王暉球 王雪驕 葉小松

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

雙層帶極堆焊以其堆焊效率高、性能穩(wěn)定，在國內外加氫工藝裝置內壁的不銹鋼堆焊上得到了廣泛應用。因臨氫設備的需要，鑒于進口不銹鋼堆焊材料的優(yōu)良工藝性及力學性能，以往國內加氫反應器上不銹鋼堆焊層均采用進口的堆焊材料。結合近年國內焊材廠家對帶極堆焊材料的改進和提高，響應國內容器產品焊接材料國產化的號召，針對國產焊帶/焊劑在加釩鋼加氫反應器上的堆焊及應用進行了試驗研究。

1 技術要求

加氫反應器主體材料通常為12Cr2Mo1V鋼，內壁不銹鋼堆焊層：TP.309L過渡層+TP.347耐蝕層，雙層堆焊層的總厚度為6.5 mm，表層的有效厚度不小于3 mm。結合加氫反應器設備制造要求，堆焊層模擬容器的最小焊后熱處理(Min.PWHT)為705℃×8 h，最大焊后熱處理(Max.PWHT)為705℃×32 h。

(1)化學成分、鐵素體數測量(焊態(tài))

焊態(tài)下進行化學成分分析，耐蝕層有效厚度范圍內熔敷金屬化學成分分析結果應滿足表1要求。在焊態(tài)下進行鐵素體數測量，其FN值為3～10。

表1 堆焊層熔敷金屬化學成分要求(質量分數，%)Table 1 Requirements for chemical composition of cladding metal in surfacing layers(mass fraction, %)

(2)性能檢測(熱處理狀態(tài))

試樣在Min.PWHT和Max.PWHT狀態(tài)下進行硬度試驗，在Max.PWHT狀態(tài)下進行彎曲、剖面、晶間腐蝕、微觀金相、抗氫剝離等試驗。

2 焊接試驗方案

2.1 焊接方法

雙層帶極堆焊工藝通常有三種：雙層埋弧焊(SAW+SAW)；雙層電渣焊(ESW+ESW)；過渡層埋弧焊(SAW)+耐蝕層電渣焊(ESW)。帶極電渣堆焊與帶極埋弧堆焊相比具有：熔敷效率高、熔深淺而均勻、成形良好表面質量、焊劑消耗低等優(yōu)點[1-2]；且雙層電渣堆焊的兩層焊劑一樣，便于焊劑的利用及現場生產管理。隨著電渣堆焊技術的不斷發(fā)展，目前的不銹鋼雙層電渣焊層能滿足抗氫剝離要求。因此，鑒于雙層電渣堆焊的優(yōu)越性，試驗采用雙層電渣堆焊。結合技術條件要求和NB/T 47014—2011標準要求進行焊接評定試驗。

2.2 試驗材料

(1)基體材料為12Cr2Mo1V鋼，試板規(guī)格為50 mm×400 mm×500 mm。材料的化學成分與性能如表2和表3所示。

表2 12Cr2Mo1V鋼的化學成分(質量分數，%)Table 2 Chemical compositions of 12Cr2Mo1V steel(mass fraction, %)

表3 12Cr2Mo1V鋼的力學性能Table 3 Mechanical properties of 12Cr2Mo1V steel

(2)焊接材料：選擇國內某公司焊材，焊帶EQ309L(60 mm×0.5 mm)、EQ347(90 mm×0.5 mm)和配套焊劑。焊帶化學成分如表4所示。

表4 焊帶的化學成分(質量分數，%)Table 4 Chemical composition of the welding strip(mass fraction,%)

3 焊接試驗過程

3.1 準備工作

焊前應仔細清理待堆焊母材表面，應無油污、鐵銹及氧化皮等雜質，試板堆焊表面按NB/T 47013.4—2015進行100%的磁粉檢測(MT)，檢測質量等級Ⅰ級為合格。同時調整焊接堆焊設備、磁控裝置，使設備處于最佳狀態(tài)進行施焊。焊劑應按要求進行烘干，隨用隨取，以確保焊劑不吸潮。

3.2 堆焊參數

3.2.1 磁控裝置

對于寬帶，在電渣堆焊時，由于磁收縮效應，會使堆焊層產生咬邊，隨著帶極寬度增加，堆焊電流增大，咬邊現象越嚴重[2]，因此必須采用外加磁場的方法來防止咬邊的產生。同時必須合理布置磁極位置，并選擇合理的磁控電流。

3.2.2 預熱、層間溫度

根據國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量計算公式，CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)。經計算，12Cr2Mo1V鋼的碳當量為0.885%。熱影響區(qū)存在較大的淬硬傾向，并且由于產品的厚度較大，過快的冷卻速度，堆焊金屬溶解較高的擴散氫不能及時逸出，因此堆焊時應采取堆焊前預熱、焊后緩冷等措施。

過渡層TP.309L堆焊時，堆焊前對焊件預熱≥125℃，層溫控制在250℃以內，以免過高的層溫使過渡層與母材界面晶粒粗大。耐蝕層TP.347堆焊在室溫下進行，層溫≤150℃[3]。

3.2.3 干伸長和焊劑高度

焊帶的干伸長是指從焊帶端部到導電嘴的長度，干伸長太長將導致焊帶過熱，發(fā)紅，電弧不穩(wěn)，容易爆斷，因而無法進行正常的焊接；干伸長太短，會影響堆焊過程的穩(wěn)定和焊道的表面成型質量[2]，根據堆焊試驗結合以往經驗，干伸長30～35 mm為宜。

焊劑覆蓋太薄，熔池中的熔渣不夠，影響堆焊質量和外觀成型。覆蓋太厚，焊道的透氣性變差，也影響焊道外觀質量[2]。根據堆焊試驗結合以往經驗，焊劑高度25～35 mm為宜。

3.2.4 堆焊工藝參數

通過工藝性驗證試驗，設置了具有良好成型效果的焊接工藝參數，如表5所示。堆焊層總厚度6.5～7.0 mm。

表5 焊接工藝參數Table 5 Welding parameter

3.3 無損檢測

過渡層堆焊完后進行100%PT檢測，結果合格。耐蝕層堆焊完后進行100%PT、100%UT檢測，結果合格。PT、UT合格指標：PT按NB/T 47013.5—2015要求，Ⅰ級合格；UT按NB/T47013.3—2015附錄G要求，Ⅰ級合格。

3.4 理化檢驗

3.4.1 焊態(tài)下堆焊層的化學成分分析和鐵素體數測量

(1)在焊態(tài)下距堆焊層上表面2.75～3.25 mm內取樣2處，進行化學成分分析，其化學成分如表6所示。

表6 焊態(tài)下化學成分分析(質量分數，%)Table 6 Analysis of chemical composition in the as-welded state(mass fraction,%)

從表6化學分析結果可以得出，各主要元素均在要求值的范圍內，而且碳元素遠低于要求值，雜質元素的控制也滿足要求。焊態(tài)各化學成分均滿足技術要求。根據WRC-1992組織圖計算出FN值為7.5、7.8，滿足技術要求。

(2)鐵素體數測量(焊態(tài))

在焊態(tài)下采用ANSI/AWS A4.2:2006《測定奧氏體和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼焊縫金屬中δ鐵素體含量和磁性測定儀器的標定標準方法》中所規(guī)定的方法對測量儀器進行標定，在經過打磨的表面上測量鐵素體讀數，至少6點，其值FN為5.5，滿足技術要求。

3.4.2 熱處理后的性能試驗

(1)彎曲試驗

經Max.PWHT后，按照NB/T 47014—2011，取大側彎試樣和小側彎試樣各4件，其中2件試樣的長軸垂直于堆焊方向，另2件平行于堆焊方向。堆焊層和熔合線表面均無開裂現象。彎曲試驗結果見表7。

表7 室溫彎曲試驗結果Table 7 Results of room temperature bending test

(2)剖面檢查

經Max.PWHT后，在焊道搭接處取剖面，用5倍放大鏡觀察無層下裂紋出現。

(3)硬度試驗

經Max.PWHT和Min.PWHT后，對堆焊層表面任意取4點進行表面硬度檢測，硬度值不得超過235HBW。在試樣橫截面上的堆焊層、熔合線和熱影響區(qū)進行硬度檢測，從熔合線到母材5 mm位置開始，沿30°斜線間隔1 mm測量一處，硬度值不得超過248HV10。堆焊層硬度檢測情況見表8。

堆焊層表面硬度最高值為223HBW；截面沿30°夾角線的硬度最高值為229HV10，滿足要求。

(4)耐蝕層抗晶間腐蝕性能試驗

經Max.PWHT后，按照GB/T 4334—2020中方法E—不銹鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗方法取樣2件進行晶間腐蝕試驗，試樣經15 h晶間腐蝕試驗后，彎曲180°后檢查，表面均無裂紋。

(5)微觀金相試驗

經Max.PWHT后，制備試樣，觀察母材、熱影響區(qū)、堆焊層及三區(qū)的微觀金相組織。母材和熱影響區(qū)均為回火貝氏體+鐵素體，堆焊層均為奧氏體組織+δ鐵素體。試樣顯微組織如圖1所示。

圖1 微觀金相組織Figure 1 Microscopic metallographic structure

(6)抗氫剝離試驗

經Max.PWHT后，參照ASTM G146-2001(2018)的規(guī)定進行剝離試驗評定，試驗條件下未出現任何剝離，檢測合格。

從上述檢驗結果可以看出，堆焊層化學成分和力學性能均滿足加氫反應器設備制造要求。

4 生產應用

在焊接工藝性驗證試驗和合格堆焊評定的基礎上，將該國產不銹鋼雙層電渣焊帶/焊劑在某項目筒體內壁上進行不銹鋼堆焊。

4.1 成型情況

堆焊層表面成型狀況良好，焊道下凹和凸起量較小，相鄰焊道之間的凹下量均能滿足<1 mm的要求，外觀滿足要求。

4.2 化學成分/鐵素體數檢測

從堆焊層表面2.75～3.25 mm范圍內取樣進行化學成分分析，并對焊態(tài)表面采用經AWS A4.2校準過的鐵素體磁性檢測儀檢測堆焊層的鐵素體數(檢測位置隨機確定)。13個筒體根據化學成分結果并按照WRC-1992圖計算鐵素體，鐵素體值在5.1～6.5之間，滿足FN為3～10的要求；用鐵素體儀測量，每個筒體內表面隨機抽查12處，鐵素體值在6.6～8.6之間，大部分在7.5左右，滿足FN為3～10的要求。以其中一個筒體為例，其堆焊表面鐵素體數檢測結果見表9，從堆焊層表面2.75～3.25 mm范圍內取樣進行化學成分分析的結果見表10。

表9 鐵素體數檢測結果Table 9 Test results of ferrite number

表10 化學成分分析(質量分數，%)Table 10 chemical composition analysis(mass fraction,%)

按照WRC-1992圖計算鐵素體，鐵素體值為7.15。計算的鐵素體與測量的鐵素體數值基本一致，體現了良好的一致性，滿足技術要求。

4.3 無損檢測

堆焊層100%PT和UT檢測結果均滿足要求。

5 國產焊帶和進口焊帶的對比分析

5.1 工藝性能對比分析

本次研究采用的國產不銹鋼焊帶/焊劑通過工藝評定，各項指標均滿足技術要求。在13個筒體內壁實際堆焊驗證，工藝性較為優(yōu)良，其堆焊效果與進口焊材基本一致，參數的可調范圍也較大。

5.2 經濟技術對比分析

國產焊材與國外進口焊材相比，具有明顯的價格和交貨周期優(yōu)勢。根據現場實際使用情況，焊劑與焊帶消耗比例較進口焊材略低。

6 結論

(1)本次研究采用的國產雙層電渣帶極堆焊材料在加釩鋼上堆焊，工藝性優(yōu)良：堆焊過程容易控制，堆焊后外觀成型美觀，脫渣性良好。

(2)堆焊后堆焊層化學成分、鐵素體數測量、力學性能、晶間腐蝕、抗氫剝離等性能均滿足加氫反應器設備的堆焊要求。在產品上堆焊后，質量穩(wěn)定，應用效果良好。

(3)在工藝及性能指標均滿足要求的前提下，國產帶極堆焊材料具有較強的價格和交貨周期優(yōu)勢。在合理的情況下推廣國產焊接材料在成本控制、生產周期進度等方面有較好意義。