不銹鋼絞股焊絲MAG橫焊堆焊層組織與性能

(哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

加氫反應(yīng)器作為加氫裂化的核心設(shè)備，長期工作在高溫、高壓及腐蝕性環(huán)境中。為了保證其服役性能，必須要在加氫反應(yīng)器零部件內(nèi)壁堆焊耐蝕層[1-3]。對于加氫反應(yīng)器人孔及凸臺密封面來講，受零件尺寸及焊接位置的影響，其現(xiàn)有的堆焊工藝為：首先，采用ER309L不銹鋼藥芯焊絲橫焊堆焊厚度為3 mm的過渡層；然后，采用ER347L不銹鋼藥芯焊絲在過渡層的基礎(chǔ)之上堆焊厚度為3.5 mm的復(fù)層。由于受到熔池下淌等因素的影響，不銹鋼藥芯焊絲橫焊堆焊層極易產(chǎn)生夾渣缺陷。夾渣的存在增加了產(chǎn)品的返修工時與制造成本。

絞股焊絲作為近幾年來新興起的一種異形結(jié)構(gòu)焊絲，研究者通過理論研究和試驗驗證已經(jīng)證明了其具有熔敷效率高、稀釋率等特點(diǎn)[4-7]。上述特點(diǎn)使得絞股焊絲在應(yīng)用到堆焊時具有天然的優(yōu)勢。目前，針對絞股焊絲堆焊的研究均集中在平焊位置，對于不銹鋼絞股焊絲橫焊位置堆焊的相關(guān)試驗研究尚未展開。文中選用直徑φ1.6 mm的不銹鋼絞股焊絲來展開氣體保護(hù)橫焊堆焊工藝試驗，為后續(xù)不銹鋼絞股焊絲堆焊工藝的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料及方法

采用直徑φ1.6 mm的ER309L不銹鋼絞股焊絲堆焊厚度為3 mm的過渡層；然后，選用同直徑的ER347L不銹鋼絞股焊絲在過渡層基礎(chǔ)上堆焊厚度3.5 mm的復(fù)層。上述不銹鋼絞股焊絲由3根同直徑、同材質(zhì)的單絲捻制而成，其橫截面示意圖如圖1所示。表1與表2分別為ER309L不銹鋼絞股焊絲與ER347L不銹鋼絞股焊絲的化學(xué)成分，其化學(xué)成分滿足GB/T 29713—2013《不銹鋼焊絲和焊帶》標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

圖1 不銹鋼絞股焊絲橫截面

表1 ER309L絞股焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 ER347L絞股焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

橫焊堆焊所用焊接電源型號為麥格米特Artsen Plus 500D，電源極性為直流反接。焊槍與母材之間夾角如圖2所示。采用97.5%Ar+2.5%CO2混合氣體作為保護(hù)氣體;母材規(guī)格為300 mm×150 mm×20 mm,材質(zhì)為12Cr2Mo1R。試驗前清理試板表面油銹及氧化層，保證待焊表面的清潔度符合試驗要求。按照表3的工藝參數(shù)進(jìn)行橫焊堆焊工藝試驗。焊態(tài)下，對堆焊層表層鐵素體含量和化學(xué)成分進(jìn)行分析；焊后熱處理狀態(tài)下(690 ℃×8 h)對不銹鋼絞股焊絲橫焊堆焊層晶間腐蝕性能及側(cè)彎和硬度等理化性能進(jìn)行測試。

圖2 橫焊堆焊焊槍角度

表3 橫焊堆焊試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果

2.1 顯微組織分析

圖3為顯微組織圖。圖3a～3d依次為不銹鋼絞股焊絲橫焊堆焊層熔合線、熱影響區(qū)粗晶區(qū)、堆焊過渡層及復(fù)層的顯微組織。圖3a中可見，不銹鋼堆焊層與母材熔合線處冶金結(jié)合良好，熔合線較為平滑，堆焊層內(nèi)無夾雜、微裂紋等缺陷。圖3b所示為堆焊熱影響區(qū)過熱區(qū)組織形貌。過熱區(qū)組織為粒狀貝氏體與板條貝氏體，由于所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)峰值溫度很高，導(dǎo)致其晶粒尺寸稍有粗大。圖3c與圖3d分別為堆焊過渡層與堆焊復(fù)層的顯微組織，其形貌為奧氏體+δ鐵素體雙相組織。

圖3 顯微組織圖

2.2 鐵素體含量與化學(xué)成分

圖4為不銹鋼絞股焊絲橫焊堆焊層厚度分布示意圖。堆焊完成后，焊態(tài)下利用 FMP30 型鐵素體儀按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》標(biāo)準(zhǔn)測量堆焊層鐵素體含量。

圖4 不銹鋼絞股焊絲堆焊層示意圖

堆焊層化學(xué)元素取樣方法：先從堆焊層表面刨去2.5 mm，然后在距離表面2.5～3.0 mm范圍內(nèi)取樣。

堆焊表層鐵素體含量的測試結(jié)果見表4，其平均值為5 FN，滿足堆焊層鐵素體數(shù)3～8 FN的工程指標(biāo)。表5為堆焊層表面熔敷金屬化學(xué)成分分析結(jié)果，各化學(xué)元素實際測量值滿足工程要求。

表4 堆焊層表面鐵素體含量 FN

表5 堆焊層表面熔敷化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3 晶間腐蝕

按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)E法完成了硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗來檢測堆焊層耐晶間腐蝕腐蝕性。試樣尺寸為80 mm×25 mm×2 mm，取樣方式為先刨去堆焊層表面0.5 mm，然后線切割取樣，磨床磨削試樣表面。后在加有銅屑的硫酸-硫酸銅溶液中微沸狀態(tài)下連續(xù)試驗 16 h，然后以3倍壓頭做雙向彎曲試驗。圖5為經(jīng)過晶間腐蝕試驗之后的試樣，借助于10倍放大鏡觀察晶間腐蝕試樣表面部分，表面未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖5 橫焊堆焊晶間腐蝕試樣

2.4 堆焊層力學(xué)性能分析

按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)從不銹鋼絞股焊絲橫焊堆焊試板中取橫向大、小側(cè)彎試樣。壓頭直徑為板厚4倍，彎曲角度180°。圖6為不銹鋼絞股焊絲橫焊堆焊層側(cè)彎試驗結(jié)果，大、小側(cè)彎試樣在彎曲后均未產(chǎn)生裂紋缺陷。

圖6 側(cè)彎試驗

硬度是評價材料性能的重要指標(biāo)之一，也是程中常用的一種快速質(zhì)量評價手段。按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)對橫焊堆焊層、熔合線及基體材料的維氏硬度值進(jìn)行分析。表6為橫焊堆焊層硬度值的分析結(jié)果，硬度最大值出現(xiàn)在熱影響區(qū)。整個堆焊層的硬度均低于參考值248 HV10。

表6 橫焊堆層硬度分析HV10

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3 結(jié)論

不銹鋼絞股焊絲橫焊堆焊層組織為奧氏體+δ鐵素體雙相組織。 通過對不銹鋼絞股焊絲堆焊層鐵素體含量、化學(xué)成分、硬度、側(cè)彎以及晶間腐蝕試驗等理化性能進(jìn)行檢測，各性能均滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，可以進(jìn)行工程應(yīng)用。