熱壁加氫精制反應(yīng)器異種鋼焊接金相組織及分析
摘 要:通過對(duì)異種鋼焊縫組織進(jìn)行顯微分析,得出堆焊層和過渡層組織為A+F,F含量為3%～10% ;母材熱影響區(qū)為B;母材組織為F+少量M;母材脫碳層組織為F. 由實(shí)驗(yàn)得出,可以通過調(diào)整焊接工藝來控制F含量,采用低溫、短時(shí)間保溫的熱處理工藝防止焊縫脆化。
關(guān) 鍵 詞: 異種鋼焊接; 金相組織; 反應(yīng)器
1 焊接特征區(qū)的劃分
熱壁加氫反應(yīng)器采用的材料為13CrMo44鋼的板焊結(jié)構(gòu),為了防止焊接環(huán)境的腐蝕,反應(yīng)器內(nèi)壁采用帶不銹鋼的焊層,其過渡層為309L不銹鋼,內(nèi)表層為347L不銹鋼. 焊接采用309L、347L手工堆焊,根據(jù)規(guī)范要求,反應(yīng)器采用分段中間消除應(yīng)力熱處理及整體最終熱處理狀態(tài)交化.其典型焊接特征區(qū)如圖1 所示, 309L 與母材13CrMo44 之間為異種鋼焊接,是本文重點(diǎn)分析部位.
圖1 焊接特征區(qū)示意圖
2 試樣的制備
加氫反應(yīng)器的不銹鋼與結(jié)構(gòu)鋼焊接金相試樣的制備與一般焊接材料的要求及制作過程相同,拋光好的試樣采用4%硝酸酒精溶液浸蝕,再經(jīng)過鉻酐10g + 水100 ml 的電解液電解浸蝕后在顯微鏡下觀察,可同時(shí)進(jìn)行母材組織、過熱區(qū)、近縫區(qū)及堆焊層金相組織評(píng)定及形貌分析.
3 各焊接特征區(qū)的組織
3.1 347L、309L 堆焊層及其過渡區(qū)組織
347L 、309L 均為奧氏體2鐵素體雙相不銹鋼焊帶及焊條,其堆焊層及過渡區(qū)組織均為奧氏體-鐵素體,其鐵素體含量為3 %～10 % ,左側(cè)為309L 堆焊,右側(cè)為347L 堆焊層. 試樣經(jīng)620 ℃×15h + 675 ℃×4 h 熱處理.
3.2 309L 與13CrMo44 堆焊熔合線兩側(cè)組織
不銹鋼-結(jié)構(gòu)鋼異種鋼焊接與同種鋼焊接不同,其熔合區(qū)位于熔合線之上,屬焊縫組成部分,未混合區(qū)和部分混合區(qū)位于熔合線之下,屬母材組成部分.309L 與13CrMo44 堆焊熔合線兩側(cè)特征區(qū)的分布及組織見圖2. 熔合區(qū)組織為奧氏體+ 少量馬氏體,其馬氏體為低合金馬氏體,見圖3.
圖2 近縫區(qū)組織
圖3 熔合區(qū)組織
3.3 母材及熱影響區(qū)的組織
13CrMo44 鋼板正火狀態(tài)供貨,其組織為鐵素體+ 珠光體。接熱影響區(qū)分為半熔化區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)及半正火區(qū),正火區(qū)及半正火區(qū)組織分別為貝氏體+ 鐵素體+ 珠光體。其組織細(xì)化,回火熱處理后性能最好, 過熱區(qū)位于1100 ～1350 ℃溫度區(qū)間,其組織為貝氏體+ 馬氏體.
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析
4.1 堆焊工藝對(duì)焊縫鐵素體的影響
為了防止在高溫高壓環(huán)境下操作的加氫反應(yīng)器內(nèi)壁受到腐蝕,也為了保證不出現(xiàn)熱裂紋和限制焊后熱處理中形成σ相的量,對(duì)于不銹鋼堆焊層一般規(guī)定其鐵素體含量最低為3 %～4 % ,最高為8 %～10 %. 組織中的鐵素體含量取決于焊層的成分. 在焊接材料確定的前提下,堆焊工藝對(duì)焊層成分有著很大的影響. 試驗(yàn)證明,309L 焊帶堆焊時(shí)下坡傾斜角β增大,鐵素體含量增加,當(dāng)傾斜角增加到某一值時(shí)鐵素體量的增加趨于平緩. 當(dāng)在同一下坡傾斜角度時(shí),堆焊電壓為30～40 V 時(shí),鐵素體隨著電壓升高而增加,而在40 V后趨于平緩. 當(dāng)堆焊速度增加時(shí),鐵素體含量減少,二者基本成線性關(guān)系. 預(yù)熱溫度的提高將使鐵素體的含量減少,但150 ℃以下預(yù)熱溫度的提高使鐵素體含量的減少不明顯. 要保證堆焊層中鐵素體含量,就必須采用合適的堆焊工藝.
4.2 堆焊層中鐵素體分解及對(duì)韌性的影響
不銹鋼堆焊層中含有3 %～10 %的鐵素體相將提高焊縫抗結(jié)晶裂紋的能力和抗腐蝕性能,但在焊后進(jìn)行620 ℃長時(shí)間去應(yīng)力退火時(shí)鐵素體將發(fā)生分解,在620 ℃以下熱處理鐵素體分解產(chǎn)物是碳化物和低鉻奧氏體相,碳化物以NbC 和M23C26 為主,高溫長時(shí)間的熱處理,鐵素體將分解成σ相、碳化物和貧鉻的奧氏體相,高溫形成的奧氏體相以NbC 為主,碳化物和σ相的析出將使堆焊層金屬脆化. 實(shí)驗(yàn)證明,焊后熱處理溫度越高、保溫時(shí)間越長,堆焊層的脆化就越嚴(yán)重. 因此,為了保證不銹鋼堆焊層的沖擊韌性,必須采用較低的去應(yīng)力退火溫度和較短的保溫時(shí)間.
5 結(jié) 論
1)13CrMo44 鋼板結(jié)構(gòu)熱壁加氫精制反應(yīng)器最終金相組織,內(nèi)壁347L 堆焊層和309L 過渡層為奧氏體+ 鐵素體, 其鐵素體含量為3 %～10 % ;母材過熱區(qū)為貝氏體;母材為鐵素體+ 少量馬氏體;母材脫碳層組織為鐵素體.
