王 純，賈小斌，馮 偉，杜金濤，王志剛，張建曉

(1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司,哈爾濱 150028;2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司,蘭州 730314;3.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730314)

0 引言

隨著石化行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大及原油品質(zhì)的下降，雙相不銹鋼開始逐步應(yīng)用于壓力容器的制造。雙相不銹鋼的金相組織為鐵素體相α+奧氏體相γ，該類型鋼既擁有奧氏體不銹鋼韌性及焊接性較好的優(yōu)點(diǎn)；又因鐵素體相的存在而具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和耐氯離子腐蝕的特點(diǎn)[1-2]。雙相不銹鋼自20世紀(jì)30年代開發(fā)以來，已發(fā)展到第三代，第三代雙相不銹鋼的代表為SAF2507(稱為超級雙相不銹鋼，DSS)，其抗點(diǎn)蝕指數(shù)(PRE)值能達(dá)到40，具有較強(qiáng)的耐氯化物腐蝕能力[3-4]。近年來，UNS S32707作為最新一代的雙相不銹鋼開始應(yīng)用于產(chǎn)品的制造中，其奧氏體相與鐵素體相接近1∶1，PRE值接近50，稱為特超級雙相不銹鋼(HDSS)。UNS S32707具有極優(yōu)的耐腐蝕性能，且力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于一般奧氏體不銹鋼及鎳基合金，在特定環(huán)境下可以代替某些鎳基合金，從而降低設(shè)備制造成本[5-6]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)已有較多文獻(xiàn)報道了對UNS S32707特超級雙相不銹鋼的性能研究及產(chǎn)品制造[7]，但尚無對該種材料堆焊試驗(yàn)的報道。在壓力容器的制造中，對某些較小部件要進(jìn)行耐腐蝕、耐磨層的堆焊[8]，熱絲TIG是在傳統(tǒng)TIG基礎(chǔ)上，焊絲在進(jìn)入熔池前，開始由加熱電源通過導(dǎo)電塊對其通電，依靠電阻熱將焊絲加熱至預(yù)定溫度，減小了焊接熔池從電弧中輸入的熱量，使得熔敷效率有了較大的提高[9-10]。因此，研究熱絲TIG堆焊UNS S32707特超級雙相不銹鋼工藝及其堆焊層性能對該類材料在壓力容器中的應(yīng)用具有重要的意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

堆焊試驗(yàn)?zāi)覆臑?2Cr2Mo1R，板材為正火+回火熱處理，規(guī)格為40 mm(厚度)×300 mm×300 mm；焊接前對待堆焊面進(jìn)行打磨，清除表面油污，并進(jìn)行磁粉檢測(MT)確認(rèn)無缺陷后堆焊;第1層堆焊前對母材試板進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥150 ℃。焊接材料選用某公司27.7.5L(?1.2 mm)，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 焊接材料27.7.5L化學(xué)成分

特超級雙相不銹鋼中N為重要元素之一，對雙相不銹鋼中兩相比例、γ相耐腐蝕性都有重要的作用[11-12]；雖然焊絲中含有一定量的N元素，但在焊接過程中容易發(fā)生N元素的燒損，所以在UNS S32707特超級雙相不銹鋼的堆焊試驗(yàn)中，如何保證堆焊層中N元素是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。在進(jìn)行熱絲TIG自動堆焊之前，為驗(yàn)證混合氣中N2含量最佳比例，先采用手工TIG堆焊試驗(yàn)，選用不同N2含量的混合氣體進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，測量熔敷金屬N元素含量，結(jié)果表明，純Ar保護(hù)焊接時N元素含量最低值為0.2%，Ar(98%)+N2(2%)混合氣體保護(hù)焊接時N元素含量可以控制在0.3%～0.5%之間，在熱絲TIG堆焊時采用Ar(98%)+N2(2%)配比混合氣。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)制定熱絲TIG堆焊特超級雙相不銹鋼焊接工藝如表2所示，奧氏體不銹鋼309MoL為過渡層，厚度2～2.5 mm。

表2 熱絲TIG堆焊UNS S32707焊接規(guī)范

嚴(yán)格按照表2的焊接規(guī)范，控制堆焊過程中的搭接量、焊槍角度進(jìn)行焊接，堆焊層外觀美觀、平整度較好，熱絲TIG堆焊層外觀如圖1所示。

圖1 熱絲TIG堆焊層形貌 Fig.1 Hot wire TIG surfacing layer morphology

根據(jù)NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》及NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》，對堆焊完成的試板進(jìn)行檢測，無缺陷。根據(jù)GB/T 150.4—2011《壓力容器 第4部分:制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》8.2中的規(guī)定，一般在鉻鉬耐熱鋼上進(jìn)行堆焊之后需要進(jìn)行焊后熱處理[13]，本次試驗(yàn)在堆焊完過渡層之后進(jìn)行退火熱處理。熱處理參數(shù)如表3所示。

表3 熱處理工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分

根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，對堆焊層熔覆金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，取樣位置在表層3 mm位置處，表層化學(xué)成分如表4所示。

表4 表層熔敷金屬化學(xué)成分

從表4可以看出，表層熔敷金屬化學(xué)成分符合ASME Ⅱ卷A篇SA-789《一般用途無縫和焊接鐵素體/奧氏體不銹鋼管子》對化學(xué)成分的規(guī)定，說明在選用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體、嚴(yán)格執(zhí)行焊接規(guī)范的情況下，熱絲TIG堆焊27.7.5L可得到N含量合格的堆焊層。將上述實(shí)測化學(xué)成分代入點(diǎn)蝕指數(shù)計算公式：PRE=Cr%+3.3×Mo%+16×N%，得到堆焊層PRE=48.2。

2.2 堆焊層力學(xué)性能

對堆焊層進(jìn)行了大小側(cè)彎測試、熔合面剪切強(qiáng)度測試，試驗(yàn)結(jié)果：其中側(cè)彎試樣尺寸分別為40 mm+堆焊層×10(大側(cè)彎)、40 mm+堆焊層×3(小側(cè)彎)，彎曲直徑分別為40,12 mm，彎曲角度180°，8件側(cè)彎在彎曲之后未發(fā)現(xiàn)≥3 mm的裂紋，說明堆焊層塑性較好。堆焊層熔合面剪切強(qiáng)度分別為569,580 MPa，該值遠(yuǎn)大于GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》及制造技術(shù)條件中規(guī)定的值200～210 MPa。

2.3 堆焊層金相性能

從堆焊試板上制取一塊試樣，對截面進(jìn)行腐蝕，以便區(qū)分過渡層及表層、母材進(jìn)行硬度測試，其中表層測試位置為截面+表面；測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 堆焊層接頭硬度值 Fig.2 Hardness value of surfacing layer joint

從圖2可以看出，UNS S32707特超級雙相不銹鋼堆焊層硬度值遠(yuǎn)高于奧氏體不銹鋼堆焊層硬度，這與其強(qiáng)度值較高相匹配。特超級雙相不銹鋼表層硬度值高于過渡層奧氏體不銹鋼堆焊層的原因是金相組織的不同。

圖3示出堆焊層表層的金相組織?？梢钥闯?，表層為奧氏體+鐵素體雙相組織，鐵素體占據(jù)較大比例，約占50%。焊接雙相不銹鋼時鐵素體與奧氏體的相比例是較為重視的問題，試驗(yàn)中采用金相法與磁性法分析。磁性法中，鐵素體檢測儀型號FMP30，引用檢測標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》；金相法測定鐵素體含量標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13305—2008《不銹鋼中α-相面積含量金相測定法》。

圖3 堆焊層表層金相組織 Fig.3 Surface metallographic structure of surfacing layer

用AWS A4.2校準(zhǔn)過的鐵素體磁性測定儀測量堆焊表層鐵素體數(shù)FN，結(jié)果如圖4所示。

圖4 表層鐵素體數(shù)(FN) Tab.4 Number content of surface ferrite (FN)

選擇表層6處位置進(jìn)行鐵素體數(shù)測量，結(jié)果為52.1,53.2,50.2,49.6,51.4,49.1，鐵素體數(shù)均值為50.9。表層中奧氏體相與鐵素體相接近1∶1，與圖3中表層微觀金相組織相符合。

2.4 堆焊層耐腐蝕性能

對堆焊層表層金屬進(jìn)行取樣，并進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)、點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4334.5—2000《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》、ASTM G48—2011《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點(diǎn)腐蝕和抗裂開腐蝕性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》。

(1)硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗(yàn)時為微沸狀態(tài)，經(jīng)16 h試驗(yàn)之后對兩件試樣在10倍放大鏡下觀察，未見因晶間腐蝕引起的裂紋。

(2)在ASTM G48 A/B法試驗(yàn)中，試驗(yàn)溫度均為50±2 ℃；兩種試驗(yàn)方法FeCl3質(zhì)量濃度為6%，試驗(yàn)時間為72 h。試驗(yàn)結(jié)果為：A法試驗(yàn)腐蝕率均值為0.006 5 g/m2·h，B法試驗(yàn)腐蝕率為 0.003 g/m2·h。從上述數(shù)據(jù)可以看出，堆焊層具有良好的耐點(diǎn)蝕能力。

3 結(jié)語

熱絲TIG是一種適合于UNS S32707特超級雙相不銹鋼堆焊效率較高的焊接方法，焊接成型美觀、后續(xù)加工量??；在一定的焊接及熱處理參數(shù)下，堆焊層化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合相關(guān)技術(shù)要求，堆焊層微觀組織中鐵素體相占比約50%；堆焊層具有優(yōu)異的耐點(diǎn)蝕及裂口腐蝕性能。該材質(zhì)堆焊具有較好的應(yīng)用前景。