Q345R双层堆焊E309L-16的焊接工艺和性能研究

潘晓栋，赵树芬，张力

（二重（镇江）重型装备有限责任公司，江苏 镇江 212000）

0 引言

目前，催化裂化汽油占车用汽油总量的70%，因而催化裂化装置的长周期稳定运行是实现汽油稳定生产和碳减排的关键[1]。由于内部介质的特性，催化裂化装置堆焊层易造成腐蚀和开裂，存在泄漏和爆炸的风险，可能引发爆炸、着火等安全事故。因此，设计和制造该类钢制压力容器都有严格的要求[2-3]。同时，该类压力容器设备内壁为临氢、强腐蚀等环境下，普通的压力容器用钢板不能够满足耐腐蚀要求，需要在内壁堆焊不锈钢隔离层，不锈钢层可以满足内壁的腐蚀环境要求。通过堆焊不锈钢层，能够不改变设备本体的力学性能要求，堆焊方式也可以提高设备生产效率，降低制造成本。目前，大部分石化类压力容器的内壁采用双层堆焊不锈钢过渡层（不锈钢309）+耐蚀层（不锈钢308、347、316等）[4-5]。

Q345R钢属于低合金高强度钢，是生产压力容器的常用材料，该种钢具有焊接性能优良、强度和韧性较高、耐蚀性好等特点，被广泛应用于压力容器主体基材制造中，目前是我国用途最广、用量最大的压力容器钢板。然而Q345R的防腐产品有时候并不能胜任苛刻的腐蚀环境，要在其内壁堆焊一层不锈钢层，以提高其使用性能。

近期我公司承制的某项目中催化裂化装置产品采用了Q345R钢。考虑服役环境温度、压力、介质及成本等因素，内壁选择了具有良好的抗裂性能、抗腐蚀性能及抗氧化性能的E309L焊条[6-7]；并按设计技术要求，最终选择了采用了手工电弧焊双层堆焊E309L。双层堆焊不仅可以降低基层的稀释，保证了堆焊层的性能，还可以使应力呈阶梯分布，缓和应力并减少裂纹产生。为了确保压力容器能够安全、平稳、长周期地运行，本文在产品制造前期按照产品技术要求开展了相关焊接工艺试验。

1 试验方法及材料

1.1 试验材料

本次试验选择Q345R钢为基体材料，其化学性能和力学性能应符合GB/T 713—2014标准，尺寸为40 mm×300 mm×200 mm，热处理状态为正火，其化学成分如表1所示；填充焊条为E309L-16，应符合NB/T 47018—2017标准，尺寸为φ4.0 mm，其化学成分如表2所示。

表1 Q345R钢的化学成分质量分数 %

表2 E309L-16焊条的化学成分质量分数 %

1.2 试验工艺

1.2.1 焊接工艺选择

在常温下堆焊Q345R钢板时，使用E309药芯焊丝进行药芯焊接是一种常见的选择[8-10]。这种材料可以提供良好的强度和耐腐蚀性能，有助于提高工件的整体性能。同时，E309药芯焊丝还具有良好的可操作性，可以快速进行焊接，并且可靠性较高。

为了保证焊接效果，需要采用适当的气体保护，药芯焊丝气体保护焊（Flux-Cored Arc Welding-Gas Shielded，FCAW -G）通常使用Ar+CO2混合气保护。此外，还需要根据钢板的厚度和焊接位置来确定焊接电流和速度等参数，以确保焊缝质量。在堆焊双层E309药芯焊丝时[11]，应在下层焊缝固化之后再进行上层焊缝的焊接。同时，在对上层焊缝进行焊接时，需要注意控制焊接热输入、保持适当的间距、避免过度进热等问题，以免对下层焊缝产生不良影响。

项目初期，选择FCAW-G焊接，常温下在Q345R钢板堆焊双层E309药芯焊丝，过渡层焊后选择了缓冷，未进行消氢处理，在进行弯曲试验时，从母材和过渡层的熔合区产生了弯曲裂纹；而在相同工艺参数下，经过焊前预热和焊后消氢后的试板，没有产生弯曲裂纹（如图1）。因此，在使用FCAW-G焊接时，应选择焊前预热和焊后消氢。

图1 FCAW-G焊接弯曲试样

然而，根据工艺技术条件，不允许采用FCAW-G焊接进行受压元件之间的焊接及受压元件与非受压元件之间的焊接，并结合公司技术条件，在此类焊接区，选择了较为成熟的手工电弧焊（Shielded Metal Arc Welding，SMAW），吸取了FCAW-G焊接的经验，进行了焊前预热和焊后消氢工艺。为了验证此工艺的合理性，按照产品技术要求开展了相关焊接工艺试验。

1.2.2 工艺参数

采用SMAW焊接对Q345R钢板表面进行局部双层堆焊E309L-16，要求堆焊层总厚度≥5.0 mm。焊接前对Q345R钢板表面打磨，避免氧化膜和油污对堆焊层性能造成影响，按照NB/T 47013.4—2015标准对堆焊层表面进行磁粉MT检测，要求100%检查，检测结果为Ⅰ级合格。过高的层温会使过渡层与母材界面晶粒粗大，易产生热裂纹，应在焊前预热，预热温度≥80 ℃，同时层间温度控制在150 ℃以下。为避免焊后因扩散氢的量大而产生冷裂纹，过渡层堆焊后应立即进行消氢处理，在300～350 ℃下保温2 h。结合材料特性及试样尺寸，焊接工艺参数如表3所示，焊接堆焊层横截面如图2所示。

图2 堆焊层横截面宏观示意图

表3 焊接工艺参数

为了使堆焊层表面满足探伤要求，打磨堆焊层表面并进行外观检查，确保堆焊试板无裂纹、气孔、夹渣、咬边等缺陷，按照NB/T 47013.5—2015标准对堆焊层表面进行渗透PT检测，要求100%检查，检测结果为Ⅰ级合格。堆焊后在（610±10）℃去应力退火，保温时间为（2.5±0.5）h，冷却方式为炉冷＋空冷。热处理后，再次按照NB/T 47013.3—2015标准对堆焊层表面进行超声UT检测，要求100%检查，检测结果同样为Ⅰ级合格。焊接合格后，按照试验要求对试板进行标记和分切。

2 结果

2.1 化学性能分析

2.1.1 化学成分

根据GB/T 223—2018标准的试验要求对焊态和热处理态的堆焊层化学成分进行检测，从距磨平表面2.5 mm范围内取样，结果如表4所示。并利用磁感应法铁素体测量仪检测其铁素体含量，分别为15.0%和15.6%。

表4 堆焊层距表层2.5 mm 以下熔敷金属的化学成分质量分数 %

2.1.2 微观组织

对不同热处理状态下的堆焊层试样进行解剖，在焊道的搭接位置作为解体剖面。并对剖面进行抛光和侵蚀处理，满足侵蚀要求后，保证能够区分熔合区和本体材料，采用至少5倍放大的镜片进行观察，结果都没有发现肉眼可见的缺陷。图3为焊态和热处理态堆焊试件横截面的宏观示意图。从图3中可以看出，堆焊层与母材冶金结合良好，堆焊层未发现裂纹、未焊透、未熔合、气孔等缺陷。从图3（a）和图3（b）中可以看出，母材Q345R由白色不规则铁素体δ和黑色层片状珠光体组成，经热处理后，在结晶过程中，随着温度的降低，从铁素体中析出渗碳体，与先共析δ铁素体形成珠光体，因此热处理后母材Q345R中珠光体含量增多。图3（b）和图3（e）分别为焊态熔合区和热处理态熔合区，图3（c）和图3（f）为焊态堆焊层和热处理态堆焊层，从图中可以看出，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——δ铁素体，熔合区金相组织为奥氏体和δ铁素体，其中黑色为δ铁素体相，沿柱状晶方向生长，白色奥氏体基体，因此堆焊层E309L-16金相组织是白色奥氏体基体和黑色铁素体，而堆焊层E309L-16经热处理后树枝状铁素体含量增多，铁素体之间相连部分也较多。

图3 横截面金相组织

2.1.3 晶间腐蚀

按照GB/T 4334—2020 标准中E（铜-硫酸铜-16%硫酸）试验方法检测焊态和热处理态堆焊试件的晶间腐蚀能力。将堆焊层表面磨平后，从距磨平表面2.5 mm范围内取样，试样尺寸为80 mm×20 mm×3 mm，共2件。试样在经过20 h的晶间腐蚀试验后，通过180°弯曲试验，没有发现堆焊层有晶间腐蚀的倾向，试验结果符合GB/T 4334—2020标准要求。

2.2 力性能分析

2.2.1 弯曲性能

根据NB/T 47014—2011标准中承压设备产品焊接试件的力学性能检验要求，对焊态和热处理态的堆焊试件应进行侧弯试验，测定堆焊层的抗弯强度。分别加工8个试样做横向侧弯试验，大、小侧弯试样各4个，其中取样方向分别为垂直于堆焊方向和平行于堆焊方向。弯曲试验参数及结果如表5所示。焊态和热处理态的大、小侧弯堆焊试件经弯曲试验后，母材、堆焊层及熔合线上均未发现裂纹。试验结果表明，堆焊层的抗弯强度符合NB/T 47014—2011标准的要求。

表5 堆焊层大小侧弯试验结果

2.2.2 硬度

按照GB/T 4340.1—2019标准，对焊态和热处理态的堆焊试件应进行表面和侧面硬度检测。堆焊层表面硬度是在试样上任取4点测量，其值≤250 HV10。侧面硬度的取点位置如图4所示，测量值≤248 HV10。图5（a）为堆焊层硬度分布曲线图。从图中可以看出，各区域的硬度值波动不大，说明堆焊层的组织较均匀，致密性较好。图5（b）为堆焊层各区域平均硬度。从图中可以看出，焊态的平均硬度偏高，经热处理后消除了材料的内部应力，导致硬度降低，最终满足了技术要求值。

图4 堆焊层横截面硬度测量点

图5 母材到堆焊层表面的显微硬度

3 结语

本次研究对Q345R钢板表面进行局部双层堆焊E309L-16，通过对堆焊层的物理化学性能检测得出以下结论：1）根据FCAW焊接工艺试验，Q345R钢板上堆焊E309L时，应要求进行焊前预热和焊后消氢处理；2）利用磁感应法铁素体测量仪测堆焊层铁素体含量，焊态和热处理态分别为15.6%和15.0%，说明此堆焊工艺抗晶间腐蚀能力较弱，不能用在对耐腐蚀性要求较高的容器上；3）经热处理后堆焊层的铁素体含量较多，其韧性相对较高，硬度相对较低，满足技术要求；4）此次手工电弧堆焊双层E309L-16的焊接工艺和热处理工艺是可行的，可应用到生产中。