奧氏體不銹鋼S31608焊接工藝及接頭性能

李戰(zhàn)斌 柳云天 徐祥久 劉海

摘要：根據(jù)奧氏體不銹鋼S31608較高含碳量的特性，制定了合理的焊接工藝參數(shù)。試驗(yàn)采用手工鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和埋弧焊組合的焊接方法，采用焊絲ER316H、焊條E316H-16進(jìn)行焊接，得到RT，PT檢驗(yàn)合格的焊接接頭，并對(duì)焊接接頭的常溫力學(xué)性能、耐晶間腐蝕性能及微觀組織進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該焊接工藝參數(shù)可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，焊縫金相組織為奧氏體+δ鐵素體雙相組織，焊縫強(qiáng)度及耐蝕性能良好，滿足工程應(yīng)用的要求。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼; 焊接工藝; 晶間腐蝕; S31608

中圖分類號(hào)：TG 406

Abstract：A new welding procedure was established based on the characteristics of austenitic stainless S31608 with high carbon content. The procedure combined with manual TIG welding，shielded metal arc welding， and submerge-arc welding， together with welding wire ER316H and welding rod E316H-16， was applied to the welding procedure. The qualification of welded joint was qualified with RT and PT.The mechanical property， intergranular corrosion inspection test and microstructure test were conducted.The experimental results showed that the weld was made up of austenite and ferrite， the strength and corrosion resistance of weld were of excellent performance. The experimental results met the engineering requirements.

Key words： austenitic stainless; welding procedure; intergranular corrosion; S31608

0 前言

奧氏體不銹鋼由于其良好的力學(xué)性能，耐高溫、耐腐蝕性能，在石化容器制造中獲得廣泛應(yīng)用，常見奧氏體不銹鋼包括304L，316L等。S31608的含碳量為0.04%～0.08%，相對(duì)304L，316L而言，較高的碳含量可以提高不銹鋼的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能，可用于高溫結(jié)構(gòu)，但是較高的含碳量會(huì)影響不銹鋼的焊接性能和耐蝕性能[1]。由于含碳量超過(guò)0.03%的非穩(wěn)定性的奧氏體不銹鋼（不含Ti或Nb的牌號(hào)），在650 ℃以上加熱時(shí)，或者緩慢冷卻通過(guò)這個(gè)溫度區(qū)間時(shí)，將會(huì)在晶界析出鉻的碳化物，并造成最鄰近的區(qū)域Cr貧化使得這些區(qū)域?qū)Ωg敏感，即發(fā)生敏化作用。所以S31608奧氏體不銹鋼比低含碳量的304L，316L奧氏體不銹鋼更容易發(fā)生晶間腐蝕。

由于焊接接頭的性能直接影響奧氏體不銹鋼產(chǎn)品的整體可靠性，因此，研究S31608奧氏體不銹鋼的焊接特性，選擇合適的焊接材料，制定合理的焊接工藝方案，是保證S31608奧氏體不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 焊接工藝及材料

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)采用板狀試件，進(jìn)行平焊位置對(duì)接試驗(yàn)，焊接方法為M-GTAW+SMAW+SAW。焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行100%PT和100%RT檢驗(yàn)，無(wú)損檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)、晶間腐蝕檢驗(yàn)和宏微觀性能檢驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用S31608試板，試板規(guī)格為600 mm×150 mm，厚度為32 mm。根據(jù)試板的化學(xué)成分選擇匹配的焊材，氬弧焊焊絲采用ER316H，規(guī)格為2.4 mm;焊條采用E316H-16，規(guī)格為3.2 mm，4.0 mm;埋弧焊焊絲為ER316H，規(guī)格為3.2 mm。試板和主要焊材的化學(xué)成分見表1。由表1可見，奧氏體不銹鋼S31608和焊材中添加了2.00%～3.00%的Mo元素，使其具有優(yōu)秀的耐蝕性、耐高溫和抗蠕變性能，而0.04%～0.08%的較高含碳量，則會(huì)降低可焊性，易發(fā)生敏化作用，產(chǎn)生晶間腐蝕。

1.2 焊接工藝

焊接坡口示意圖如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表2。

焊接時(shí)，根部首先用手工鎢極氬弧焊焊接兩層，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，焊接過(guò)程中進(jìn)行背面氣體保護(hù);第3～8層采用焊條電弧焊，第3層使用3.2 mm焊條填充，第4～8層使用4.0 mm焊條填充;其余使用埋弧焊填充蓋面。具體焊接參數(shù)見表2。焊接過(guò)程中控制層間溫度上限為150 ℃。

2 試驗(yàn)方法

焊接完成后，進(jìn)行了RT和PT檢測(cè)，均為Ⅰ級(jí)合格，然后采用WE-60型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行4組彎曲試驗(yàn);采用WE-60型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行2組拉伸試驗(yàn);采用AXIOVERT200MAT型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、微觀檢驗(yàn);采用THVS-50型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試;采用YT-4B型智能型晶間腐蝕試驗(yàn)裝置和WYE-S100型晶間腐蝕彎曲試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 4334—2008中E法即不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 彎曲和力學(xué)性能檢驗(yàn)

彎曲試樣拉伸面焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)無(wú)開口缺陷;在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度為614 MPa和608 MPa，高于母材抗拉強(qiáng)度（520 MPa），斷裂位置在母材上。

對(duì)SMAW和SAW部位焊接接頭進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，焊縫硬度值略高于母材及熱影響試驗(yàn)區(qū)。

3.2 宏觀性能檢驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，如圖3所示。由宏觀照片可以看出焊縫焊道分布清晰，焊道間不存在未熔合、未焊透的現(xiàn)象，焊縫和熱影響區(qū)均無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。

3.3 微觀性能檢驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行微觀金相組織觀察，包括母材、焊縫和熱影響區(qū)，如圖4所示。

圖4a為S31603母材金相組織，母材組織為致密均勻的奧氏體等軸晶晶粒。

圖4b為焊縫金屬金相組織，奧氏體枝晶比較均勻，也沒(méi)有明顯的粗化，焊縫組織為幾乎平行的柱狀晶及二次結(jié)晶形成的胞狀晶，殘余鐵素體沿晶界分布，這是因?yàn)閵W氏體鋼的熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性差，熔池冷卻速度慢、溫度梯度小，使得晶粒一次結(jié)晶長(zhǎng)大為柱狀晶，殘余δ鐵素體沿晶界分布，由于δ鐵素體強(qiáng)烈形核效果，熔池冷卻過(guò)程中，晶粒沿晶界二次結(jié)晶形成細(xì)小胞狀晶，并沿晶界生長(zhǎng)。奧氏體不銹鋼焊縫熔敷金屬中含適量的鐵素體有利于提高焊縫抗熱裂紋和晶間腐蝕的能力。

圖4c為HAZ金相組織，熱影響區(qū)范圍較小，HAZ組織略有長(zhǎng)大，但仍為奧氏體等軸晶，焊縫晶粒沿母材原晶粒方向生長(zhǎng)，指向焊縫中心。

3.4 晶間腐蝕試驗(yàn)

在SMAW和SAW焊接部位各取一組晶間腐蝕試樣，規(guī)格為80 mm×20 mm×3.5 mm。采用不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。在10倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面，無(wú)因晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋，如圖5所示。這與焊接工藝和焊縫組織有很大的關(guān)系，在焊接過(guò)程中，始終使用較小熱輸入（≤21 kJ/cm），控制較低的層間溫度，盡量減少接頭在敏化區(qū)的停留時(shí)間;而焊縫中δ鐵素體均勻分布在奧氏體晶界中，阻隔晶界延伸，有效降低了焊接接頭的晶間腐蝕的傾向[2]。

4 結(jié)論

該工藝采用手工鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和埋弧焊組合的焊接方法，采用較小線能量，控制較低的層間溫度，能夠獲得合格的奧氏體不銹鋼S31608焊接接頭。焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度達(dá)到614 MPa，焊縫組織為奧氏體和鐵素體，宏微觀組織完好無(wú)缺陷，抗晶間腐蝕性能優(yōu)良，滿足奧氏體不銹鋼S31608工程應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵春娟，米國(guó)發(fā)，許磊，等. 冷速對(duì)316H大鍛件固溶處理后析出相及晶間腐蝕的影響[J].金屬熱處理，2018，43（10）：60-66.

[2] 徐祥久，孫偉，黃超. 316L奧氏體不銹鋼厚板焊接工藝及接頭性能研究[J].鍋爐制造，2015（3）：45-47.