316L的不銹鋼藥芯焊絲的堆焊試驗(yàn)及焊接工藝評(píng)定過(guò)程總結(jié)，在堆焊Mo超過(guò)2.5%的309MoL+316L時(shí)，為了控制好堆焊層的各項(xiàng)性能及堆焊質(zhì)量，只有通過(guò)調(diào)整過(guò)渡層堆焊時(shí)的稀釋率，來(lái)確保鐵素體控制在一定范圍內(nèi)，降低脆化相的產(chǎn)生，才能使得焊接工藝評(píng)定順利進(jìn)行，保證產(chǎn)品的安全運(yùn)行。