CO2气保焊药芯焊丝堆焊不锈钢评定试验

作者：郗峰波 符治 李晴

欢迎访问e展厅 展厅 12 焊接材料展厅 焊锡, 焊锡膏, 铜焊条/钎焊材料, 银焊料, 铝焊料, ... 摘要：本文采用CO2气体保护焊药芯焊丝在低合金钢上自动堆焊奥氏体不锈钢工艺进行评定试验。当稀释率过大时，CO2气体保护药芯焊丝堆焊不锈钢时过渡层塑性较差，弯曲试验时容易在过渡层产生裂纹。焊接过程中采用合适的焊接工艺参数，严格控制层间温度可以提高过渡层塑性。 对于各类大型厚壁容器的筒体、封头等部件的内壁堆焊通常采用带极堆焊，接管等部件采用手工堆焊；随着煤化工产业的发展需要，堆焊的设备越来越多，为提高生产效率，降低焊工劳动强度，结合承制的产品特点进行了CO2气体保护药芯焊丝自动堆焊不锈钢工艺试验研究。通过焊材的选择、焊前预热、焊后处理、工艺参数等方面的工艺研究，获得了满意的堆焊效果。 1基层焊接性分析 1.1基层13MnNiMoR机械性能 基层材料13MnNiMoR机械性能见表1、化学成分见表2。 1.2 基层13MnNiMoR的焊接性 13MnNiMoR是我国应用最广的压力容器用热处理强化钢，供货状态通常为正火+回火，正火温度约为980℃, 回火温度为680℃。根据国际焊接学会碳当量公式计算13MnNiMoR的w（C）= 0.573%。说明其具有一定的冷裂倾向；该钢焊接时应采取预热、后热等措施。 按照国产合金钢的预热温度计算公式，可初步确定13MnNiMoR钢板焊前预热温度： T0=-214+324Pcm+17.7[H]+0.14σb + 4.73δ 式中Pcm—化学成分冷裂敏感指数，经计算，Pcm=0.2717；[H]—熔敷金属扩散氢含量，按GB 3965-1995《熔敷金属中扩散氢测定方法》测定，这里取[H] =6mL/100g；δ为试验用钢板厚度，δ=25mm。将已知数据代入公式得To =188.78℃。由于预热温度越高母材熔深越大，对于堆焊来讲是不理想的。因此堆焊时，比同材质母材焊接时预热温度要低50℃，所以在堆焊第一层时对母材预热温度100~150℃。但在堆焊以后各层不必预热而应控制层间温度。 1.3 奥氏体不锈钢堆焊易出现的问题 1.3.1焊接裂纹 1.3.1.1焊缝金属的高温裂纹 对于奥氏体组织的不锈钢焊缝都有产生热裂纹的可能，堆焊时也存在这个问题。在正常施焊的场合，可以通过选择合适的焊接材料成分以及合理的焊接工艺措施等保证焊缝金属中含有一定量的铁素体组织（一般铁素体含量在3%~12%之间），可以有效的防止焊接热裂纹的产生。 1.3.1.2堆焊层下裂纹 堆焊层下裂纹是指，发生在堆焊层下母材热影响区某一特定部位的微小裂纹，一般深度在2.5mm左右或更小。影响因素主要是母材的化学成分、金相组织以及残余应力的大小和分布。 通常在生产中采用控制热输入或堆焊2层使粗大晶粒细化的方法防止堆焊层下裂纹。 1.3.2焊后热处理 1.3.2.1 堆焊区域的脆化 在经过长时间的焊后热处理，堆焊金属由于碳化物析出和部分铁素体向σ相转变而产生脆化，表现在吸收功明显下降，冷弯试验容易出现裂纹。堆焊金属的含碳量和铁素体含量越高, 热处理参数越高，这种脆化越严重。 1.3.2.2 焊缝金属和母材临界区的脆化 由于热处理的作用，母材的碳渗入堆焊金属形成碳化物的部分，硬度提高，产生脆化。在渗碳层最高硬度HV≥400~450时，发生弯曲试验中的微小裂纹。 1.3.2.3 堆焊层敏化，耐晶间腐蚀能力降低 由此可见，焊后热处理对奥氏体不锈钢堆焊层是不利的，但又不得不进行；为了解决这一矛盾，一般要求堆焊后的金属达到低碳或超低碳的成分，焊接金属中的δ铁素体含量不能太高，焊后热处理的参数必须认真计算，使堆焊金属尽量经受焊后热处理的作用。 1.4 堆焊材料熔敷金属化学成分及焊丝性能 采用昆山京群科技股份有限公司生产的CO2气体保护自动堆焊不锈钢药芯焊丝GFS-309L、 GFS308L进行堆焊试验。 GFS-309L，GFS-308L是氧化钛型渣系CO2气保护超低碳不锈钢药芯焊丝, 焊接工艺性能良好，飞溅小，电弧燃烧稳定，脱渣容易，焊缝成形美观，GFS-309L可用于容器内壁过渡层堆焊；GFS-308L可用于容器内壁耐蚀层堆焊。GFS-308L熔敷金属为奥氏体组织中含有适量铁素体，因此裂纹敏感性低。焊接性能优良，焊态及热处理状态下熔敷金属均具有良好的耐蚀性和力学性能。试验所用气保护药芯焊丝熔敷金属化学成分见表3。 2焊接工艺参数 2.1工艺参数对焊接质量的影响 CO2气保焊自动堆焊时焊接工艺参数主要有焊接电流、电弧电压、焊接速度、搭接量、CO2气体流量等。 堆焊时焊接电流和焊接电压对焊道的成形及稀释率的影响基本相似，在堆焊过渡层时应选择焊丝适用电流、电压范围的中间偏小值；在焊接电流、电压一定的情况下，焊接速度不能过大，因为焊接速度过大时会增大稀释率。如选择20~24m/h的焊速配合170A ±10A电流，选择32V焊接电压，可控制过渡层焊缝稀释率在20%~28%之间；堆焊耐蚀层时焊接电流和电压可适当增加，焊接速度同时适当增加，尽量快速焊接，堆焊时焊道之间的搭接量由焊缝宽度b决定，一般取值为1/2b, 这样既可以使熔深减少并趋于一致，又可得到平整美观的焊缝，这里搭接量取约6mm。 CO2气体流量选用20~25L/min 。药芯焊丝中含有稳弧剂、造渣剂和合金元素，可以获得稳定的堆焊焊接过程, 同时改善了对凝固过程中焊缝金属的保护。使用CO2气体保护堆焊时，药芯焊丝可以对熔池进行气-渣联合保护。 2.2焊接工艺参数 本次试验所采用的焊接工艺参数见表4。 3试验结果 3.1焊缝外观尺寸 堆焊焊道外观尺寸见表5。 3.2无损检测 堆焊完成的表面按JB/T4730-2005, 进行100%UT检测和100%PT检测，均未发现超出标准的缺陷存在。 3.3力学性能试验 按JB4708-2000做4个侧弯试样及硬度（HV10）检测。试验数据见表6。 3.4化学成分分析 在距耐蚀层表面0.5~2mm内取样, 试验数据见表7。化学成分分析结果表明耐蚀层焊缝金属碳含量、铁素体含量满足要求，可以保证晶间腐蚀的要求。 3.5晶间腐蚀试验 耐蚀层晶间腐蚀试验按GB4334.5 -2000《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验》, 试样尺寸：80mm×20mm×3mm，试样数量：2个。经过试验，堆焊层均无晶间腐蚀倾向。按照按WRC图计算得出铁素体含量大约6%。 3.6金相观察 通过金相试验观察，未见宏观焊接缺陷；过渡层熔合良好。金相照片见附图。 4结束语 4.1 采用CO2气体保护焊药芯焊丝自动堆焊方法堆焊铬镍奥氏体不锈钢时控制焊接电流、电弧电压、焊接速度在适当的范围内，可以得到化工容器内壁堆焊耐蚀层对化学成分的要求。 4.2 CO2气体保护焊药芯焊丝自动堆焊不锈钢，严格控制层间温度≤100℃，堆焊过渡层时严格控制稀释率在20% ~28%之间，可以保证过渡层塑性。 参考文献 [1] 陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 北京: 机械出版社. 2009. 10 [2] 和少卿,王朝前,吴国权: 药芯焊丝及应用[M].北京: 化学工业出版社, 2009.3 [3] JB4708钢制压力容器焊接工艺评定.JB 4708-2000.

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