E309LT1-1不锈钢药芯焊丝堆焊层侧弯试样开裂原因分析

冯兆龙　范会卿　张　晓　郭　纯

(1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 471023;

2.洛阳双瑞特种合金材料有限公司，河南 471000)



E309LT1-1不锈钢药芯焊丝堆焊层侧弯试样开裂原因分析

冯兆龙1,2范会卿1,2张晓1,2郭纯1,2

(1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 471023;

2.洛阳双瑞特种合金材料有限公司，河南 471000)

摘要：E309LT1-1不锈钢药芯焊丝堆焊层侧弯试样在弯曲时有时会出现开裂现象。利用低倍检测、扫描电镜能谱分析和金相显微镜，对金相试样的横切面进行观察和分析，结果表明，开裂现象与过渡层出现的M23C6相有关。利用Thermal-Calc软件进行模拟得出，影响M23C6相出现的主要原因是碳含量较高，通过控制过渡层熔敷金属中的碳含量可以消除M23C6相的出现，从而使侧弯性能合格。

关键词：E309LT1-1；不锈钢药芯焊丝；堆焊层；开裂

在石油裂化和精制工艺中使用的压力容器大部分采用14Cr1MoR、15CrMoR等钢制造壳体。为了防止腐蚀介质对容器内壁的腐蚀，通常在压力容器内壁堆焊耐腐蚀奥氏体不锈钢。目前，大部分石化压力容器的内壁采用309L不锈钢堆焊层作为过渡层、347L不锈钢堆焊作为覆盖层，根据工况的不同，也有采用309L不锈钢堆焊层作为过渡层、308L或316L不锈钢堆焊作为覆盖层的。309L堆焊层是为了在14Cr1MoR、15CrMoR等钢与堆焊覆盖层之间获得具有高韧性的过渡层，以防止裂纹向母材扩展。堆焊层是为了有效地防止腐蚀介质的腐蚀。

在压力容器生产中，产品焊接试板与焊接工艺评定试板都要进行弯曲试验，目的是为了验证焊接接头的力学性能是否能达到设计要求[1]。

本文结合实际试验情况，采用金相分析、扫描电镜微观分析等手段，对堆焊层侧弯试样断口进行系统分析和研究，提出了消除开裂现象的具体措施。

1试验及结果分析

1.1试验用材料及问题的提出

试验用材料为15CrMoR钢，26 mm板。过渡层与覆盖层分别采用洛阳双瑞特种合金材料有限公司生产的E309LT1-1和E316LT1-1不锈钢药芯焊丝。经690℃×22 h热处理后，在进行侧弯试验时，厚度为3 mm和10 mm的试样均出现了明显的开裂现象，而未热处理的试样则完好无损。特别是厚度为10 mm的试样，直接开裂至表层，分别如图1、2所示。

从热处理前后试样的状态来看，经过热处理后出现了影响其韧性的因素,从而出现两种不同的结果。

1.2微观分析

通过对厚度3 mm侧弯试样进行宏观观察发现，过渡层出现了起裂的倾向，而覆盖层完好无损，由此可以初步推断是过渡层的韧性出现了问题，从而导致侧弯试样不合格。

图1　厚度为3 mm的侧弯试样

图2　厚度为10 mm的侧弯试样

图3　过渡层金相图片 (100×)

用王水浸蚀后观察此钢的显微组织。该试样金相组织为奥氏体+δ铁素体，铁素体中分布着点状析出相，分别如图3、图4所示，其中，上部为15CrMoR钢基体，下部为堆焊过渡层。从图4可以明显看出，在熔合线附近出现了比较明显的与熔合线方向相垂直的析出物。

为了确定该析出物的具体形貌以及成分，采用扫描电镜对其进行了更深入的分析。从图5可以明显看出，析出物位于晶间处，呈锯齿状、与熔合线相垂直的方向分布，而且有向上延伸至基体、向下延伸至过渡层的趋势。通过图6及表1可以看出，这种析出物碳含量较高，通过查询相关资料，该物质为碳化铬的析出物。

1.3分析讨论

在有夹杂物存在的区域内，金属的塑性破坏主要由于夹杂物或者直接提供了微观裂纹或空洞(夹杂物与基体互不联结)，或者由于应力集中以及因线膨胀系数不同而产生内应力，促进了微裂纹的形成。该侧弯试样在基体的熔合线处经热处理后出现了M23C6相。这种相是非磁性相，具有体心立方结构。在高温下长时间加热之后，会在非共格孪晶界及晶内夹杂物上形成。使用Thermal-Calc软件对该成分进行数值模拟后得出，在885℃时该成分的E309LT1-1堆焊层即开始出现M23C6相，该过程可以一直延续至室温情况。同时，钢的合金化程度越高，在高温区越容易形成M23C6相。这种相硬而脆，因而它在钢中的形成导致钢的脆化。同时，由于冷加工(如弯曲、冲压等)变形，钢的晶粒细化，可增加晶界、晶内焊缝中若碳元素以及杂质元素含量较高，就为过渡层出现这种析出物创造了条件。碳元素含量较高，导致M23C6相夹杂的密集分布。在热处理保温过程中，在晶界处又会出现大量富集，使得熔合线晶界附近成为最薄弱的地方[2-4]。

图4　过渡层金相图片(500×)

图5　析出物形貌(1000×)

图6　析出物能谱图

CSiMoCrMnFeNi1.670.800.6820.251.0768.267.28

图7　析出物形貌 ( 1000×)

图8　析出物能谱图

CSiMoCrMnFeNi0.871.480.5912.620.9377.316.19

M23C6相的沉淀。

目前，预防侧弯开裂可以采用以下措施：降低导致M23C6相形成的碳含量，例如采用更低碳含量的原材料以及钢带进行药芯焊丝的生产；控制杂质元素如硫、磷等含量。

2措施

采用低碳含量的原材料以及钢带，重新生产E309LT1-1以及E316LT1-1不锈钢药芯焊丝后进行试验，侧弯性能全部合格。

通过对熔合线附近的能谱进行观察后发现，碳含量降低以后，夹杂物的形态以及成分出现了明显变化，分别如图7、图8以及表2所示。

对比图5、图7可以看出，夹杂物由锯齿连续状变化为点状、球状独立分布的形态。对比表1、表2可以看出，析出物的碳、铬含量明显下降，说明M23C6相也明显降低。夹杂物形态以及数量的减少为侧弯性能合格提供了保障。

3结论

(1)热处理后析出的大量夹杂物是导致侧弯性能不合格的主要原因。

(2)通过降低熔敷金属中的碳含量，可以改变夹杂物的形态，降低夹杂物数量，保证热处理后侧弯性能合格。

参考文献

[1]张鹏林，赵文军，等. 不锈钢药芯焊丝堆焊技术在压力容器中的应用[J]. 电焊机，2006，36(12)：60-62.

[2]翁宇庆，等. 超细晶钢[M]. 北京：冶金工业出版社，2003.

[3]赵坚，赵琳. 优质钢缺陷[M]. 北京：冶金工业出版社，1991.

[4]松涛，顾军. 热处理工艺[M]. 北京：化学工业出版社，1999.

编辑陈秀娟

Analysis on the Reason of Cracking in the Side Bend Specimen of Overlaying Welded Layer Used by E309LT1-1 Stainless Steel Flux Cored

WiresFeng Zhaolong, Fan Huiqing, Zhao Xiao, Guo Chun

Abstract：Cracking sometimes occurred in the side bend specimen of overlaying welded layer used by E309LT1-1 stainless steel flux cored wires during bending. The transverse section of metallographic specimen is observed and analyzed by macroscopic test, SEM-EDS and metallographic microscope. The result shows that the phenomenon of cracking is related to M23C6 in transition layer. The Thermal-Calc software is used to simulate and find that the higher content of carbon is the main reason to create M23C6 phase, and M23C6 phase can be eliminated by controlling the content of carbon in deposited metal of transition layer in order to qualify the lateral bending performance.

Key words：E309LT1-1; stainless steel flux cored wire; overlaying welded layer; cracking

中图分类号：TG422.3

文献标志码：B

作者简介：冯兆龙(1981—)，男，硕士，主要从事药芯焊丝产品的开发及焊接性研究。电话：13939949047，E-mail: fzlong0119@126.com

收稿日期：2015—10—13