不銹鋼帶極埋弧堆焊金屬彎曲斷裂原因分析及解決措施

張文軍 王青云 孔紅雨 亢天佑

不銹鋼帶極埋弧堆焊金屬彎曲斷裂原因分析及解決措施

張文軍 王青云 孔紅雨 亢天佑

主要針對不銹鋼帶極埋弧堆焊金屬側(cè)彎斷裂的原因進行了分析。通過焊劑向熔敷金屬過渡Mo元素的方法有效解決了該問題。

1. 概述

在石化行業(yè)的承壓設備中，容器內(nèi)壁對腐蝕或氫蝕的抵抗能力有較高的要求。而在設備制造過程中，設備整體采用耐蝕材料制造在成本方面是無法實現(xiàn)的，因此，在設備制造過程中往往是在低成本的基材表面復合高合金含量的材料，從而達到既節(jié)約成本，又能滿足耐蝕要求的目的。

在進行316L系不銹鋼的埋弧堆焊研究過程中發(fā)現(xiàn)，堆焊金屬在進行了690℃×22h的焊后熱處理前后，堆焊金屬的彎曲性能發(fā)生了較大改變，熱處理后的試樣在彎曲過程中出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。本文對斷裂原因進行了分析并提出了解決方法。

2. 試驗條件

（1）試驗設備 試驗采用美國Miller公司生產(chǎn)的 HDC 1500D X型焊接電源和比利時Soudkay公司生產(chǎn)的125ES1堆焊機頭。

（2）試驗材料 本文試驗所用焊帶為EQ309LMo（過渡層堆焊）和E Q316L焊帶（耐蝕層堆焊），堆焊底板金屬為14Cr1MoR，焊帶、底板化學成分及規(guī)格如表1所示，堆焊過程參數(shù)如表2所示。

堆焊焊劑為自制焊劑。堆焊側(cè)彎試樣按照NB/T 47018.5—2011中的要求加工。

（3）檢測設備 本文利用彎曲試驗機檢測側(cè)彎試樣。采用光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡（SEM）及其自帶的能譜分析儀對堆焊層金屬進行深入分析。

3. 原因分析

圖1為堆焊試板熱處理前后熔合區(qū)附近的金相組織對比，從圖1a中可看出，熱處理前堆焊層金屬與底板金屬有一明顯的熔合區(qū)，堆焊金屬側(cè)為奧氏體基體+δ-鐵素體；從圖1b可看出，堆

焊試板經(jīng)過690℃×22h的熱處理后，堆焊層金屬與底板金屬熔合區(qū)附近出現(xiàn)了明顯的析出帶，并且堆焊金屬靠近熔合區(qū)的組織基本變?yōu)榱藠W氏體，析出帶的平均寬度大約為70μm。

表 1 試驗用底板金屬及焊帶的規(guī)格及化學成分

表2 堆焊參數(shù)

圖1 堆焊金屬熱處理前后金相組織

針對熱處理后試樣出現(xiàn)的析出帶進行掃描電鏡分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)堆焊金屬與底板金屬熔合區(qū)熱處理后析出物呈細小的顆粒狀，采用掃描電鏡配備的能譜分析儀對析出相進行能譜分析，結(jié)果如表3所示。由能譜分析結(jié)果可看出，除基體的Fe元素外，析出物主要組成元素為Cr，根據(jù)奧氏體不銹鋼的特點，判斷析出物主要為Cr的碳化物，即M23C6。

對熱處理前后堆焊層金屬進行金相分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2a中可以看出，熱處理前堆焊層金相組織為奧氏體基體及在其上連續(xù)分布的樹枝狀δ-鐵素體，而熱處理后的δ-鐵素體內(nèi)出現(xiàn)了明顯的碳化物析出。

表3 分析結(jié)果

圖2 堆焊層熱處理前后金相對比

對熱處理前后的試樣進行顯微硬度分析，結(jié)果如圖3所示。由于碳化物屬于脆硬相，因此熔合區(qū)析出的碳化物將嚴重影響此處的塑性，在進行彎曲試驗時，塑性下降的熔合區(qū)將成為裂紋的起裂源，進而導致側(cè)彎試樣的斷裂。另一方面，堆焊層δ-鐵素體內(nèi)析出的碳化物使得其塑性略有下降，但由于堆焊層金屬為奧氏體組織，硬度提高不大。因此，引起堆焊金屬彎曲斷裂的主要原因是經(jīng)熱處理后熔合區(qū)出現(xiàn)寬的析出帶及由此引起的熔合區(qū)硬度提高。

4. 解決措施

根據(jù)以上分析，堆焊金屬側(cè)彎試樣斷裂的主要原因是熔合區(qū)處出現(xiàn)了明顯的碳化物析出帶以及由此引起的該區(qū)域的強度提高，因此，延緩碳化物的析出可以有效解決側(cè)彎性能差的問題。

在滿足N B/T 4 7 0 1 8中FM316L—E堆焊金屬化學成分要求的條件下，通過焊劑向堆焊金屬過渡Mo元素，調(diào)整后的堆焊金屬側(cè)彎性能良好。對調(diào)整前后的堆焊層熔合區(qū)進行金相觀察和顯微硬度分析，具體結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)過調(diào)整，堆焊金屬熔合區(qū)熱處理后仍有一條較為明顯的析出帶，但其寬度則顯著減小，由調(diào)整前的約70μm減小到5μm，從顯微硬度對比可知，堆焊層金屬的顯微硬度較調(diào)整前也有明顯下降，這些改善保證了堆焊金屬的側(cè)彎性能。

5. 結(jié)語

通過分析引起316L不銹鋼堆焊金屬熱處理后彎曲斷裂的原因，采取了行之有效的解決方案。通過調(diào)整焊劑配方并向堆焊金屬中過渡Mo元素，堆焊金屬與底板金屬熔合區(qū)析出物數(shù)量和析出帶寬度有了明顯降低，進而使得整個堆焊層的顯微硬度有了明顯降低，從而解決了彎曲斷裂問題。

[1]王家淳，陳勇.超低碳奧氏體不銹鋼帶極電渣堆焊層晶間相析出機理[J].焊接，1999（12），18-21.

圖3 熔合區(qū)熱處理前后金相顯微硬度對比

圖4 調(diào)整前后堆焊金屬顯微硬度對比

張文軍等，洛陽雙瑞特種合金材料有限公司。