不锈钢绞股焊丝MAG横焊堆焊层组织与性能

(哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 前言

加氢反应器作为加氢裂化的核心设备，长期工作在高温、高压及腐蚀性环境中。为了保证其服役性能，必须要在加氢反应器零部件内壁堆焊耐蚀层[1-3]。对于加氢反应器人孔及凸台密封面来讲，受零件尺寸及焊接位置的影响，其现有的堆焊工艺为：首先，采用ER309L不锈钢药芯焊丝横焊堆焊厚度为3 mm的过渡层；然后，采用ER347L不锈钢药芯焊丝在过渡层的基础之上堆焊厚度为3.5 mm的复层。由于受到熔池下淌等因素的影响，不锈钢药芯焊丝横焊堆焊层极易产生夹渣缺陷。夹渣的存在增加了产品的返修工时与制造成本。

绞股焊丝作为近几年来新兴起的一种异形结构焊丝，研究者通过理论研究和试验验证已经证明了其具有熔敷效率高、稀释率等特点[4-7]。上述特点使得绞股焊丝在应用到堆焊时具有天然的优势。目前，针对绞股焊丝堆焊的研究均集中在平焊位置，对于不锈钢绞股焊丝横焊位置堆焊的相关试验研究尚未展开。文中选用直径φ1.6 mm的不锈钢绞股焊丝来展开气体保护横焊堆焊工艺试验，为后续不锈钢绞股焊丝堆焊工艺的实际应用奠定基础。

1 试验材料及方法

采用直径φ1.6 mm的ER309L不锈钢绞股焊丝堆焊厚度为3 mm的过渡层；然后，选用同直径的ER347L不锈钢绞股焊丝在过渡层基础上堆焊厚度3.5 mm的复层。上述不锈钢绞股焊丝由3根同直径、同材质的单丝捻制而成，其横截面示意图如图1所示。表1与表2分别为ER309L不锈钢绞股焊丝与ER347L不锈钢绞股焊丝的化学成分，其化学成分满足GB/T 29713—2013《不锈钢焊丝和焊带》标准的技术要求。

图1 不锈钢绞股焊丝横截面

表1 ER309L绞股焊丝化学成分(质量分数，%)

表2 ER347L绞股焊丝化学成分(质量分数，%)

横焊堆焊所用焊接电源型号为麦格米特Artsen Plus 500D，电源极性为直流反接。焊枪与母材之间夹角如图2所示。采用97.5%Ar+2.5%CO2混合气体作为保护气体;母材规格为300 mm×150 mm×20 mm,材质为12Cr2Mo1R。试验前清理试板表面油锈及氧化层，保证待焊表面的清洁度符合试验要求。按照表3的工艺参数进行横焊堆焊工艺试验。焊态下，对堆焊层表层铁素体含量和化学成分进行分析；焊后热处理状态下(690 ℃×8 h)对不锈钢绞股焊丝横焊堆焊层晶间腐蚀性能及侧弯和硬度等理化性能进行测试。

图2 横焊堆焊焊枪角度

表3 横焊堆焊试验参数

2 试验结果

2.1 显微组织分析

图3为显微组织图。图3a～3d依次为不锈钢绞股焊丝横焊堆焊层熔合线、热影响区粗晶区、堆焊过渡层及复层的显微组织。图3a中可见，不锈钢堆焊层与母材熔合线处冶金结合良好，熔合线较为平滑，堆焊层内无夹杂、微裂纹等缺陷。图3b所示为堆焊热影响区过热区组织形貌。过热区组织为粒状贝氏体与板条贝氏体，由于所经历的焊接热循环峰值温度很高，导致其晶粒尺寸稍有粗大。图3c与图3d分别为堆焊过渡层与堆焊复层的显微组织，其形貌为奥氏体+δ铁素体双相组织。

图3 显微组织图

2.2 铁素体含量与化学成分

图4为不锈钢绞股焊丝横焊堆焊层厚度分布示意图。堆焊完成后，焊态下利用 FMP30 型铁素体仪按照GB/T 1954—2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》标准测量堆焊层铁素体含量。

图4 不锈钢绞股焊丝堆焊层示意图

堆焊层化学元素取样方法：先从堆焊层表面刨去2.5 mm，然后在距离表面2.5～3.0 mm范围内取样。

堆焊表层铁素体含量的测试结果见表4，其平均值为5 FN，满足堆焊层铁素体数3～8 FN的工程指标。表5为堆焊层表面熔敷金属化学成分分析结果，各化学元素实际测量值满足工程要求。

表4 堆焊层表面铁素体含量 FN

表5 堆焊层表面熔敷化学成分(质量分数，%)

2.3 晶间腐蚀

按照GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》标准E法完成了硫酸-硫酸铜晶间腐蚀试验来检测堆焊层耐晶间腐蚀腐蚀性。试样尺寸为80 mm×25 mm×2 mm，取样方式为先刨去堆焊层表面0.5 mm，然后线切割取样，磨床磨削试样表面。后在加有铜屑的硫酸-硫酸铜溶液中微沸状态下连续试验 16 h，然后以3倍压头做双向弯曲试验。图5为经过晶间腐蚀试验之后的试样，借助于10倍放大镜观察晶间腐蚀试样表面部分，表面未发现裂纹。

图5 横焊堆焊晶间腐蚀试样

2.4 堆焊层力学性能分析

按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》标准从不锈钢绞股焊丝横焊堆焊试板中取横向大、小侧弯试样。压头直径为板厚4倍，弯曲角度180°。图6为不锈钢绞股焊丝横焊堆焊层侧弯试验结果，大、小侧弯试样在弯曲后均未产生裂纹缺陷。

图6 侧弯试验

硬度是评价材料性能的重要指标之一，也是程中常用的一种快速质量评价手段。按照GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》标准对横焊堆焊层、熔合线及基体材料的维氏硬度值进行分析。表6为横焊堆焊层硬度值的分析结果，硬度最大值出现在热影响区。整个堆焊层的硬度均低于参考值248 HV10。

表6 横焊堆层硬度分析HV10

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3 结论

不锈钢绞股焊丝横焊堆焊层组织为奥氏体+δ铁素体双相组织。 通过对不锈钢绞股焊丝堆焊层铁素体含量、化学成分、硬度、侧弯以及晶间腐蚀试验等理化性能进行检测，各性能均满足相关技术指标要求，可以进行工程应用。