低溫環(huán)境下使用的S30408不銹鋼焊接工藝研究

鄭 周，銀潤邦，羅永飛

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643000）

1 概述

隨著我國低溫容器的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們對材料和焊縫的低溫性能要求也在不斷提高。由于C～Mn鋼、低合金鋼在低溫下會(huì)脆化，當(dāng)溫度達(dá)到～100℃以下時(shí)脆化非常明顯，而奧氏體不銹鋼具有良好的低溫抗沖擊性能，即使在～196℃下仍具有較好的沖擊功，因此，奧氏體不銹鋼在低溫環(huán)境中被作為一種較理想的材料得到較廣泛的應(yīng)用。但是奧氏體不銹鋼焊縫的組織和狀態(tài)與母材存在一定的差異，要使其在～196℃時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的沖擊功還是存在一定的難度。按照GB150—2011規(guī)定，在～196℃進(jìn)行焊縫金屬的低溫沖擊功不得小于31J，在該溫度下，采用普通的不銹鋼焊材和焊接工藝，很難保證其沖擊功，因此必須對焊材的化學(xué)成分做特殊要求，并采用特定的焊接工藝，才可保證其低溫抗沖擊性能。

S30408鋼焊縫低溫沖擊功與焊接規(guī)范、焊材化學(xué)成分、焊接方法等因素有關(guān)。為了得到滿足低溫要求的焊接接頭，本文從焊接材料，焊接方法、焊接規(guī)范對接頭沖擊功的影響進(jìn)行分析研究，總結(jié)出S30408鋼在～196℃使用條件下的合適的焊接材料和焊接工藝。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

2.1.1 焊接材料

采用焊條電弧焊和埋弧焊兩種焊接方法進(jìn)行研究，每種焊接方法采用不同化學(xué)成分的焊材，焊條電弧焊選擇三個(gè)不同廠家的焊材，牌號(hào)用英文字母A、B和C表示，焊條A、B符合GB/T983—2012中E308L的要求。埋弧焊焊絲/焊劑選用三個(gè)廠家的焊材，埋弧焊焊絲/焊劑組合的熔敷金屬用英文字母D、E和F表示。埋弧焊熔敷金屬符合GB/T17854—2018中F308L要求。焊材化學(xué)成分要求如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)要求焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分 %

2.1.2 原材料及坡口形式

試板采用厚度為16mm的S30408不銹鋼板，化學(xué)成分如表2所示，力學(xué)性能如表3所示，坡口形式采用圖1所示的坡口，試板長度400mm。

表2 S30408不銹鋼鋼板化學(xué)成分 %

表3 S30408不銹鋼鋼板力學(xué)性能

圖1 焊接試板坡口圖

2.1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為了了解線能量和層間溫度對抗沖擊性能的影響，對焊接試板采用不同焊接線能量和層間溫度進(jìn)行焊接。編號(hào)為1#～6#為焊條電弧焊，7#～12#為埋弧自動(dòng)焊。其中1#、2#、3#、7#、8#、9#為小規(guī)范低層間溫度焊接，4#、5#、6#、10#、11#、12#為大規(guī)范高層間溫度焊接，具體如表4所示。

表4 焊接參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 化學(xué)成分

對焊縫進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 幾種焊材熔敷金屬化學(xué)成分分析 %

采用A、B、C、D、E、F焊材焊接的試樣的熔敷金屬化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.2.2 力學(xué)性能

對對接接頭試樣進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能檢驗(yàn)，各試樣接頭性能如表6所示。

表6 接頭力學(xué)性能

從表6看出，焊條電弧焊接頭和埋弧焊接頭均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的抗拉強(qiáng)度，彎曲180°未裂，說明焊縫塑性良好。

由表6中手工焊試樣沖擊功對比可知，在相同焊接線能量和層間溫度下，三種焊條對應(yīng)焊縫在～196℃下的沖擊功由高到低依次為：A＞C＞B。埋弧焊試樣沖擊功對比，在相同焊接線能量和層間溫度下，三種埋弧焊焊材所焊接的焊縫在～196℃下，沖擊功由高到低依次為：F＞D＞E。同種焊接材料在其余條件不變的情況下，小線能量和低層間溫度下沖擊功值比大線能量、高層間溫度沖擊功值高。可見焊接線能量和層間溫度對奧氏體不銹鋼焊縫的低溫沖擊功有一定影響。從焊接方法對比來看，埋弧焊接頭性能比手工焊高。

2.3 討論

2.3.1δ鐵素體含量和碳含量對沖擊功的影響

S30408試板焊接接頭，焊縫組織為δ鐵素體+奧氏體兩相組成。從晶體學(xué)原理可知，奧氏體組織為面心立方結(jié)構(gòu)，其韌性對溫度變化不敏感；δ鐵素體為體心立方結(jié)構(gòu)，其韌性對溫度變化敏感。面心立方的奧氏體一般沒有低溫脆性的特點(diǎn)，δ鐵素體相存在低溫脆性，鐵素體含量高對不銹鋼的低溫韌性起不利影響。因此低溫用奧氏體不銹鋼尤其是焊縫應(yīng)控制鐵素體含量不宜過高。低溫下，焊縫組織中δ鐵素體含量越高，焊縫低溫沖擊功值越低。

在～196℃下，由于過冷度較大，部分奧氏體會(huì)發(fā)生馬氏體相變。在室溫及低溫下碳過飽和溶于奧氏體基體中，在低于某一溫度后，面心立方晶格的奧氏體會(huì)開始無擴(kuò)散性地相變成為馬氏體。此時(shí)，碳仍過飽和地溶于馬氏體相中，馬氏體中的碳含量越高，碳的過飽和溶解度越大，造成的晶格點(diǎn)陣畸變越嚴(yán)重，馬氏體本身的韌性就越低，導(dǎo)致～196℃下低溫沖擊功越低?？梢院喴爬椋汉缚p碳含量越高，低溫沖擊功值越低。

采用磁性法，用測量儀檢測多組數(shù)據(jù)，測出各試板焊縫的δ鐵素體含量范圍，如表7所示。

表7 各焊材焊接的焊縫δ鐵素體含量

根據(jù)表5中化學(xué)成分，表7中的δ鐵素體含量可知：

手工焊焊縫A、B、C，δ鐵素體含量由高到底是B＞A＞C，碳含量由高到低是B＞C＞A。沖擊功結(jié)果是A＞C＞B。B試板沖擊功最低，主要影響因素是δ鐵素體和碳含量均為最高，導(dǎo)致其沖擊功最低。而A、C試板中C試板碳含量較A試板碳含量略高，但δ鐵素體含量較A試板略低。根據(jù)以上對δ鐵素體和碳含量的分析，δ鐵素體和碳含量的綜合影響，導(dǎo)致兩塊試板沖擊功相近。

自動(dòng)焊焊縫D、E、F，δ鐵素體含量由高到低是E＞D＞F，碳含量由高到低是E＞D＞F。沖擊功結(jié)果是F＞D＞E。其中E試板中δ鐵素體含量和碳含量均為最高，因此沖擊功最低。F試板δ鐵素體含量和碳含量均為最低，因此沖擊功最高。

2.3.2 焊接線能量和層間溫度對沖擊功的影響

抗沖擊性能與組織晶粒度有密切關(guān)系，晶粒度越高，材料綜合性能越好，沖擊功越高。

當(dāng)焊接線能量越大時(shí)，熱輸入便越大，造成焊縫鑄態(tài)組織過熱，焊接過程中，熱輸入對鑄態(tài)組織冷卻速度有較大影響，焊接熱輸入越大，鑄態(tài)組織冷卻速度越慢，焊接熱輸入越小，鑄態(tài)組織冷卻速度越快。有資料表明，S30408不銹鋼鑄態(tài)組織在較快速度冷卻時(shí)的δ鐵素體明顯比較慢速度冷卻時(shí)細(xì)小。這說明當(dāng)冷速較大時(shí)，系統(tǒng)獲得的過冷度明顯增加，δ相的形核率明顯加大，其晶粒度變小，導(dǎo)致后期出現(xiàn)的奧氏體晶粒更加細(xì)小。因此，熱輸入大小影響焊縫組織粗細(xì)，組織粗細(xì)決定性能。由此可以得出：熱輸入越大，組織越粗大，抗沖擊性能越差；熱輸入越小，組織越細(xì)小，抗沖擊性能越好。

另一個(gè)影響沖擊功的因素是焊接時(shí)的層間溫度。焊接過程中，層間溫度越高，會(huì)導(dǎo)致焊縫組織越粗大，這種觀點(diǎn)已經(jīng)通過金相觀察被確定并廣為接受。因此，層溫高導(dǎo)致組織粗大，抗沖擊性能差。

根據(jù)以上分析就能說明表4、表6中，采用較高層間溫度和較大焊接線能量所焊接的試板比采用較低層間溫度和較小焊接線能量的試板沖擊功低的原因了。

3 結(jié)束語

1）焊接線能量和層間溫度對奧氏體不銹鋼焊縫的沖擊功值有一定影響，減小焊接線能量和降低層間溫度有利于提高焊縫沖擊功。

2）碳含量對S30408低溫沖擊功有影響，碳含量升高，焊縫低溫沖擊功降低。

3）S30408不銹鋼焊縫中的鐵素體含量對～196℃沖擊功有影響，鐵素體含量升高，焊縫～196℃沖擊功降低。為提高焊縫沖擊功，鐵素體含量應(yīng)通過調(diào)整焊材的化學(xué)成分予以適當(dāng)控制。