90 mm宽带极堆焊奥氏体不锈钢的化学成分及铁素体FN分析

陈志林，刘应虎

(中国第二重型机械集团公司，四川德阳 618013)

0 引言

在“300系列”奥氏体不锈钢焊材领域，有一类材料并不是严格意义的纯奥氏体不锈钢，其不锈钢焊缝中含有少量δ相铁素体。这类材料在石油、化工、核电等领域应用广泛，常见的如:(1)加氢反应器、热高压分离器容器内壁双层堆焊TP.309L+TP.347(或单层带极堆焊 TP.347L)，耐蚀层δ相铁素体含量3～10 FN;(2)天然气脱硫装置主吸收塔、水解反应器内壁双层堆焊TP.309L+TP.316(或单层带极堆焊 TP.316L)，耐蚀层δ相铁素体含量3～8 FN;(3)核电站大型RPV、稳压器等设备内壁双层堆焊 TP.309L+TP.308L，耐蚀层δ相铁素体含量5～15 FN(目标值5～12 FN)。这类奥氏体不锈钢焊缝中δ相的有利作用有:(1)可打乱单一γ相柱状晶的方向性，不致形成连续贫Cr层;(2)δ相富Cr，有良好的供Cr条件，可减少γ晶粒形成贫Cr层。由此减少了晶间碳化物沉淀的可能性，提高不锈钢焊缝抗晶间腐蚀的能力。同时，奥氏体不锈钢焊缝少量δ相铁素体的存在对于降低焊缝金属中裂纹和微裂纹是有好处的，会降低焊缝金属的裂纹敏感性，同时可以提高焊缝的强度［1］。

大型石化容器产品制造普遍涉及奥氏体不锈钢带极堆焊技术，其具有熔敷率高、稀释率低的特点，合金过渡均匀稳定。文中主要从90 mm规格宽带极双层堆焊TP.309L+TP.347型不锈钢焊接工艺入手，分析各种焊接因素对奥氏体不锈钢化学成分及铁素体FN的影响机理。

1 宽带极堆焊试验设备

90 mm规格宽带极堆焊试验设备选用恒电压平特性直流电源，等速送丝系统。采用直流、电极接正(DCEP)的方法可以产生更好的焊道边缘形状和更规则的熔敷金属表面。焊接过程中，平特性电源的电压波动很小而电流变化相对较大，焊接过程自调节性能好，送丝速度波动小，电弧电压稳定。由于90 mm规格宽带堆焊电流较大，试验采用的电源为两台ESAB LAF1250并联电源以产生更大的电流，满足宽带堆焊要求，堆焊机头型号为SOUDOKAY 125－ES1－300，机头上配备CED 1 1370 C22 型号磁控装置［2］。

2 宽带极堆焊试验材料

2.1 堆焊试验母材材质

宽带堆焊试验母材试板采用2.25Cr－1Mo－0.25V钢，该钢种已广泛应用于炼油化工行业的临氢设备制造，其化学成分见表1。该钢种属Cr－Mo－V系耐热钢，其淬硬倾向大，冷裂敏感性明显。为防止产生冷裂纹，在进行过渡层 TP.309L型带极埋弧堆焊时，堆焊前对焊件预热≥125℃，过渡层层温控制在200℃以内，以免过高的层温使过渡层与母材界面晶粒粗大。耐蚀层TP.347型带极电渣堆焊在室温下进行，层温≤150 ℃［3－4］。

2.2 宽带极焊接材料

堆焊试验采用瑞典ESAB焊材公司TP.309L+TP.347型奥氏体不锈钢双层堆焊带极焊材:过渡层焊带OK Band 309L，规格0.5 mm ×90 mm，匹配焊剂 OK Flux 10.05;耐蚀层焊带 OK Band 347，规格 0.5 mm × 90 mm，匹配焊剂 OK Flux 10.10。其化学成分见表2。

过渡层焊带OK Band 3 0 9 L名义成分为24Cr13Ni、耐蚀层焊带OK Band 347名义成分为20Cr10Ni，过渡层和耐蚀层焊带的超低碳(C＜0.03%)含碳量，能够有效地防止生成铬的碳化物，降低晶间碳化物沉淀的可能性。而耐蚀层焊带中作为稳定剂加入的Nb+Ta，目的是让碳优先与之结合成NbC，可防止钢中碳和铬结合成铬的碳化物沉淀于晶界而使晶界贫铬。以此降低焊缝金属晶间腐蚀敏感性，以抑制晶间腐蚀的发生。

某些焊材供应商的埋弧焊焊剂有意添加合金成分来调控焊缝金属δ相铁素体比例，焊剂是合金化或活泼的，则焊接条件特别是电压可以导致熔敷金属化学成分的显著变化，高电压产生大的焊剂与金属间的相互作用，所以合金过渡多。而ESAB公司不锈钢带极埋弧焊及电渣焊的焊接材料:为了尽量减少焊缝增Si，以及减少Cr和其他元素的氧化，通常采用碱性焊剂，过渡层焊剂OK Flux 10.05及耐蚀层焊剂OK Flux 10.10均为高碱度型烧结焊剂，基本不向堆焊层焊缝过渡Cr等合金元素，该类焊剂脱渣性好，焊接工艺性良好，成型美观［2］。

3 TP.309L+TP.347型奥氏体不锈钢宽带极堆焊工艺

试验采用ESAB焊材进行双层带极堆焊:过渡层采用带极埋弧堆焊，耐蚀层采用带极电渣堆焊，其焊接规范见表3。过渡层堆焊时，为了保证焊缝合适的合金含量，焊接稀释率不能太大，控制在15%～20%范围较好。电渣堆焊耐蚀层时，堆焊层的稀释率可根据焊材(包括焊带与焊剂)的化学成分含量在8%～15%较宽范围内调节。

堆焊试验过程中，焊接操作者应尽量控制温度:较低的预热及层温控制有利于减弱不锈钢堆焊层δ→σ脆性相的转变倾向、防止晶间腐蚀发生，同时有利于防止堆焊层金属微裂纹的产生。

由于不锈钢堆焊层和2.25Cr－1Mo－0.25V钢母材的线膨胀系数相差较大，堆焊过程中容易产生焊接应力，因此对于焊后的热处理工艺要严格控制，至少应考虑制造、制造返修及用户返修共计3次的热处理。试验采用的最大焊后热处理为:705 ±14 ℃ ×32+2h［3］。

堆焊试板经模拟最大焊后热处理，进行试板解剖，堆焊试板见图1，理化检测性能如下:

图1 堆焊试板图片

(1)铁素体测量仪测量铁素体(焊态):表面铁素体6.9 FN。

(2)堆焊层表面HB硬度 (焊态):187，187，187，187。

(3)截面硬度检测:堆焊层表面HB硬度:197，197，197，197;耐蚀层 HV5硬度:220，218;过渡层HV5硬度:209，217;母材层 HV5硬度:197，190。

(4)晶间腐蚀试验:按 GB 4334.5—2000《不锈钢硫酸－硫酸铜腐蚀试验方法》试验，两件试样经16 h晶间腐蚀试验弯曲180°后检查，均未发现晶间腐蚀倾向。

(5)剖面检查:低倍试样经稀盐酸腐蚀后未发现堆焊层有层下裂纹;

(6)弯曲试验:横、纵向大侧弯(a=10，D=4a，α =180°)各2 件;横、纵向小侧弯(a=3，D=4a，α =180°)各2 件;弯曲180°均无裂纹。

(7)在距堆焊层表面2.5～3.0 mm范围内取样两处进行化学成分分析，其耐蚀层化学成分(焊态)见表4。

TP.309L+TP.347型不锈钢堆焊层在焊接及热处理的条件下，在熔合线2.25Cr－1Mo－0.25V钢母材的碳，通过焊缝边界向奥氏体钢焊缝扩散迁移，在母材侧产生脱碳层，奥氏体堆焊层一侧形成增碳层。由于过渡层埋弧焊工艺稀释率较大，熔合线附近发生C，Cr等元素的扩散和迁移，这会形成脆性碳化铬析出层，随着热处理温度提高和保温时间的延长，C扩散迁移层范围变大，堆焊层脆硬组织增多，这是检测弯曲性能时容易产生裂纹的一个诱发因素:不锈钢堆焊层弯曲过程中过渡层相对于其他区域更容易出现裂纹现象，且裂纹源一般出现在母材与过渡层熔合线处，弯曲过程中，裂纹由过渡层向耐蚀层延伸。同时，焊后经长时间热处理过程，加剧了铁素体δ→σ脆性相的转变倾向，σ相(FeCr金属间化合物)硬而脆，分布在晶界，不仅使焊缝冲击韧性和塑性急剧下降，还将增大晶间腐蚀倾向。因此，在一定程度上减小稀释率对焊缝增C的影响，有利于减少堆焊层脆性相，从而提高焊缝塑韧性，避免理化试验时堆焊层侧弯裂纹产生。

表4 耐蚀层化学成分%

4 宽带极堆焊奥氏体不锈钢的化学成分分析

ESAB公司的90 mm规格 TP.309L+TP.347型奥氏体不锈钢带极焊材系典型的欧洲体系焊材:不锈钢焊带C含量低，一般在0.01%左右，主要合金成分Cr，Ni含量高，有很大的富裕空间。随着焊带规格变宽，堆焊电流随之增大，考虑到焊接烧损及母材稀释等因素，这种“合金成分富裕空间大”的特点有利于焊接操作，堆焊规范参数可调范围大，便于堆焊焊道的成型控制。

结合奥氏体不锈钢焊材合金元素的物化性质，可以分析焊接对其影响机理。从化学元素周期表可见C，Si，P，S，N 等元素氧化性:N ＞C及 S＞P ＞ Si。而 Cr，Mn，Mo，Nb，Ni，Cu，Ti等金属还原性程度:Ti＞Cr＞Mn＞Fe＞Co＞Ni＞Cu及 Nb＞Mo。合金元素的沸点越低，其蒸发损失越大，过渡系数越小。合金元素对氧的亲和力越大，其氧化损失越大，过渡系数越小。资料显示:在1600℃时各种合金元素对氧亲和力程度为:Ti＞Si＞V＞Mn＞Cr＞Mo＞W＞Fe＞Co＞Ni＞Cu，焊接不锈钢时，位于Fe以后的元素几乎无氧化损失，只有残留损失，过渡系数大;而位于Fe以前、远离Fe的元素对氧亲和力很大，氧化损失较多［5］。

通过研究带极堆焊原理可以发现，奥氏体不锈钢堆焊层化学成分的变化主要受到三方面因素影响:

(1)焊带合金元素烧损:Cr，Mn，Nb等容易被氧化的合金元素活性大，焊接过程中会烧损较多量;而Ni，Cu等不太活泼的合金元素则烧损较少。

(2)焊剂成分过渡的影响:有的焊剂主要加入脱氧剂，焊接过程中焊剂通过化学冶金反应使焊缝增Si;有的焊剂除了含脱氧剂还要加入合金剂，以此向焊缝过渡Cr，Mo和Nb等元素，起到调控焊缝合金含量与δ相铁素体比例的作用。

(3)基体母材的稀释作用:采用埋弧焊方法焊接过渡层时，稀释率较大，焊缝与母材界面C，Cr等元素发生激烈扩散和迁移，影响了堆焊层合金含量。而耐蚀层采用电渣焊方法堆焊，稀释率较小，对堆焊层合金含量影响程度较小。

除以上因素外，焊接熔渣中仅有少量的合金残留损失，为次要因素。

综合考虑以上因素，结合试验数据分析，90 mm宽带极堆焊TP.309L+TP.347型奥氏体不锈钢过程中，由不锈钢焊带到耐蚀堆焊层合金成分的变化规律:

(1)C:主要受碳钢或低合金钢母材的稀释作用，增加约0.01 ～0.02;

(2)Si:由于焊剂过渡的作用，增加约0.2～0.6;

(3)Mn:容易被氧化的合金元素，由此烧损较多，减少约0.4 ～0.8;

(4)Cr:活性大，焊接过程中烧损较多，在过渡层堆焊时由于稀释率较大损失较多，减少约2.5～4.0，在耐蚀层堆焊时减少约0.8 ～1.5;

(5)Ni:活性小的合金元素，烧损较少，在过渡层堆焊时由于稀释率较大损失较多，减少约1.5～3.0，在耐蚀层堆焊时减少约0.1 ～0.6;

(6)Mo:烧损较少，变化很小;

(7)Cu:活性小，烧损较少，变化很小;

(8)Nb:活泼的合金元素，容易被氧化，烧损较多，减少约 0.1 ～0.3。

如果不锈钢堆焊过程中，熔敷金属吸入了过量的氮，根据 WRC—1992图［2］(见图2)分析，铁素体FN将会显著降低。高的氮吸入量能导致一个典型的8 FN的堆焊金属降低至0 FN，吸入0.10%的氮一般能降低约8 FN。因此，要保证焊缝中合适的铁素体FN，必须严格限制堆焊金属氮吸入量，一般要求 N≤0.05%［2］。

图2 WRC—1992图

5 宽带极堆焊奥氏体不锈钢的铁素体FN分析

不锈钢带极堆焊工艺参数的选择原则:在保证设计要求的最小堆焊层厚度及良好的外观成型基础上，使堆焊层的各项指标达到技术要求，重点控制堆焊层的铁素体含量。目前，国内石化工业大型加氢反应器双层堆焊(TP.309L+TP.347)型不锈钢，其技术条件通常要求耐蚀层3～10 FN达标。选用WRC—1992图进行铁素体的测定:首先检测不锈钢焊缝的化学成分，然后计算出Creq和Nieq，最后根据WRC—1992图测算出铁素体FN。

带极堆焊奥氏体不锈钢过程中，影响铁素体FN的因素主要有:预热温度、焊接电流、焊接速度及爬坡角度。以WEL公司TP.347L型焊材:焊带 WEL ESS 347SJ规格:0.4 mm ×75 mm，匹配焊剂WEL ESB F－7M，在2.25Cr－1Mo钢试板上进行带极堆焊对比试验以研究焊接工艺参数对铁素体FN的影响情况，试验数据见表5。

由表5试验数据可知:

(1)在其他参数条件一定时，预热温度越高(150℃→220℃)，加剧了焊接时不锈钢铁素体δ→σ脆性相的转变倾向，则铁素体FN的表现趋势是降低。

(2)在其他参数条件一定时，焊接电流越大(1200 A→1300 A)，对焊带最大的作用体现在合金元素的烧损:Cr容易被氧化，是活泼的合金元素，由此烧损较多，而Ni是不太活泼的合金元素，烧损较少，变化很小，由此，一定程度减低Creq，则会导致不锈钢堆焊层铁素体FN的降低。

(3)在其他参数条件一定时，焊接速度越大，使得不锈钢堆焊层厚度变薄，这会增大稀释率，使铁素体FN降低。稀释率在带极堆焊过程中主要受到焊接电流、焊接速度等因素的影响;当减小焊接电流或增大焊接速度都会增大稀释率。

(4)爬坡焊的焊接方式也会增大稀释率，而增大稀释率的结果会导致铁素体含量FN的降低:爬坡角度越大，稀释率越大，由此不锈钢堆焊层铁素体FN越低。车间在进行容器筒体内壁带极堆焊生产时，为了获得良好的堆焊焊道成型，通常焊机机头并不设置在筒体最低点的水平位置，而是根据容器直径大小同时兼顾稀释率因素采用约1°的爬坡角进行焊接。

6 结论

(1)TP.309L及TP.347系含少量 δ相铁素体的奥氏体不锈钢焊材，具有降低焊缝金属裂纹敏感性、提高不锈钢焊缝抗晶间腐蚀能力的特点。ESAB公司90 mm规格宽带极奥氏体不锈钢焊材匹配高碱度型烧结焊剂，脱渣性好，焊接工艺性优良，焊道成型美观;其焊带C含量低，Cr，Ni等主要合金成分含量高，具有较大的合金富裕空间，焊接规范可调范围大，有利于带极堆焊生产。

表5 WEL ESS 347SJ(0.4 mm×75 mm)+WEL ESB F－7M带极堆焊试验数据

(2)奥氏体不锈钢带极堆焊过程中化学成分的变化主要受到三方面因素影响:1)焊带合金元素烧损的影响;2)焊剂成分过渡的影响;3)基体母材的稀释作用影响。通过分析 TP.309L及TP.347型不锈钢焊带合金元素的物化性能、焊剂类型(焊剂中除脱氧剂外，是否含有合金剂)、双层堆焊时过渡层及耐蚀层焊接稀释率等关系，总结了从不锈钢焊带到耐蚀堆焊层合金成分含量的变化规律。

(3)结合试验数据，分析了奥氏体不锈钢带极堆焊工艺参数对铁素体FN的影响规律:预热温度、焊接电流、焊接速度及爬坡角度是铁素体FN的主要影响因素，预热温度越高、焊接电流越大、焊接速度越大、爬坡焊的爬坡角度越大，均会导致不锈钢堆焊层铁素体FN的降低。

(4)对于含少量δ相铁素体的奥氏体不锈钢堆焊焊缝，受焊接及热处理等因素影响，C，Cr等元素会扩散和迁移，在堆焊层形成碳化铬及σ脆性相，从而降低焊缝塑韧性。因此，在一定程度上减小堆焊稀释率对C，Cr等元素的影响，有利于减少堆焊层脆硬组织，避免堆焊层弯曲检测时裂纹的产生。

［1］周振丰.焊接冶金学［M］.北京:机械工业出版社，1995.

［2］ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范Ⅱ材料－C篇 焊条、焊丝及填充金属(2001版)［M］.北京:中国石化出版社，2002.

［3］李晓清，刘志颖，张堃.90 mm宽带极不锈钢双层电渣堆焊工艺试验研究［J］.压力容器，2006，23(5):17－21.

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