S30408不銹鋼活性焊接工藝評(píng)定及耐腐蝕性能研究

王 玉張嶺海李曉玲王 鵬

(1.沈陽特種設(shè)備檢測(cè)研究院 沈陽 110035)

(2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)壓力容器有限公司 沈陽 110869)

S30408不銹鋼活性焊接工藝評(píng)定及耐腐蝕性能研究

王 玉1張嶺海2李曉玲1王 鵬2

(1.沈陽特種設(shè)備檢測(cè)研究院 沈陽 110035)

(2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)壓力容器有限公司 沈陽 110869)

針對(duì)采用活性焊接新技術(shù)獲得的S30408不銹鋼板焊接接頭，進(jìn)行了成型、力學(xué)性能和晶間腐蝕性能檢測(cè)與試驗(yàn)。結(jié)果表明，活性焊接熔深明顯增加，正反（背）面成型良好，工藝簡(jiǎn)單；接頭的強(qiáng)度、塑性及硬度滿足使用要求；晶間腐蝕后焊縫區(qū)鐵素體平均含量達(dá)到10.8%，具有優(yōu)越耐蝕性能。

活性焊接 力學(xué)性能 晶間腐蝕

活性焊接是基于傳統(tǒng)氬弧焊技術(shù)發(fā)展的一種新興焊接技術(shù)，即通過在焊件表面涂覆一種活性劑，實(shí)現(xiàn)電弧收縮、熔深增加，進(jìn)而提高焊接效率。具有操作簡(jiǎn)單，無需專用設(shè)備、減小焊接變形等優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)效益明顯，應(yīng)用前景廣闊。

目前活性焊接研究方向主要集中在活性劑熔深增加機(jī)理的研究、不同材料活性劑配方的研制等方面[1-5]。我國(guó)學(xué)者已在碳鋼、不銹鋼、鈦合金及鎳基合金等材料的活性焊技術(shù)領(lǐng)域取得一定成就[6,7]，但在壓力容器等承壓設(shè)備焊接領(lǐng)域應(yīng)用研究方面的資料還尚未多見，不銹鋼活性焊接工藝仍需進(jìn)一步優(yōu)化，接頭耐蝕性能等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步積累。

本文選取S30408（δ6mm）試件，按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》規(guī)則進(jìn)行活性焊接工藝評(píng)定，并對(duì)焊接接頭的耐腐蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)，為活性焊接技術(shù)在壓力容器等承壓設(shè)備焊接領(lǐng)域的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用6mm厚的S30408鋼板，ER308（φ3.2mm）焊絲，分別符合GB 24511—2009《承壓設(shè)備用不銹鋼板及鋼帶》和NB/T 47018—2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》技術(shù)要求。母材及焊材化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

表1 S30408及ER308的化學(xué)成分、力學(xué)性能

2 焊接性試驗(yàn)

焊接前將試件坡口兩側(cè)清理干凈，均勻涂抹約10mm寬的活性劑層，活性劑型號(hào)FS-L07，待活性劑干后（約3min），采用手工TIG方法焊接。焊接工藝如下：組對(duì)間隙0mm，不開坡口，采用底層自熔，面層蓋面焊的多層焊工藝（總計(jì)焊接兩層），電流150A，電壓9～12V，焊接速度10～11cm/min，層間溫度120℃；接頭形式如圖1所示。

圖1 焊接接頭形式示意圖

3 無損檢測(cè)

試件焊接完成后采用XXQ-225型X射線探傷儀對(duì)焊縫內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行射線檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，結(jié)果符合JB/T 4730.2—2005質(zhì)量要求。

4 成型檢測(cè)

對(duì)焊接后的試件進(jìn)行宏觀成型及截面檢測(cè)，腐蝕試劑王水。結(jié)果見圖2。

圖2 焊縫外觀圖

由圖2可見，焊縫背面過流充分，焊縫成型良好。焊縫寬度較常規(guī)TIG焊明顯變窄，這主要是由活性焊接過程中熔池表面張力梯度發(fā)生改變引起的[8]。焊縫背面余高1mm，表面無咬邊、氣孔等缺陷存在；外觀質(zhì)量檢測(cè)合格。

5 力學(xué)性能檢測(cè)

5.1 拉伸、彎曲試驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行強(qiáng)度及塑性檢驗(yàn)，拉伸及彎曲試樣見圖3。

圖3 焊接接頭拉伸及彎曲試樣

經(jīng)檢驗(yàn)，試樣塑斷于焊縫區(qū)，抗拉強(qiáng)度分別為630MPa和605MPa，接頭強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度，且屈強(qiáng)比適中，滿足接頭對(duì)強(qiáng)度的要求；彎曲試樣完好無裂紋，滿足接頭對(duì)塑性的要求。拉伸及彎曲檢驗(yàn)結(jié)果符合NB/T 47014—2011的要求。

由于焊接接頭是由焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)組成的不均勻體，各區(qū)的組織、強(qiáng)度、塑性等差別較大，試樣在彎曲時(shí)這三區(qū)域中的強(qiáng)度低者首先發(fā)生塑性變形，隨著彎曲角度的增大，不同區(qū)域的強(qiáng)度、塑性差別導(dǎo)致變形不能協(xié)調(diào)而發(fā)生開裂。試樣在彎曲后仍具有優(yōu)良的塑性，表明焊接接頭內(nèi)部無超標(biāo)缺陷，三區(qū)“比較塑性”搭配良好，焊接材料及焊接熱輸入選擇合理，活性焊接工藝滿足接頭實(shí)際性能要求。

5.2 顯微硬度測(cè)定

硬度是評(píng)價(jià)材料抵抗局部變形、壓痕等能力大小的重要指標(biāo)。焊接接頭的顯微硬度常作為初步評(píng)定鋼材焊接性好壞以及選擇合適的焊接參數(shù)的方法之一，硬度又與強(qiáng)度、塑性、裂紋敏感性密切相關(guān)，間接表征了接頭區(qū)域的顯微組織的變化，因此研究焊接接頭的顯微硬度有重要的意義。對(duì)試件焊接接頭區(qū)域進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示：

圖4 焊接接頭顯微硬度分布

由圖4可見，接頭的焊縫區(qū)硬度最低，熱影響硬度較高，但兩者均低于母材硬度；其主要原因分析如下：焊縫區(qū)為鑄態(tài)組織，受焊接熱輸入影響，組織發(fā)生粗化，顯微硬度降低；熱影響區(qū)由于受多重焊接熱循環(huán)影響，組織變化較為復(fù)雜，顯微硬度較焊縫有所提高[9-10]；母材沒有受焊接熱循環(huán)影響，硬度值最高[11]。

6 晶間腐蝕試驗(yàn)

按照GB/T 4334—2008《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》E法進(jìn)行試驗(yàn)。試樣規(guī)格80mm×20mm×4mm，數(shù)量2個(gè)，試樣打磨光亮，表面粗糙度不大于0.8μm；試驗(yàn)溶液硫酸-硫酸銅溶液。試樣經(jīng)在腐蝕液中連續(xù)加熱，保持微沸狀態(tài)16h。試驗(yàn)后對(duì)試樣清洗、干燥后彎曲，彎曲角度180°。結(jié)果如圖5所示：

圖5 晶間腐蝕試樣形貌

試樣彎曲后仍具有良好的塑性，表面狀態(tài)完好無裂紋，晶間腐蝕試驗(yàn)合格。表明通過選擇合理的焊材控制焊縫金屬的化學(xué)成分以及選擇合理的焊接工藝能夠充分保證活性焊接頭的抗晶間腐蝕性能。

對(duì)晶間腐蝕后的試樣焊縫部位進(jìn)行拋光、腐蝕，檢測(cè)焊縫區(qū)的金相組織，見圖6。

圖6 晶間腐蝕試驗(yàn)后的試樣金相組織

焊縫區(qū)組織特征為奧氏體+鐵素體，晶界沒有出現(xiàn)呈網(wǎng)狀分布的腐蝕溝，晶粒大小較為均勻，鐵素體組織呈游離態(tài)分布；熔合區(qū)晶界無腐蝕溝，鐵素體被顯現(xiàn)；經(jīng)檢測(cè)，晶間腐蝕后的焊縫區(qū)鐵素體平均含量為10.8%。滿足接頭耐蝕性能所必須的4%～12%鐵素體含量要求。

適宜的鐵素體含量對(duì)焊縫的抗腐蝕性能有兩方面影響：一方面鐵素體可以防止貧鉻層在奧氏體晶粒間形成腐蝕的集中通道，同時(shí)鐵素體富含的鉻元素對(duì)于抑制貧鉻層的形成有重要作用，從而提高焊縫的抗晶間腐蝕能力；

另一方面，過多的鐵素體含量不僅會(huì)促使σ等硬脆相的形成，而且能夠與奧氏體由于電極電位不同構(gòu)成微電池，使鐵素體（陽極）優(yōu)先腐蝕，點(diǎn)蝕傾向增加，破壞了焊縫金屬的連續(xù)性[12]，會(huì)大大降低抗晶間腐蝕能力。因此，本工藝條件下活性焊縫的鐵素體含量能夠保證焊接接頭的耐晶間腐蝕性能。

7 結(jié)論

基于以上分析和試驗(yàn)，S30408（δ6mm）活性焊工藝條件下接頭性能總結(jié)如下：

1）活性焊接不需開坡口，焊接兩次完成，工藝簡(jiǎn)單，正反（背）面成型良好；

2）焊接接頭的強(qiáng)度、塑性及硬度滿足性能要求，具有綜合力學(xué)性能；

3）接頭晶間腐蝕后焊縫區(qū)鐵素體平均含量達(dá)到10.8%，具有優(yōu)越耐蝕性能。

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Research on Active Welding Procedure Qualification and Corrosion Resistance of S30408 Stainless Steel

WangYu1Zhang Linghai2Li Xiaoling1Wang Peng2
(1. Shenyang Institute of Special Equlpment Inspection ＆ research Shenyang 110035)
(2. Shenyang Blower Works Group Pressure Vessel Co. Ltd. Shenyang 110869)

The formation, mechanical properties and intergranular corrosion character of welded joint were inspected on the S30408 stainless steel welding joint under the condition of active welding process. The results show that the penetration increases significantly, both positive and negative (back) side mold well with simple process. The strength, plasticity and hardness of joints meets the requirement. The average ferrite content reached 10.8% in the weld zone after intergranular corrosion. Joint has excellent corrosion resistance.

Active welding Mechanical properties Intergranular corrosion

X959

B

1673-257X(2015)11-0011-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.003

王玉（1965～)，男，本科，副院長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事無損檢測(cè)、壓力容器制造監(jiān)督檢驗(yàn)、壓力容器定期檢驗(yàn)、氣瓶檢驗(yàn)、壓力管道檢驗(yàn)及相關(guān)的鑒定評(píng)審工作。

2015-06-24）