不同堆焊方法組合堆焊層組織性能研究

王金亮，張世健，付駿豪，羅煒聰，柳勇發(fā)，習小慧

(1 廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鐵廠，山東 濟南 271104)

加氫反應器是煉油廠加氫裝置的關鍵設備，它工作在高溫、高壓、臨氫及硫化氫腐蝕環(huán)境下，為保證其在服役條件下可靠運行，內(nèi)壁必須堆焊不銹鋼耐蝕層[1-2]。目前，國內(nèi)外多采用TP.309L型焊材作為過渡層，TP.347型焊材作為耐蝕層[3-4]，且這兩層均采用同種堆焊方法進行堆焊，而在實際生產(chǎn)過程中，有些器件的特殊位置無法進行雙層帶極堆焊，只能使用氣保焊進行雙層堆焊，這大大降低了生產(chǎn)效率。采用異種堆焊方法的組合堆焊能有效解決上述問題，然而，截止目前采用異種堆焊方法進行組合堆焊還未見報道，堆焊后的堆焊層組織性能是否能滿足加氫反應器的制造要求還尚不可知。對此，本文探究了帶極堆焊與藥心氣保焊組合堆焊的工藝性及焊后堆焊層的組織性能。

1 試驗材料

本次試驗所用母材為加氫反應器用2.25Cr-1Mo鋼(規(guī)格：50 mm×200 mm×200 mm)，其化學成分如表1所示。

表1 2.25Cr-1Mo鋼化學成分Table 1 Chemical component of 2.25Cr-1Mo steel (wt%)

試驗所用堆焊材料為WEL ESS 309SJ(0.4×50)不銹鋼焊帶和WEL FCW 347LT(Φ1.6)不銹鋼藥芯焊絲，其未稀釋化學成分如表2所示。

表2 焊材未稀釋化學成分Table 2 Chemical component of welding material (wt%)

2 試驗方法及過程

2.1 焊接方法

本次試驗采用帶極電渣堆焊與熔化極氣體保護焊組合堆焊方法進行不銹鋼雙層堆焊試驗，具體是首層采用帶極電渣堆焊，面層采用熔化極氣體保護焊。

2.2 焊接工藝參數(shù)

本次試驗所用的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameter

2.3 試驗過程

本次試驗的工藝流程如下：下料、打磨、MT、預熱、帶極堆焊309L、緩冷、打磨、PT、氣保堆焊347、打磨、PT和UT、Max.PWHT、性能測試。注：Max.PWHT規(guī)范：(690±14)℃×32 h。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 化學成分及鐵素體含量分析

對焊后試件進行化學成分檢測，檢測位置在堆焊層表面下3～3.5 mm，檢測結(jié)果如表4所示。

表4 堆焊層的化學成分Table 4 Chemical component of welding layer (wt%)

由表4可知，帶極+氣保組合堆焊層的化學成分滿足雙層堆焊(E309L+E347)加氫反應器堆焊層的制造要求。

對焊后試件堆焊層的鐵素體含量進行檢測[6]，測量結(jié)果如表5所示，同時表5還給出了帶極堆焊和氣保堆焊堆焊層的鐵素體含量。

表5 堆焊層鐵素體含量Table 5 Ferrite content in surfacing layer

從表6可知，組合堆焊層的鐵素體數(shù)在3～10FN范圍內(nèi)，滿足加氫反應器堆焊層的制造要求，對比表中數(shù)據(jù)可知，帶極堆焊層鐵素體數(shù)最高，氣保堆焊層次之，組合堆焊層最小。

3.2 硬度分析

使用450SVD維氏硬度計對堆焊層橫截面進行硬度測試，試驗載荷為10 kgf，載荷加載時間為10 s，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 試件橫截面硬度值Fig.1 Hardness value of specimen cross section

從圖1可知，帶極+氣保組合堆焊層橫截面的硬度值均小于210 HV10，滿足加氫反應器堆焊層的制造要求。對比圖中曲線可知，帶極+氣保組合堆焊層母材和熱影響區(qū)的硬度相對較高，而TP.347層硬度相對較低。熱影響區(qū)硬度值高是由于其晶粒粗大，脆性增大，致使其硬度值增大。TP.347層硬度值低是由于其晶粒細小，韌性相對較好，致使其硬度值小。

3.3 彎曲性能分析

使用電子萬能試驗機進行彎曲試驗，試驗參數(shù)及合格指標如表6所示，試驗結(jié)果如圖2所示。

表6 彎曲試驗條件及合格指標Table 6 Test conditions and acceptable index of bend

圖2 彎曲試樣Fig.2 The sample after bending

從圖2可以看出，大小側(cè)彎試樣均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，說明組合堆焊層韌性良好，滿足加氫反應器堆焊層的制造要求。

3.4 抗晶間腐蝕性能分析

對帶極+氣保組合堆焊層進行晶間腐蝕試驗[7]，試驗參數(shù)及合格指標如表7所示，試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，腐蝕試樣未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋，說明組合堆焊層具有良好的抗晶間腐蝕性能，滿足加氫反應器堆焊層的制造要求。

表7 晶間腐蝕試驗條件及合格指標Table 7 Test conditions and acceptable index of intergranular corrosion

圖3 晶間腐蝕試樣Fig.3 The sample of intergranular corrosion

4 結(jié) 論

通過在2.25Cr-1Mo鋼上采用帶極電渣焊與藥芯氣保焊組合堆焊方法進行雙層堆焊，并對得到的組合堆焊層進行試驗分析，得出以下結(jié)論：

(1)帶極+氣保組合堆焊層化學成分滿足加氫反應器堆焊層的制造要求，但其C含量偏高，達到技術要求上限，Nb+Ta含量偏低，接近技術要求下限。

(2)帯極+氣保組合堆焊層TP.309L和TP.347的金相組織均為奧氏體+鐵素體，滿足加氫反應器堆焊層的制造要求。

(3)帯極+氣保組合堆焊層鐵素體含量約為3.8FN，滿足加氫反應器堆焊層的制造要求。

(4)帯極+氣保組合堆焊層的硬度值均小于210HV10，滿足加氫反應器堆焊層的制造要求。

(5)帯極+氣保組合堆焊層具有良好的彎曲性能和抗晶間腐蝕性能。