帶極埋弧堆焊EQ309L的焊接工藝和接頭性能

刁旺戰，馬鳴，劉海，歐海燕

(哈爾濱鍋爐廠有限公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046)

摘要：為了研究堆焊單一E309L熔敷金屬的焊接工藝和接頭性能，採用埋弧焊(SAW)在14Cr1MoR基體上堆焊一層EQ309L焊帶，焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入和採用有效的消應力退火熱處理制度，保證堆焊層順利通過無損檢測以及彎曲、化學、鐵素體數量、硬度試驗、金相組織分析和晶間腐蝕等理化性能檢測。結果表明,採用埋弧焊(SAW)堆焊單層EQ309L時堆焊層的塑韌性能滿足要求，晶間腐蝕試驗合格，可以用在壓力容器的表面堆焊中。

關鍵詞：帶極埋弧堆焊；E309L；接頭性能

很多石化容器、核能設備等厚壁壓力容器由於在高溫、高壓的環境下運行，同時還受介質的腐蝕作用，一般從成本等方面考慮設計要求在容器內壁堆焊不鏽鋼復層。根據腐蝕介質的工作溫度和腐蝕特性以及抗裂因素，常見的不鏽鋼復層搭配有309L/308L、309L/316L和309L/347，其中堆焊首層309L主要是為了在基體與面層之間形成高韌性的過渡層，防止表面裂紋向母材擴展，同時為了補償由於基材稀釋所引起的合金元素(Cr、Ni)降低，使復層焊縫的合金成分保持應有的水平。而面層308L、316L和347主要是起到防止腐蝕的作用。而某石化容器產品的設計僅要求在14Cr1MoR的殼體內表面堆焊厚度不小於3 mm的309L堆焊層，這種設計要求在以往的容器產品中十分少見。

與焊條電弧焊和熔化極氣體保護焊相比，帶極埋弧焊由於其熔敷效率高、焊縫質量好，稀釋率低，焊道表面平整光滑等優點，可以不經過機械加工而直接使用，且焊縫與母材結合處不易產生焊接缺陷和焊接質量問題[1，2]，是壓力容器內表面堆焊的優化選擇。

文中採用埋弧焊在14Cr1MoR母材表面堆焊單層EQ309L不鏽鋼焊帶，對焊接工藝、堆焊層彎曲性能、表面化學成分、硬度、金相組織、晶間腐蝕等接頭力學性能和理化性能展開了研究，以獲得壓力容器表面堆焊的成熟工藝。

1.1 試驗材料

試驗中採用的基體材料為按照GB713—2014標準採購的14Cr1MoR鋼板，尺寸為600 mm×300 mm×50 mm，供貨狀態為正火加回火熱處理狀態，其化學成分見表1。焊接材料採用表2列出的由安泰公司提供的規格為60 mm×0.5 mm，牌號為AT-D309L的焊帶及WEL公司提供的WEL-BNDF-8焊劑，焊帶的成分和性能滿足ASME SFA 5.9的規定。

表1 14Cr1MoR鋼的化學成分(質量分數，%)

項目CMnSiPSCrNiCuMoFeGB713—2014≤0．170．40～0．650．50～0．80≤0．02≤0．011．15～1．50≤0．30≤0．300．45～0．65餘量實測值0．150．490．550．0070．0031．330．190．020．48餘量

表2 AT-D309L焊帶的的化學成分(質量分數，%)

項目CMnSiPSCrNiCuMoFeASMESFA5．9≤0．031．0～2．50．30～0．65≤0．03≤0．0323．0～25．012．0～14．0≤0．75≤0．75餘量實測值0．0252．040．410．020．0123．1412．900．010．05餘量

1.2 焊接方法及工藝參數

焊接時採用的焊接方法為埋弧焊(SAW)，焊前需要對堆焊表面採用砂輪及丙酮等方法去除氧化皮、油污等污物。焊接時堆焊一層就可達到不小於3 mm的堆焊厚度要求，堆焊的示意圖如圖1所示。

圖1 堆焊示意圖

試驗的焊接工藝參數、預熱溫度、層間溫度如表3所示，焊接時採用較小的焊接電流及焊接速度一方面可以控制堆焊層的厚度，另一方面較小的焊接熱輸入可以減少稀釋率，降低堆焊層鐵素體含量，焊後去應力退火熱處理時間至少考慮製造、製造返修及用戶返修共計3次的熱處理，通過計算最終制定為665 ℃×20 h。焊接過程中應嚴格控制層間溫度：因為較低的預熱及層間溫度有利於減弱不鏽鋼焊層δ→σ脆性相的轉變傾向、防止晶間腐蝕發生，同時有利於防止堆焊層金屬微裂紋的發生。焊接過程中關鍵的參數還有導電嘴距工件的距離為35～40 mm，壓道量為7～8 mm。

表3 埋弧焊工藝參數

焊接電流I/A電弧電壓U/V焊接速度v/(cm·min-1)最大熱輸入E/(kJ·cm-1)預熱溫度T預/℃層間溫度T層/℃825～87526～2716～16．598．0≥120120～250

用肉眼觀察，堆焊層表面無裂紋、氣孔、夾渣、咬邊缺陷。根據JB/T 4730標準對堆焊層表面進行100%PT+100%UT檢驗，檢測結果為Ⅰ級合格。對合格的焊接接頭按照NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》標準中有關耐蝕層堆焊工藝評定的規則進行力學性能、化學成分等檢測。

2.1 不鏽鋼堆焊層高度

焊後對堆焊高度進行測量，堆焊的高度為3.3～4.0 mm，堆焊層的厚度滿足要求。

2.2 不鏽鋼堆焊層的化學成分分析

試驗中對距離母材表面3 mm堆焊層進行化學成分測定，結果如表4所示，根據表4測試的結果，分別用式(1)、式(2)計算其相應的Ni當量、Cr當量，並根據WRC-1992圖來估算堆焊層的鐵素體數量為7.2。採用磁性鐵素體儀對相同位置進行測量，10個點的平均鐵素體數量為8.7。試驗結果表明採用WRC-1992圖計算和磁性鐵素體儀測量的鐵素體含量存在一定差別的。

Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu

(1)

Creq=C+Mo+0.7Nb

(2)

表4 堆焊層合金成分測試(質量分數，%)

CMnSiPSCrNiCuMoN0．061．650．410．0150．00420．9710．980．0010．110．03

一般而言，堆焊層中的鐵素體一般控制在4%～12%[3]，δ相鐵素體的有利作用一方面為可打亂單一奧氏體柱狀晶的方向性，避免形成連續的貧Cr層；另一方面δ相鐵素體富Cr，有良好的供Cr條件，可以減少γ晶粒形成貧Cr層。由此減少了晶間碳化物沉澱的可能性，提高不鏽鋼焊縫抗晶間腐蝕的能力。同時奧氏體不鏽鋼焊縫少量的δ相鐵素體的存在對於降低焊縫金屬中裂紋和微裂紋是有好處的，會降低焊縫金屬的裂紋敏感性，同時提高焊縫的強度[4]。但在低溫退火或長時間高溫條件下，δ鐵素體容易轉變為σ相，它與堆焊層中出現的馬氏體組織都是脆化相，會降低堆焊層的衝擊韌性及其抗腐蝕能力。單層堆焊EQ309L時鐵素體數量採用WRC-1992圖計算和磁性鐵素體儀測量的鐵素體含量存在一定差別的，但數值都低於12，鐵素體含量處在合理的範圍內。

2.3 不鏽鋼堆焊層的彎曲試驗

按照NB/T47014-2011標準沿垂直於堆焊方向切取4個試樣做橫向側彎試驗，彎曲條件為：d=40 mm，180°，彎曲結果完好，在4個試樣拉伸面上的基層、堆焊層及熔合線上均未發現缺陷，彎曲後的試樣如圖2所示，試驗結果表明採用小的焊接熱輸入且熱處理保溫時間短的焊接工藝能夠保證堆焊接頭具有良好的塑韌性。

由於單層埋弧焊堆焊時稀釋率較大，熔合線附近發生C，Cr等元素的擴散和遷移，這會形成脆性碳化鉻析出層，隨著焊後去應力退火熱處理溫度的提高和保溫時間的延長，C擴散遷移層範圍變大，堆焊層脆硬組織增多，這是彎曲試驗時容易產生裂紋的一個誘發因素。同時焊後經長時間熱處理過程，加劇了鐵素體δ→σ脆性相的轉變傾向，σ相(FeCr金屬間化合物)硬而脆，分布在晶界，不僅使焊縫衝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焊縫增C的影響，有利於減少堆焊層脆性相，從而提高焊縫塑韌性，避免理化試驗時堆焊層側彎裂紋產生。

圖2 側彎試樣

2.4 不鏽鋼堆焊層的硬度試驗

焊接接頭的硬度檢測結果如圖3所示，由曲線圖可知，熱影響區由於受焊接熱源的影響晶粒度長大，硬度要大於母材的硬度，焊縫由於其組織為奧氏體，硬度處在170～180HV10之間，另外母材、熱影響區及堆焊層的硬度都不大於225HV10，硬度處於合理的範圍內，可以保證堆焊層具有良好的韌性。

圖3 硬度試驗結果

2.5 不鏽鋼堆焊層的金相試驗

採用光學顯微鏡對母材、熱影響區和堆焊層的微觀組織進行觀察，未發現焊接缺陷，如圖4～圖6所示，由圖可見母材組織為貝氏體，熱影響區組織也為貝氏體，但由於受焊接熱源的影響，熱影響區的晶粒存在長大的現象，在堆焊層與母材的交界處(即熔合區)靠母材一側有深度不一的脫碳層，而靠堆焊層一側則有增碳區和鉻的稀釋帶。焊縫組織形態為枝狀晶組織，金相組織為γ奧氏體+δ鐵素體，其中黑色為δ鐵素體相，沿柱狀晶方向生長，灰白色為γ奧氏體基體，δ鐵素體為骨架狀和板條狀。

圖4 母材金相組織

圖5 熱影響區金相組織

圖6 堆焊層金相組織

2.6 不鏽鋼堆焊層的晶間腐蝕試驗

按照GB/T4334.5—2000《不鏽鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》要求進行晶間腐蝕試驗，所取試樣規格為：80 mm×20 mm×3 mm，其中有一塊為不經過敏化處理的對比樣，其它兩塊為經過敏化處理(650 ℃/2 h)的試樣。試驗結果如圖7所示，試驗結果無晶間腐蝕裂紋，試驗合格。

圖7 晶間腐蝕試樣

(1)通過焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入和焊後制定有效的消應力退火熱處理制度，採用埋弧焊(SAW)在14Cr1MoR基體上堆焊單層EQ309L不鏽鋼材料的方案是可行的，可以獲得塑韌性合格的堆焊層。

(2)堆焊單層EQ309L不鏽鋼材料時，堆焊層的鐵素體含量處在合理的範圍內，晶間腐蝕試驗合格，試驗結果表明此種堆焊工藝可以應用在壓力容器的表面堆焊中。

參考文獻：

[1] 賴乾尚,蔣延中.自動帶極堆焊機在核電設備製造中的應用[J].電焊機，2009，39(8):9-22.

[2] Martin Kubenka，Gabriellf，Galazzi，Solveig Rigdal.帶極堆焊技術的應用[J].電焊機,2010,40(8):59-63.

[3] 張文鉞,周振豐.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京:機械工業出版社，1987：166-174.

[4] Brooks J A, Thompson A W, Williams J C．A fundamental study of the beneficial effects of delta ferrite in reducing weld cracking[J]. Welding Journal, 1984，63(3):71-83.

刁旺戰簡介： 1985年出生，碩士，工程師；主要從事電站鍋爐及壓力容器的焊接工藝研究工作。

Study on welding process and joint properties of surfacing EQ309L by band elctrode submerged arc welding

Diao Wangzhan, Ma Ming, Liu Hai, Ou Haiyan

(State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-fired Utility Boilers,Harbin Boiler Company Limited ,Harbin 150046, China.)

Abstract：In order to study the welding process and mechanical properties of surfacing welding E309L, surfacing one layer EQ309L strip electrode on 14Cr1MoR base metal using the submerged arc welding(SAW), strictly control the welding heat input and adopt effective post weld heat treatment time in the welding process. The above measures ensure that the results of nondestructive examination, bending, chemical composition tests, hardness tests, metallographic examination and intergranular corrosion test are qualified. The test results show that the plasticity and ductility of surfacing one layer EQ309L strip electrode using the SAW meet the requirements, the results of intergranular corrosion test are qualified, the welding process could be applied in the surfacing welding of pressure vessel.

Key words：band electrode submerged arc surfacing；E309L；mechanical properties

中圖分類號：TG 455

收稿日期：2016-02-04

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