热处理对347型不锈钢带极埋弧堆焊层性能的影响

张德金，马 鸣，2，徐祥久，2

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046；2.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，哈尔滨 150046)

0 引 言

铬-钼钢基体堆焊奥氏体不锈钢在耐蚀压力容器中应用十分广范，对于不锈钢堆焊容器产品，纵、环缝坡口处，接管与壳体焊接坡口处的堆焊在产品生产过程中通常是不可避免的。其中绝大部分基材设计为厚壁高等级材质，标准规定铬-钼钢制压力容器焊后需进行整体去应力退火热处理。对于这类铬-钼钢基体堆焊容器而言，热处理有利亦有弊，即适当的热处理有利于消除焊接残余应力、减小应力腐蚀倾向[1]；而弊端是长时间高温热处理易导致不锈钢堆焊层敏华、抗晶间耐蚀性降低等不利影响。

本文以不锈钢带极埋弧堆焊为研究对像，分别制定两种对比方案来进行试验。方案一，试板堆焊耐蚀层后按产品的热处理工艺制度进行消应力热处理；方案二，试板堆焊耐蚀层后在焊态下直接取样试验。对比分析热处理对堆焊试板力学性能及耐蚀性能的影响。

1 试验材料和设备

1.1 试验材料和设备

本试验采用SA-387Gr.11Cl.2铬-钼合金钢试板做为堆焊基材，试板尺寸为50 0 mm×300 mm×60 mm，其化学成分如表1所示[2]。焊接材料选用EQ309L 60×0.5 mm 、EQ347 60×0.5 mm焊带及对应匹配焊剂，焊带化学成份见表1。试验设备选用ESAB LAF 1251电源配CZ20-2×2操作机带极埋弧堆焊。

表1 SA-387Gr.11Cl.2母材及焊带EQ309L、EQ347化学成分(质量分数%)

1.2 试验方法

堆焊采用带极埋弧焊，选用两种方案分别进行堆焊试验，即：

方案一：堆焊完耐蚀层后按SA-387Gr.11Cl.2基材的热处理制度消应力退火热处理，热处理后进行试验；

方案二：耐蚀层堆焊后不进行消应力热处理，即在焊态下进行试验。

1.3 试验过程

试板采用带极埋弧堆焊，过渡层堆焊一层EQ309L，耐蚀层堆焊一层EQ347，方案一、二堆焊工艺详见表2。焊后对堆焊层做无损探伤，探伤结果合格。将堆焊合格的试板分为两块，分别按方案一、二进行相关试验，选用两种方案分别进行试验，方案一热处理曲线如图1所示。

表2 堆焊工艺参数

图1 方案一焊后热处理曲线

2 试验结果与讨论

2.1 焊态铁素体检测结果

对于不锈钢类堆焊产品，通常有焊态铁素体含量要求，且通常要求焊态铁素体含量FN(3-10)。本文也做了焊态铁素体含量测定(磁性法测铁素体)，由于测量在焊态下进行，所以两种方案选用的相同的铁素体试样，具体实验结果详见表3。

表3 铁素体含量(FN)

2.2 弯曲性能试验

考核堆焊层塑性及与堆材的熔合情况，弯曲试验往往是必项目，本文按NB/T47014-2011要求取样做全厚度弯曲性能试验，试样尺寸200×10×66 mm，弯曲结果完好无裂纹。

根据试验结果，方案一、方案二试板堆焊层塑性较好，堆焊层与母材熔合良好，故判断堆焊层性能均可以满足产品的相关技术要求。

2.3 堆焊层化学成分分析

方案一与方案二化学分析试样均在热处理前>取样，故可用同一试样，大部分容器产品技术要求中对堆焊层表面化学成分提出了明确要求，Cr当量与Ni当量共同决定了铁素体数FN，这就要求Cr，Ni元素含量相匹配[3]。铁素体含量过低会导致焊后堆焊层表面产生凝固裂纹，但铁素体含量高，会引起选择性腐蚀热处理后会造成σ相脆化[4]。熔敷金属化学元素含量测定值(见表4)满足技术要求及相关标准要求。

表4 熔敷金属化学成分(质量分数%)

2.4 宏观、微观及硬度试验

取样做宏观检验、微观检查并做截面的硬度(母材、过渡层、耐蚀层)检测。宏观检查表明在此工艺参数下，堆焊层表面成型良好，母材、过渡层、耐蚀层之间熔合良好。微观组织母材为贝氏体，热影响区为贝氏体+珠光体+铁素体，堆焊层为奥氏体+铁素体。方案一、二硬度试验结果详见表5。

表5 方案一、二硬度对比

由表5可见，方案一母材和热影响区硬度与方案二相比消应力热处理后硬度降低，去应力退火可以使母材和热影区产生一定的回火作用故硬度降低；而过渡层和耐蚀层硬度经热处理后则增大，根据文献[5]可能由于堆焊层有少量σ相析出，少量σ相(体积分数<3%)呈孤立弥散分布时，对不锈钢堆焊层的韧性影响不大，且有一定的强化效果，故可以产生一定的硬化效果[5]。方案一热处理后由于硬度变化不大且不满足产品相关技术要求，由此可以得出堆焊耐蚀层后进行消应力热处理与否都能满足产品的使用性能。

2.5 晶间腐蚀试验

不锈钢堆焊层大多用与腐蚀介质相接触，堆焊层抗蚀性能是确保产品质量的重中之重。本试验按GB/T 4334-2020不锈钢晶间腐蚀试验方法(方法E)对距基材6 mm处堆焊层试样进行晶间腐蚀试验，试样经腐蚀后弯曲均无晶间腐蚀裂纹产生(如图2a、b所示)，试验合格。试样规格80 mm×20 mm×3 mm。

图2 晶间腐蚀试样

3 结束语

(1)方案一母材和热影响区硬度与方案二相比，经过消应力热处理后硬度呈降低趋势，其中热影响区由于回火作用明显，故硬度降低明显。

(2)耐蚀层热处理前、后微观组织均为奥氏体+少量铁素体，热处理后堆焊层硬度呈上升趋势。

(3)堆焊层热处理后晶间腐蚀试验未发现晶间腐蚀裂纹，表明EQ347堆焊层经过热处理敏化后仍能保持良好的抗晶间腐蚀能力。

由此可见，EQ347型奥氏体不锈钢材料堆焊后，耐蚀层堆焊后是否进行消应力热处理，堆焊试板各方面性能均能满足产品相关技术要求及产品工艺性能要求；目前EQ347型奥氏体不锈钢材料堆焊后进行消应力热处理与不进行消应力热处理产品现场运行均良好。对于需要EQ347型奥氏体不锈钢堆焊的石化容器产品，可根据设计技术要求及产品结构形式择优选取堆焊后是否进行焊后热处理的工艺方案。