Q345R雙層堆焊E309L-16的焊接工藝和性能研究

潘曉棟，趙樹芬，張力

（二重（鎮(zhèn)江）重型裝備有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

目前，催化裂化汽油占車用汽油總量的70%，因而催化裂化裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)汽油穩(wěn)定生產(chǎn)和碳減排的關(guān)鍵[1]。由于內(nèi)部介質(zhì)的特性，催化裂化裝置堆焊層易造成腐蝕和開裂，存在泄漏和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，可能引發(fā)爆炸、著火等安全事故。因此，設(shè)計(jì)和制造該類鋼制壓力容器都有嚴(yán)格的要求[2-3]。同時(shí)，該類壓力容器設(shè)備內(nèi)壁為臨氫、強(qiáng)腐蝕等環(huán)境下，普通的壓力容器用鋼板不能夠滿足耐腐蝕要求，需要在內(nèi)壁堆焊不銹鋼隔離層，不銹鋼層可以滿足內(nèi)壁的腐蝕環(huán)境要求。通過堆焊不銹鋼層，能夠不改變?cè)O(shè)備本體的力學(xué)性能要求，堆焊方式也可以提高設(shè)備生產(chǎn)效率，降低制造成本。目前，大部分石化類壓力容器的內(nèi)壁采用雙層堆焊不銹鋼過渡層（不銹鋼309）+耐蝕層（不銹鋼308、347、316等）[4-5]。

Q345R鋼屬于低合金高強(qiáng)度鋼，是生產(chǎn)壓力容器的常用材料，該種鋼具有焊接性能優(yōu)良、強(qiáng)度和韌性較高、耐蝕性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于壓力容器主體基材制造中，目前是我國用途最廣、用量最大的壓力容器鋼板。然而Q345R的防腐產(chǎn)品有時(shí)候并不能勝任苛刻的腐蝕環(huán)境，要在其內(nèi)壁堆焊一層不銹鋼層，以提高其使用性能。

近期我公司承制的某項(xiàng)目中催化裂化裝置產(chǎn)品采用了Q345R鋼?？紤]服役環(huán)境溫度、壓力、介質(zhì)及成本等因素，內(nèi)壁選擇了具有良好的抗裂性能、抗腐蝕性能及抗氧化性能的E309L焊條[6-7]；并按設(shè)計(jì)技術(shù)要求，最終選擇了采用了手工電弧焊雙層堆焊E309L。雙層堆焊不僅可以降低基層的稀釋，保證了堆焊層的性能，還可以使應(yīng)力呈階梯分布，緩和應(yīng)力并減少裂紋產(chǎn)生。為了確保壓力容器能夠安全、平穩(wěn)、長周期地運(yùn)行，本文在產(chǎn)品制造前期按照產(chǎn)品技術(shù)要求開展了相關(guān)焊接工藝試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選擇Q345R鋼為基體材料，其化學(xué)性能和力學(xué)性能應(yīng)符合GB/T 713—2014標(biāo)準(zhǔn)，尺寸為40 mm×300 mm×200 mm，熱處理狀態(tài)為正火，其化學(xué)成分如表1所示；填充焊條為E309L-16，應(yīng)符合NB/T 47018—2017標(biāo)準(zhǔn)，尺寸為φ4.0 mm，其化學(xué)成分如表2所示。

表1 Q345R鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 E309L-16焊條的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 試驗(yàn)工藝

1.2.1 焊接工藝選擇

在常溫下堆焊Q345R鋼板時(shí)，使用E309藥芯焊絲進(jìn)行藥芯焊接是一種常見的選擇[8-10]。這種材料可以提供良好的強(qiáng)度和耐腐蝕性能，有助于提高工件的整體性能。同時(shí)，E309藥芯焊絲還具有良好的可操作性，可以快速進(jìn)行焊接，并且可靠性較高。

為了保證焊接效果，需要采用適當(dāng)?shù)臍怏w保護(hù)，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（Flux-Cored Arc Welding-Gas Shielded，F(xiàn)CAW -G）通常使用Ar+CO2混合氣保護(hù)。此外，還需要根據(jù)鋼板的厚度和焊接位置來確定焊接電流和速度等參數(shù)，以確保焊縫質(zhì)量。在堆焊雙層E309藥芯焊絲時(shí)[11]，應(yīng)在下層焊縫固化之后再進(jìn)行上層焊縫的焊接。同時(shí)，在對(duì)上層焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，需要注意控制焊接熱輸入、保持適當(dāng)?shù)拈g距、避免過度進(jìn)熱等問題，以免對(duì)下層焊縫產(chǎn)生不良影響。

項(xiàng)目初期，選擇FCAW-G焊接，常溫下在Q345R鋼板堆焊雙層E309藥芯焊絲，過渡層焊后選擇了緩冷，未進(jìn)行消氫處理，在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，從母材和過渡層的熔合區(qū)產(chǎn)生了彎曲裂紋；而在相同工藝參數(shù)下，經(jīng)過焊前預(yù)熱和焊后消氫后的試板，沒有產(chǎn)生彎曲裂紋（如圖1）。因此，在使用FCAW-G焊接時(shí)，應(yīng)選擇焊前預(yù)熱和焊后消氫。

圖1 FCAW-G焊接彎曲試樣

然而，根據(jù)工藝技術(shù)條件，不允許采用FCAW-G焊接進(jìn)行受壓元件之間的焊接及受壓元件與非受壓元件之間的焊接，并結(jié)合公司技術(shù)條件，在此類焊接區(qū)，選擇了較為成熟的手工電弧焊（Shielded Metal Arc Welding，SMAW），吸取了FCAW-G焊接的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了焊前預(yù)熱和焊后消氫工藝。為了驗(yàn)證此工藝的合理性，按照產(chǎn)品技術(shù)要求開展了相關(guān)焊接工藝試驗(yàn)。

1.2.2 工藝參數(shù)

采用SMAW焊接對(duì)Q345R鋼板表面進(jìn)行局部雙層堆焊E309L-16，要求堆焊層總厚度≥5.0 mm。焊接前對(duì)Q345R鋼板表面打磨，避免氧化膜和油污對(duì)堆焊層性能造成影響，按照NB/T 47013.4—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堆焊層表面進(jìn)行磁粉MT檢測(cè)，要求100%檢查，檢測(cè)結(jié)果為Ⅰ級(jí)合格。過高的層溫會(huì)使過渡層與母材界面晶粒粗大，易產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)在焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥80 ℃，同時(shí)層間溫度控制在150 ℃以下。為避免焊后因擴(kuò)散氫的量大而產(chǎn)生冷裂紋，過渡層堆焊后應(yīng)立即進(jìn)行消氫處理，在300～350 ℃下保溫2 h。結(jié)合材料特性及試樣尺寸，焊接工藝參數(shù)如表3所示，焊接堆焊層橫截面如圖2所示。

圖2 堆焊層橫截面宏觀示意圖

表3 焊接工藝參數(shù)

為了使堆焊層表面滿足探傷要求，打磨堆焊層表面并進(jìn)行外觀檢查，確保堆焊試板無裂紋、氣孔、夾渣、咬邊等缺陷，按照NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堆焊層表面進(jìn)行滲透PT檢測(cè)，要求100%檢查，檢測(cè)結(jié)果為Ⅰ級(jí)合格。堆焊后在（610±10）℃去應(yīng)力退火，保溫時(shí)間為（2.5±0.5）h，冷卻方式為爐冷＋空冷。熱處理后，再次按照NB/T 47013.3—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堆焊層表面進(jìn)行超聲UT檢測(cè)，要求100%檢查，檢測(cè)結(jié)果同樣為Ⅰ級(jí)合格。焊接合格后，按照試驗(yàn)要求對(duì)試板進(jìn)行標(biāo)記和分切。

2 結(jié)果

2.1 化學(xué)性能分析

2.1.1 化學(xué)成分

根據(jù)GB/T 223—2018標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求對(duì)焊態(tài)和熱處理態(tài)的堆焊層化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，從距磨平表面2.5 mm范圍內(nèi)取樣，結(jié)果如表4所示。并利用磁感應(yīng)法鐵素體測(cè)量儀檢測(cè)其鐵素體含量，分別為15.0%和15.6%。

表4 堆焊層距表層2.5 mm 以下熔敷金屬的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.1.2 微觀組織

對(duì)不同熱處理狀態(tài)下的堆焊層試樣進(jìn)行解剖，在焊道的搭接位置作為解體剖面。并對(duì)剖面進(jìn)行拋光和侵蝕處理，滿足侵蝕要求后，保證能夠區(qū)分熔合區(qū)和本體材料，采用至少5倍放大的鏡片進(jìn)行觀察，結(jié)果都沒有發(fā)現(xiàn)肉眼可見的缺陷。圖3為焊態(tài)和熱處理態(tài)堆焊試件橫截面的宏觀示意圖。從圖3中可以看出，堆焊層與母材冶金結(jié)合良好，堆焊層未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合、氣孔等缺陷。從圖3（a）和圖3（b）中可以看出，母材Q345R由白色不規(guī)則鐵素體δ和黑色層片狀珠光體組成，經(jīng)熱處理后，在結(jié)晶過程中，隨著溫度的降低，從鐵素體中析出滲碳體，與先共析δ鐵素體形成珠光體，因此熱處理后母材Q345R中珠光體含量增多。圖3（b）和圖3（e）分別為焊態(tài)熔合區(qū)和熱處理態(tài)熔合區(qū)，圖3（c）和圖3（f）為焊態(tài)堆焊層和熱處理態(tài)堆焊層，從圖中可以看出，在熔合線附近出現(xiàn)了比較明顯的與熔合線方向相垂直的析出物——δ鐵素體，熔合區(qū)金相組織為奧氏體和δ鐵素體，其中黑色為δ鐵素體相，沿柱狀晶方向生長，白色奧氏體基體，因此堆焊層E309L-16金相組織是白色奧氏體基體和黑色鐵素體，而堆焊層E309L-16經(jīng)熱處理后樹枝狀鐵素體含量增多，鐵素體之間相連部分也較多。

圖3 橫截面金相組織

2.1.3 晶間腐蝕

按照GB/T 4334—2020 標(biāo)準(zhǔn)中E（銅-硫酸銅-16%硫酸）試驗(yàn)方法檢測(cè)焊態(tài)和熱處理態(tài)堆焊試件的晶間腐蝕能力。將堆焊層表面磨平后，從距磨平表面2.5 mm范圍內(nèi)取樣，試樣尺寸為80 mm×20 mm×3 mm，共2件。試樣在經(jīng)過20 h的晶間腐蝕試驗(yàn)后，通過180°彎曲試驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)堆焊層有晶間腐蝕的傾向，試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 4334—2020標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 力性能分析

2.2.1 彎曲性能

根據(jù)NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)中承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)要求，對(duì)焊態(tài)和熱處理態(tài)的堆焊試件應(yīng)進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，測(cè)定堆焊層的抗彎強(qiáng)度。分別加工8個(gè)試樣做橫向側(cè)彎試驗(yàn)，大、小側(cè)彎試樣各4個(gè)，其中取樣方向分別為垂直于堆焊方向和平行于堆焊方向。彎曲試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表5所示。焊態(tài)和熱處理態(tài)的大、小側(cè)彎堆焊試件經(jīng)彎曲試驗(yàn)后，母材、堆焊層及熔合線上均未發(fā)現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)結(jié)果表明，堆焊層的抗彎強(qiáng)度符合NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 堆焊層大小側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 硬度

按照GB/T 4340.1—2019標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊態(tài)和熱處理態(tài)的堆焊試件應(yīng)進(jìn)行表面和側(cè)面硬度檢測(cè)。堆焊層表面硬度是在試樣上任取4點(diǎn)測(cè)量，其值≤250 HV10。側(cè)面硬度的取點(diǎn)位置如圖4所示，測(cè)量值≤248 HV10。圖5（a）為堆焊層硬度分布曲線圖。從圖中可以看出，各區(qū)域的硬度值波動(dòng)不大，說明堆焊層的組織較均勻，致密性較好。圖5（b）為堆焊層各區(qū)域平均硬度。從圖中可以看出，焊態(tài)的平均硬度偏高，經(jīng)熱處理后消除了材料的內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致硬度降低，最終滿足了技術(shù)要求值。

圖4 堆焊層橫截面硬度測(cè)量點(diǎn)

圖5 母材到堆焊層表面的顯微硬度

3 結(jié)語

本次研究對(duì)Q345R鋼板表面進(jìn)行局部雙層堆焊E309L-16，通過對(duì)堆焊層的物理化學(xué)性能檢測(cè)得出以下結(jié)論：1）根據(jù)FCAW焊接工藝試驗(yàn)，Q345R鋼板上堆焊E309L時(shí)，應(yīng)要求進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后消氫處理；2）利用磁感應(yīng)法鐵素體測(cè)量儀測(cè)堆焊層鐵素體含量，焊態(tài)和熱處理態(tài)分別為15.6%和15.0%，說明此堆焊工藝抗晶間腐蝕能力較弱，不能用在對(duì)耐腐蝕性要求較高的容器上；3）經(jīng)熱處理后堆焊層的鐵素體含量較多，其韌性相對(duì)較高，硬度相對(duì)較低，滿足技術(shù)要求；4）此次手工電弧堆焊雙層E309L-16的焊接工藝和熱處理工藝是可行的，可應(yīng)用到生產(chǎn)中。