張江楠，胡 冰，任 鶴，張思宇

（1.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.沈陽鼓風機集團核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110869）

近年來，隨著離心壓縮機市場的發(fā)展和產(chǎn)品種類逐漸增加，各種耐腐蝕環(huán)境的工況逐漸增多。特別是隨著海外市場產(chǎn)品的增多，因出口項目選材為ASME材料，在遇到含硫化氫工況的機型時，與硫化氫接觸過流部件如筒體、端蓋、法蘭、隔板等均需要考慮防腐。設(shè)計方案一般是采用堆焊耐腐蝕層來實現(xiàn)防腐要求，堆焊層多選用奧氏體不銹鋼。因為奧氏體不銹鋼中鎳元素可有效防止硫化氫等腐蝕性介質(zhì)引起的應(yīng)力腐蝕開裂。鉻具有較強的抗氧化能力，在惡劣的腐蝕環(huán)境中具有良好的抗縫隙腐蝕和點蝕性能[1]。因此，針對出口項目機殼所選用的ASME材料的奧氏體堆焊工藝研究顯得很有必要。本項目針對日益增多的出口項目，通過幾種不同的焊接方法的堆焊工藝研究，從而實現(xiàn)防腐堆焊要求的零部件，實現(xiàn)出口產(chǎn)品機殼的防腐要求。

1 試驗材料與方法

試驗?zāi)覆臑锳STM A266 Grade2，滿足ASTM A266標準，其化學成分及力學性能見表1，按其成分分類為低合金鋼，碳當量為0.43，焊接性較好，但有裂紋傾向，焊接時要通過工藝手段加以控制。為了滿足其在使用工況中耐腐蝕的要求，選用了埋弧焊堆焊奧氏體不銹鋼304材料的方法，分兩層進行焊接，過渡層焊接材料為ER309焊絲，復(fù)層為ER308焊絲，分別滿足AWS A5.9 ER309和AWS A5.9 ER308標準，規(guī)格ф3.2mm，其化學成分見表2。焊劑均為SJ304。

表1 ASTM A266 Grade2鋼的化學成分及力學性能

2 焊接及熱處理工藝

本試驗選用的焊接試板尺寸為300X200X25mm3，采用水平位置焊接。試板焊接示意圖見圖1。焊接試板表面采用加工方式去除氧化皮，焊接前用酒精擦拭，有效清潔并去除測試板表面上的油污和其他雜物。采用埋弧焊（SAW）方法，首先焊接一層過渡層，多道焊接，壓道量小于1/3焊道寬度[2]。過渡層焊后，采用加工方式加工過渡層焊縫表面高點，保證焊縫高度在2mm～2.5mm，然后在過渡層焊縫的表面進行液體滲透劑測試（PT），并在合格后進行覆層堆焊。覆層的技術(shù)要求與過渡層的要求一致，復(fù)層堆焊后的焊縫總高度為5mm。

圖1 試板焊接示意圖

由于ASTM A266 Grade II屬于低合金鋼，焊接此類低合金鋼，預(yù)熱可以有效降低裂紋傾向，特別是焊接過渡層時，母材和焊材的成分差別很大，適當預(yù)熱可以有效避免裂紋，預(yù)熱溫度不宜過高，否則會導(dǎo)致奧氏體不銹鋼焊接過程中出現(xiàn)熱裂紋。預(yù)熱溫度為80℃。奧氏體不銹鋼浮出水面，一個較小的焊接線能量2應(yīng)該選擇和應(yīng)嚴格控制層間溫度。如果層間溫度太高，奧氏體顆粒變粗，將形成鐵素體和耐腐蝕性能將會降低。在焊接過程中，應(yīng)當嚴格控制層間溫度低于150℃。此外，在焊接操作技術(shù)，要注意正確的路和路之間的重疊，否則，裂紋和其它缺陷很容易出現(xiàn)在重疊的部分。由于低導(dǎo)熱系數(shù)、高的線性膨脹系數(shù)不銹鋼、不銹鋼焊后的殘余應(yīng)力大，這可能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。為減少焊后應(yīng)力對焊接質(zhì)量的影響，在過渡層焊接后進行焊后應(yīng)力消除熱處理。當奧氏體不銹鋼保持在（450～850）℃的溫度范圍內(nèi)或緩慢冷卻時，就會發(fā)生晶間腐蝕。因此，需要降低熱處理溫度為（410～430）℃，保溫時間4h～5h。

表2 焊絲的化學成分(w%)

表3 試驗焊接工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過焊接工藝試驗后，對堆焊試板表面進行了液體滲透檢測（PT），檢測結(jié)果表明，堆焊層無缺陷。下面將從力學性能、化學成分和微觀組織三個方面進行分析。

3.1 力學性能試驗結(jié)果分析

通過彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，四個側(cè)彎試樣180°側(cè)彎試驗均合格，結(jié)果表明，試驗中選擇的焊接工藝更為合適，可以滿足堆焊的使用要求。應(yīng)對焊縫，接縫表面，賤金屬和其他零件進行硬度測試。測試結(jié)果見表4，硬度測試結(jié)果。其中焊縫硬度平均值為182HBW，滿足使用標準。焊縫和熱影響區(qū)的硬度略高于母材，但滿足酸性環(huán)境下低合金鋼的NACE mr0175標準要求。

表4 焊接接頭的力學性能數(shù)據(jù)

3.2 堆焊層化學成分試驗結(jié)果分析

采用光譜分析法對堆焊層化學成分進行分析，分析結(jié)果見表5。其中Cr元素含量19.49，Ni含量為10.66，均滿足標準要求。Cr能增加鋼的電極電位矩陣，然后提高鋼的抗電化學腐蝕。鉻元素添加到鋼可以形成一個穩(wěn)定的、完整的和緊湊的鋼鐵表面的鈍化膜，從而提高鋼的耐腐蝕性能，是主要的耐蝕性元素。Ni是一種奧氏體形成元素，它可以穩(wěn)定奧氏體，擴大奧氏體相區(qū)和降低奧氏體的形成。Ni元素還可以提高奧氏體不銹鋼的韌性，并且降低奧氏體不銹鋼的加工硬化傾向。由于母材基底是低合金鋼，其Cr、Ni含量較低，因此試驗中過渡層選擇的Cr、Ni含量較高的ER309焊材，彌補了因為母材成分帶來的影響，從而使堆焊層表面化學成分滿足使用要求。

表5 堆焊層化學成分（w%）

3.3 焊接接頭組織分析

金相試樣用馬氏試劑溶液腐蝕后，觀察焊縫和熱影響區(qū)的顯微組織。圖2（a）（b）分別為ASTM A266鋼焊縫和結(jié)合面的金相組織。由圖2（a）可以看出焊縫的組織為奧氏體，組織均勻。在奧氏體基體上分布著呈鐵素體狀的帶狀，呈枝狀。鐵氧體的形狀取決于冷卻速度，鐵素體的存在可以有效提高焊縫的抗熱裂性，有利于焊縫的力學性能。這與試驗控制焊接線能量有關(guān)，選擇小的線能量對焊縫的綜合性能均有好處。圖2（b）堆焊層結(jié)合面處組織為奧氏體+鐵素體，鐵素體呈網(wǎng)狀分布在奧氏體上，可以看出明顯的融合邊界，可以看出兩種材質(zhì)間的冶金結(jié)合很充分。在熔合區(qū)的鐵素體方向和堆焊層焊縫處不一致，這是由于熔合區(qū)的加熱速度快，奧氏體晶界合金元素偏析，鐵素體在奧氏體晶界處形核生長，產(chǎn)生了位相差異。

圖2 ASTM A266鋼焊縫金相組織

4 結(jié)論

ASTM A266鋼采用埋弧焊堆焊奧氏體不銹鋼304層，堆焊層硬度平均值為180HBW，側(cè)向180°彎曲合格。采用埋弧焊方法，ER309焊絲堆焊過渡層，ER308焊絲堆焊復(fù)層的ASTM A266鋼堆焊層表面的化學成分滿足使用要求。