李戰(zhàn)斌, 馬鳴, 徐祥久, 丁鐵軍

摘要： 某壓力容器產(chǎn)品的小口徑接管，需在其內(nèi)壁制備347不銹鋼耐蝕堆焊層，且對(duì)堆焊層鐵素體含量、化學(xué)成分及耐晶間腐蝕性能提出要求。針對(duì)該問(wèn)題，采用TIG堆焊在1.25Cr-0.5Mo鋼基材上制備347不銹鋼耐蝕層，采用該工藝實(shí)現(xiàn)小口徑管內(nèi)壁堆焊過(guò)程。對(duì)試件堆焊層進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，同時(shí)對(duì)堆焊層化學(xué)成分、鐵素體含量、宏觀組織、微觀組織、力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能等檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用該堆焊工藝可以獲得優(yōu)質(zhì)的堆焊層，且堆焊層的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足產(chǎn)品要求。

關(guān)鍵詞： 堆焊工藝; 晶間腐蝕; 1.25Cr-0.5Mo鋼; 347不銹鋼

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 455

TIG surfacing process of 347 stainless steel on 1.25Cr-0.5Mo steel

Li Zhanbin1， Ma Ming1， 2， Xu Xiangjiu1， 2， Ding Tiejun1

（1. Harbin Boiler Company Limited， Harbin 150046，Heilongjiang， China;

2. State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-fired Utility Boilers， Harbin 150046， Heilongjiang， China）

Abstract： It was necessary to surfacing 347 stainless steel corrosion resistance layer on the inner wall of small diameter pipe of a pressure vessel， and ferrite content， chemical composition and intergranular corrosion resistance of surfacing layer were required. Focus on the problem， TIG surfacing was used to fabricate 347 stainless steel corrosion resistance layer on 1.25Cr-0.5Mo steel substrate， and surfacing process of inner wall of small diameter pipe was realized. Non-destructive test of surfacing layer of test specimen was carried out. Meanwhile， chemical composition， ferrite content， macrostructure， microstructure， mechanical properties and intergranular corrosion resistance of surfacing layer were verified. The results showed that surfacing layer with high quality could be obtained by the surfacing process， and performance indexes of surfacing layer met requirements of product.

Key words：? ?surfacing process; intergranular corrosion; 1.25Cr-0.5Mo steel; 347 stainless steel

0前言

某壓力容器產(chǎn)品有多個(gè)小口徑接管，其材質(zhì)為1.25Cr-0.5Mo型低合金耐熱鋼，需在接管內(nèi)壁堆焊347不銹鋼耐蝕層，且對(duì)堆焊層鐵素體含量、化學(xué)成分及耐晶間腐蝕性能提出要求。焊條電弧焊（SMAW）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）/藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW-G）由于可達(dá)性限制均無(wú)法實(shí)現(xiàn)操作，因此只能選用TIG專(zhuān)機(jī)實(shí)現(xiàn)接管內(nèi)壁堆焊。

由于1.25Cr-0.5Mo鋼具有一定的淬硬傾向［1］，且在1.25Cr-0.5Mo鋼上堆焊不銹鋼，基材和堆焊層的膨脹系數(shù)相差較大，焊接過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，堆焊過(guò)程中應(yīng)采取相應(yīng)工藝措施避免出現(xiàn)裂紋；而且堆焊層焊后將經(jīng)歷熱處理，在敏化和碳遷移影響下，不銹鋼堆焊層及熔合區(qū)韌性降低，彎曲試驗(yàn)結(jié)果不易合格，抗晶間腐蝕能力下降［2］。所以需要制定合理的焊接工藝方案，控制焊接過(guò)程中熱輸入，同時(shí)要考慮堆焊層化學(xué)成分稀釋率及耐晶間腐蝕性能，才能保證堆焊層性能滿足產(chǎn)品要求。

1焊接工藝參數(shù)對(duì)堆焊層性能的影響

堆焊過(guò)程中熱輸入、層間溫度、壓道量等因素都會(huì)對(duì)堆焊層性能產(chǎn)生較大影響。有研究表明堆焊時(shí)熱輸入量偏大、層道間溫度偏高的熔敷金屬中鐵素體含量明顯低于正常焊接規(guī)范［3］，且層道間溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)加劇熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大及碳化物的析出過(guò)程，使耐蝕層的耐蝕性降低［4］。壓道量直接影響堆焊層成形和焊縫性能，壓道量過(guò)小，易在焊道搭接處產(chǎn)生夾渣或凹槽，壓道量過(guò)大，會(huì)使焊道壓道不平整或產(chǎn)生咬邊，另外壓道量大小影響熔合比和稀釋率。因此，選擇合理的壓道量有利于堆焊焊縫的成形，保證堆焊層質(zhì)量［5］。綜上所述，制定了1.25Cr-0.5Mo鋼堆焊347型不銹鋼的工藝方案。

2焊接工藝及材料

為方便驗(yàn)證堆焊工藝的可行性，試驗(yàn)采用板狀試件，在平焊位置開(kāi)展堆焊試驗(yàn)，堆焊分為3層，第1層為過(guò)渡層，第2層和第3層為耐蝕層。焊前對(duì)基材待堆焊面進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)，焊后對(duì)堆焊層進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)。焊態(tài)下進(jìn)行鐵素體含量檢驗(yàn)和熔敷金屬化學(xué)成分檢驗(yàn)，熱處理后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、宏觀檢驗(yàn)、微觀檢驗(yàn)及耐晶間腐蝕性能檢驗(yàn)。

2.1試驗(yàn)材料

基材為1.25Cr-0.5Mo，試板規(guī)格為400 mm×300 mm，厚度為60 mm。過(guò)渡層堆焊焊絲為ER309L，焊絲直徑為1.2 mm，耐蝕層堆焊焊絲為ER347，焊絲直徑為1.2 mm。1.25Cr-0.5Mo鋼板與焊材熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2.2焊接工藝

采用TIG焊接工藝進(jìn)行堆焊。第1層采用1.2 mm ER309L焊絲進(jìn)行堆焊，焊前進(jìn)行預(yù)熱，考慮基材材質(zhì)，過(guò)渡層預(yù)熱溫度不低于120 ℃，層道間溫度不大于250 ℃。第2層和第3層在室溫下采用1.2 mm ER347焊絲進(jìn)行堆焊，層道間溫度不大于200 ℃，如圖1所示。采用4.0 mm鈰鎢極，電源型號(hào)為AEP-500，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。堆焊完成后，將試件加工為兩部分，一部分取樣進(jìn)行鐵素體含量檢驗(yàn)和熔敷金屬化學(xué)成分檢驗(yàn)；另一部分進(jìn)行665 ℃×22 h熱處理，熱處理后取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)、宏觀檢驗(yàn)、微觀檢驗(yàn)及耐晶間腐蝕性能檢驗(yàn)。

3試驗(yàn)方法

采用WE-60型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)；采用AXIOVERT200MAT型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、微觀檢驗(yàn)；采用HVS-50型維氏硬度計(jì)和HB-3000型布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試；采用YT-4B型試驗(yàn)裝置和WYE-S100型彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)；采用MP30E-S型鐵素體檢測(cè)儀進(jìn)行鐵素體含量測(cè)試。4試驗(yàn)結(jié)果

4.1無(wú)損檢驗(yàn)

按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》對(duì)基材待堆焊面進(jìn)行100%MT，堆焊后對(duì)堆焊層進(jìn)行100%UT和100%PT，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

4.2彎曲性能檢驗(yàn)

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評(píng)定》制備4個(gè)試樣，進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。試樣拉伸面焊縫和熱影響區(qū)均完好無(wú)缺陷，說(shuō)明焊縫塑性良好，堆焊層與母材熔合良好。

4.3硬度檢驗(yàn)

按GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)堆焊層表面進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度平均值為191 HB，滿足產(chǎn)品堆焊層表面硬度不大于240 HB的要求。

4.4鐵素體含量檢驗(yàn)

在焊態(tài)下，按ASTM A751-20《Standard test methods and practices for chemical analysis of steel products》檢測(cè)耐蝕層表面鐵素體數(shù)，鐵素體數(shù)平均值為7.7，按GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測(cè)量方法》中磁性法檢測(cè)距耐蝕層表面3 mm處堆焊層鐵素體數(shù)為7.3，均滿足產(chǎn)品耐蝕層鐵素體數(shù)介于3～8之間的要求。

4.5化學(xué)成分檢驗(yàn)

在焊態(tài)下，按ASTM A751-20檢測(cè)距基材表面5 mm處耐蝕層化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表3。與合格指標(biāo)對(duì)比，可以看出耐蝕層化學(xué)成分滿足產(chǎn)品要求。

4.6宏觀檢驗(yàn)

對(duì)堆焊接頭進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，過(guò)渡層與基材熔合良好，過(guò)渡層與耐蝕層均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，如圖2所示。

4.7微觀金相檢驗(yàn)

按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)堆焊接頭進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)，包括熱影響區(qū)、過(guò)渡層和耐蝕層，結(jié)果如圖3所示。圖3a為基材和熱影響區(qū)金相組織，基材和熱影響區(qū)金相組織均為貝氏體。在熱影響區(qū)存在深度不一的脫碳層，過(guò)渡層與熔合區(qū)出現(xiàn)低碳馬氏體帶。圖3b為過(guò)渡層金相組織，金相檢驗(yàn)顯示為奧氏體+少量鐵素體。圖3c為耐蝕層金相組織，金相檢驗(yàn)顯示為奧氏體+少量鐵素體+碳化物，枝狀晶組織清晰可見(jiàn)。過(guò)渡層與耐蝕層均為柱狀晶。

4.8晶間腐蝕試驗(yàn)

按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中E法，在耐蝕層取2個(gè)晶間腐蝕試樣，規(guī)格為80 mm×20 mm×3.5 mm，放在加有銅屑的硫酸-硫酸銅溶液中煮沸16 h進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，通過(guò)彎曲試樣判斷晶間腐蝕傾向。在10倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面，均無(wú)因晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋，如圖4所示。

5結(jié)論

采用TIG堆焊在1.25Cr-0.5Mo上堆焊ER309L+ER347不銹鋼耐蝕層，獲得了無(wú)損檢驗(yàn)合格的焊接接頭，堆焊層與基材熔合良好，彎曲試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)缺陷，鐵素體含量、化學(xué)成分滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求，并且具有較好力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能，為保證產(chǎn)品良好穩(wěn)定運(yùn)行提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

［1］徐鍇， 馮偉， 鄒力維， 等. 工藝參數(shù)對(duì)帶極單層電渣堆焊層成分、成形及性能的影響［J］. 焊接， 2019（12）： 32-36.

［2］柳昱， 包曄峰， 宋亓寧， 等. 敏化處理對(duì)2209雙相不銹鋼堆焊層點(diǎn)蝕行為的影響［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 2020， 41（9）： 33-38.

［3］李方亮， 程尚華， 邵珠晶， 等. 工藝參數(shù)對(duì)304L不銹鋼GTAW熔覆金屬中鐵素體含量的影響［J］. 焊接， 2020（3）： 24-28.

［4］劉西洋， 楊淼森， 徐鍇， 等. 激光介入不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲MAG電弧堆焊熔滴受力分析［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 2019， 40（9）： 65-70.

［5］劉鳴宇， 吳義黨， 楊志鵬. CPR1000反應(yīng)堆壓力容器大面積不銹鋼堆焊工藝探討［J］. 熱加工工藝， 2012， 41 （5）： 187-189.

收稿日期： 2022-05-12

李戰(zhàn)斌簡(jiǎn)介： 學(xué)士，工程師；主要從事鍋爐、壓力容器的焊接與熱處理技術(shù)工作；15663456083@163.com。