王天先，邱伏礼，张 凯，刘宝剑

(青岛兰石重型机械设备有限公司，山东青岛 266426)

0 引言

CO2气体保护焊用药芯焊丝堆焊因具有生产效率高、焊缝成形美观、焊后熔渣薄且易去除，适应全位置焊接，可进行半自动和自动化的焊接等诸多优点，药芯焊丝电弧焊(FCAW)不锈钢双层堆焊技术已在加氢设备零部件内壁堆焊中应用。目前，单层宽带极堆焊技术已在国内外压力容器领域得到应用[1]，也是大型压力容器耐蚀层堆焊的发展方向，但FCAW单层堆焊技术在国内外鲜见使用。近几年，焊材厂商均在积极研发不锈钢FCAW单层堆焊焊材。本次试验采用日本神钢CO2气体保护309LCb不锈钢药芯焊丝，主要控制堆焊焊道之间的搭接量，减少堆焊层由于稀释而造成的增碳、合金元素降低及焊后热处理所形成的增碳带，通过含Cb元素稳定化的超低碳型不锈钢焊材来降低碳含量，使堆焊层具有优良的抗H2S等介质的应力腐蚀性能[2]。本文按照《加氢高压设备用单层堆焊材料工程技术条件》的要求，对FCAW单层不锈钢堆焊进行焊接评定及试验。

1 评定试验及试验条件

(1)试验采用350 mm×240 mm×40 mm的 12Cr2Mo1R试板，其化学成分如表1所示；采用∅1.6 mm日本神钢309LCb药芯焊丝熔敷金属，其化学成分见表2。

表1 12Cr2Mo1R钢板化学成分

表2 309LCb焊丝熔敷金属化学成分

(2)试验采用OTC半自动CO2气体保护焊接设备，预先设置焊接工艺参数(见表3)，进行单层堆焊。试件S1，S2焊道搭接量分别为2～3 mm,0～-1 mm，其余参数均相同。堆焊前试件表面按NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》进行100%磁粉检测合格。堆焊层焊道搭接量用S表示，具体搭接量如图1所示。

表3 CO2气体保护药芯焊丝单层堆焊工艺参数

(a)试件S1 (b)试件S2

(3)试件焊接后分别进行最小模拟焊后热处理[Min.PWHT(690±14) ℃×8 h]和最大模拟焊后热处理[Max.PWHT(690±14) ℃×32 h)]，装炉温度≤400 ℃，升、降温速度≤55 ℃/h，试件随炉冷至400 ℃以下出炉空冷。

(4)在堆焊层表面往下测定堆焊层的厚度、熔深及稀释率。技术条件要求堆焊层厚度≥4.5 mm，有效厚度3 mm；熔深≥0.8 mm；稀释率≥16%。

(5)焊接状态下，从堆焊层表面开始每间隔0.5 mm、直至距表面3 mm检测堆焊层的化学成分、铁素体数(FN)，且化学成分及铁素体数应满足表4中要求。

表4 距表面3 mm处堆焊层化学成分(%)及铁素体数FN要求

(6)试件经Max.PWHT后，进行堆焊层剪切强度、侧弯、硬度、晶间腐蚀试验及氢致剥离试验。

2 检测项目及结果分析

2.1 工艺性及外观成形

单层堆焊焊材焊接工艺性较好，送丝顺畅，电弧稳定性好，飞溅小，脱渣性好；堆焊层表面无粘渣、气孔等工艺缺陷；堆焊层焊道间的搭接量如欠佳，将对堆焊层的侧弯性能影响较大[3]。试件S1,S2堆焊层焊道外观如图2所示。可以看出，试件S1堆焊焊道之间搭接平整，表面成形美观，焊道宽度为16～20 mm，表面不平度最大为0.8 mm；试件S2堆焊焊道之间搭接较平整，表面成形尚可，焊道宽度18～22 mm，表面不平度最大为1.1 mm。

图2 试件堆焊层焊道外观

2.2 无损检测

对焊态下和经Max.PWHT的试件，分别按NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》、NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》，对堆焊层表面进行100%PT检测、结合面进行100%UT检验，检测结果均合格。

2.3 堆焊层厚度及熔深检测

采用超声波测厚检测堆焊层厚度，试件S1为4.6～4.9 mm，试件S2为4.2～4.6 mm；采用宏观金相测量堆焊层厚度，试件S1为4.6～5.0 mm，试件S2为4.3～4.7 mm。堆焊层熔深平均值约为0.83 mm，见图3。

图3 堆焊层熔深宏观检测

2.4 堆焊层化学成分及铁素体数检测

焊态下试件S1,S2堆焊层距表面不同位置的化学成分结果见表5，并根据“WRC—1992(FN)图”计算出堆焊层铁素体数FN[4]；同时从堆焊层表面开始每隔0.5 mm、直至距表面3 mm处，按GB/T 1954—2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》检测铁素体数，每个位置测6点，结果见表6。

表5 焊态下堆焊层不同位置化学成分(%)及铁素体数FN

表6 焊态下堆焊层不同位置磁性法铁素体数FN测量结果

由表5,6可以看出，试件S1,S2堆焊层化学成分均满足技术条件的要求；从堆焊层表面至距表面3 mm处，C含量呈增加趋势，Cr,Ni含量呈降低趋势，其他元素含量较稳定；但试件S2化学成分比试件S1变化幅度大，说明焊道搭接量少对堆焊层化学成分有一定的稀释。因此，在堆焊过程中焊道间的搭接量控制在2～3 mm为最佳，这样既能保证堆焊过程的稳定性，又能确保堆焊层各元素含量满足技术要求。

众所周知，堆焊层中各元素的含量因母材的稀释和焊接过程中电弧的氧化烧损而低于原焊材中的各元素含量，但Ni元素属于不锈钢焊缝金属中活性小的合金元素，在堆焊过程中基本不参与氧化反应，只有母材的稀释，因此，可通过Ni元素的含量的变化计算堆焊层的稀释率[5]。

通过表2和表5中 Ni元素含量，根据公式CO=DCb+(1-D)Cd(式中，CO为元素在堆焊层中的实际质量百分含量；D为稀释率；Cb为元素在母材中的质量百分含量；Cd为元素在非稀释堆焊层中的质量百分含量，此处的Cd即为原焊丝熔敷金属中Ni元素的质量百分含量)[6]，计算从堆焊层表面开始每隔0.5 mm、直至距表面3 mm处，试件S1最大稀释率D约为18.2%，试件S2最大稀释率D约为22.3%，因此应控制焊道搭接量来降低堆焊层化学元素的稀释，保证堆焊层的化学成分。

奥氏体不锈钢的堆焊层如是单相奥氏体会产生热裂纹，因此需在奥氏体焊缝中有一定量的铁素体是非常必要的[7]。从表5,6中可以看出，在焊态下的堆焊层从表面往下3 mm范围内，按“WRC-1992(FN)图法”计算的堆焊层铁素体数FN在6.9～9.7之间，磁性法检测的铁素体数FN在7.3～8.6之间，均满足技术要求，且两者的数据基本吻合；但从堆焊层表面往下直至距表面3 mm 处，堆焊层铁素体数呈下降趋势，且试件S2下降趋势较大，表明焊道搭接量对堆焊层铁素体数也有一定的影响。

2.5 堆焊层弯曲性能检测

(1)试件S1,S2经Max.PWHT热处理后，按NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》要求，分别制备弯曲试验各8件，其中每个试件大侧弯4件(2件平行于堆焊方向，2件垂直于堆焊方向，a=10 mm,D=4a,α=180°)、小侧弯4件(2件平行于堆焊方向，2件垂直于堆焊方向，a=3 mm,D=4a,α=180°)，垂直和平行于焊道的试样均无超标缺陷。

(2)在试件经过最大热处理后，按照GB/T 4340—2012《金属材料 维氏硬度试验》进行硬度检测，测量位置如图4所示，其堆焊层表面5点、堆焊层中间5点、熔合线5点、母材3点，每隔2 mm打1点，检测结果如表7所示。由表7中可以看出，堆焊层硬度值均满足技术条件要求值≤237HV10。

图4 堆焊层硬度检测示意

表7 堆焊层硬度检测结果(硬度HV10/15)

(3)试件经Max.PWHT后，按照GB/T 6396—2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》加工剪切试样2件，检测堆焊层与母材结合面的剪切强度，其中试件S1为430,435 MPa，试件S2为450,465 MPa，均满足标准剪切强度不小于210 MPa的技术要求。

2.6 金相检测及分析

试件S1经Max.PWHT后，按照GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》及GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对试件横截面(包括堆焊层和母材)进行宏观金相及微观金相组织检测，横向受检面在20倍放大镜下观察，未发现裂纹、孔穴、夹杂、未熔合、未焊透等焊接缺陷；堆焊层结合面熔合良好，母材和热影响区显微组织为贝氏体，堆焊层显微组织为奥氏体+少量铁素体，在熔合线母材侧有宽窄不一的脱碳层，而堆焊层侧有深度不一的增碳区和Cr的稀释层，在熔合区一般易出现低碳马氏体黑带[8-10]。图5示出试件S1不同区域的显微金相组织。

(a)堆焊层及母材熔合线 (b)母材

2.7 晶间腐蚀试验

试件S1，S2经Max.PWHT后，按GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》中的E法，制作100 mm×20 mm×3 mm的晶间腐蚀试样2件，经腐蚀后，采用直径为5 mm压头进行弯曲180°，试件S1表面无晶间腐蚀产生的裂纹，试件S2有1件出现晶间腐蚀裂纹，表明焊道搭接量过少造成堆焊层厚度减薄，使堆焊层产生增碳、Cr的稀释增加，堆焊层晶间腐蚀倾向加大。

2.8 氢剥离试验

加氢反应器处在高温、高压、临氢介质状态下，堆焊层和母材之间的界面在正常操作过程中积累了较多的氢，当停工快速降温时，基体内溶解的氢来不及逸出被困在界面上，沿堆焊层向外扩散[11]，由于堆焊层和母材金属的热膨胀系数不同，冷却时内壁比外壁降温快，产生大的切向应力，在比较薄弱的部位产生剥离，称氢剥离裂纹。两焊道的搭接部位最易产生氢剥离裂纹，剥离裂纹大多为片状，且基本平行于堆焊层的熔合面一侧，且沿着熔合面上粗大奥氏体晶粒的晶界形成和扩展。试件S1在经Max.PWHT后，制作∅73 mm×45 mm氢剥离试棒，试验按照ASTM G146-01—2007标准进行。

(1)第1次循环：充氢压力18 MPa，升温速率50 ℃/h，保温温度为(475±2) ℃，保温时间48 h，降温速率为(150±5) ℃/h，氢气纯度为98.9%。

(2)第2次循环：充氢压力18 MPa，升温速率50 ℃/h，保温温度为(475±2)℃，保温时间48 h，降温速率为(260±5)℃/h，氢气纯度为98.9%。

(3)试验结果：在试样充氢前、第1次循环结束、第2次循环结束后48 h和7天后，分别按照ASTM G146-01—2007对堆焊层结合面进行超声波检测，均未产生剥离现象。

3 结论

(1)采用日本神钢CO2气体保护焊用309LCb不锈钢药芯焊丝进行单层堆焊，焊道搭接量在2～3 mm时，焊接工艺性良好，焊道表面成形美观，表面不平度最大0.5 mm，单层堆焊厚度大于4.5 mm，堆焊层及结合面无损检测未发现超标缺陷；焊道搭接量在0～-1 mm时，表面不平度最大1 mm，单层堆焊最小厚度为4.2 mm，会产生晶间腐蚀现象。

(2)焊道搭接量在2～3 mm时，堆焊层厚度大于4.5 mm，从堆焊层表面往下直至距表面3 mm 处，堆焊层化学成分、铁素体数FN，堆焊层各项理化性能、硬度值、晶间腐蚀、显微金相组织等，均符合技术条件要求，且氢剥离试验合格。

(3)试验结果表明，日本神钢CO2气体保护焊用309LCb不锈钢药芯焊丝采用单层堆焊工艺，控制合适的焊道搭接量，堆焊层各项性能均能满足《加氢高压设备用单层堆焊材料工程技术条件》的要求。