焊縫金屬對SUPER 304H奧氏體耐熱鋼焊接性的影響

孫咸

摘要：綜述了焊縫金屬對SUPER 304H鋼焊接性的影響。結(jié)果表明， SUPER 304H鋼不同成分GTAW奧氏體焊縫的熱裂紋傾向較大;焊縫中凝固裂紋傾向主要是受A凝固模式控制，而HAZ液化裂紋傾向的主要原因則與晶界析出相，以及銅的富集等因素有關(guān)。不同成分奧氏體焊縫接頭的力學(xué)性能各異;合適的焊縫化學(xué)成分和優(yōu)化的焊接工藝是獲得滿意接頭綜合力學(xué)性能的重要技術(shù)手段。不同成分形成的“ 同質(zhì) ”或“ 異質(zhì) ”焊縫，其微觀組織皆為奧氏體+析出相。熔化焊焊縫為A凝固模式，非熔化焊的摩擦焊焊縫為AF凝固（相轉(zhuǎn)變）模式。

關(guān)鍵詞：焊縫金屬;焊接性;SUPER 304H奧氏體耐熱鋼;熱裂紋;力學(xué)性能

中圖分類號：TG422;TG406? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0037-10

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.07

0? ? 前言

與TP304H耐熱鋼相比，SUPER 304H鋼的碳含量有所提高，Si、Mn、Ni、Cr含量有所降低，突出之處是新添了質(zhì)量分?jǐn)?shù)約3%的Cu、0.45%的Nb和一定量的N，并調(diào)整軟化溫度和固溶處理溫度參數(shù)，獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，提高了鋼的抗高溫蒸汽氧化和腐蝕性能。同時，通過析出相（NbCrN、Nb（N，C）、M23C6和細(xì)的富銅析出相）強化，提高其蠕變強度，使用溫度可高達(dá)650 ℃，已經(jīng)在超臨界和超超臨界機組的過熱器和再熱器裝置中獲得應(yīng)用。在實際工程應(yīng)用中，SUPER 304H鋼的焊接質(zhì)量決定整體工程的質(zhì)量。雖然現(xiàn)有的焊接材料和配套工藝基本能夠滿足制造要求，但這并不意味著在所有情況下焊接接頭都能獲得滿意的焊接性。在一些情況下，焊接裂紋及其他焊接缺陷，在工藝評定或施工中時有發(fā)生，在運行中亦存在引發(fā)構(gòu)件早期失效的危險性。迄今為止，涉及該鋼焊接材料選用類型和牌號的文獻(xiàn)已有共識，但專題性探討焊縫成分對接頭焊接性影響的文獻(xiàn)罕見。為此，論文特意將焊縫金屬類型與接頭的工藝焊接性及使用性能相聯(lián)系，探討焊縫金屬對接頭焊接性的影響。該項工作對推動SUPER 304H鋼焊接材料的開發(fā)、配套工藝的改進(jìn)，以及工程質(zhì)量的提升，具有參考價值和實用意義。

1 焊縫金屬對SUPER 304H鋼焊接熱裂紋傾向的影響

5種焊接材料焊接SUPER 304H鋼時焊接熱裂紋傾向的比較如表1所示，不銹鋼焊縫成分與凝固裂紋敏感性間的關(guān)系如圖1所示[5]?？梢钥闯?，圖1中5種焊材（用紅色帶圈的數(shù)字標(biāo)出）均位于圖左下方、熱裂紋曲線上方的裂紋敏感區(qū)。這表明，具有全奧氏體焊縫組織的5種焊絲對熱裂紋都很敏感。具體到5種焊絲熱裂紋敏感程度，可以通過焊縫金屬凝固模式予以評價。借助于“ WRC-1992相組分圖 ”，可以獲知1、2、3、5號焊絲均為A凝固模式，唯有4號焊縫為AF凝固（相轉(zhuǎn)變）模式。A模式凝固時，凝固晶粒邊界很直，沒有殘留的鐵素體，這使裂紋擴(kuò)展容易得多。而在AF模式凝固時，沿相對光滑的奧氏體晶界生成了鐵素體，結(jié)果相對全奧氏體凝固（A模式），在抗凝固裂紋能力上有所改進(jìn) （見圖2）?？梢哉J(rèn)為，4號焊縫的抗熱裂紋性能相對好一些。實際上，4號試件是摩擦焊固相連接接頭，焊合區(qū)很窄，HAZ晶粒粗大傾向較小，同時力的因素（對接頭施加壓力）對防止接頭熱裂紋產(chǎn)生也是有利的。

兩種鋼GTAW（不使用填充金屬）可調(diào)拘束裂紋試驗結(jié)果及試驗用鋼（兼填充材料）的化學(xué)成分分別在表2、表3中列出?？梢钥闯?，兩種試件未施加變形焊接時，均未出現(xiàn)裂紋;即使小于2%的變形也會導(dǎo)致X10CrNiCuNb18-9-3鋼焊縫出現(xiàn)裂紋;然而對于X5CrNi18-10鋼，即使超過11%的變形也不會導(dǎo)致開裂。這表明，X10CrNiCuNb18-9-3鋼焊縫比X5CrNi18-10鋼焊縫更容易發(fā)生熱裂紋。究其原因，可以從焊縫的凝固模式進(jìn)行分析（見表4、圖2）：X10CrNiCuNb18-9-3鋼焊縫是A凝固模式，而X5CrNi18-10鋼焊縫是AF凝固模式。盡管這兩種凝固模式都以奧氏體為初析相凝固，對凝固裂紋都敏感，但A模式凝固與AF模式凝固在細(xì)節(jié)方面存在差異。前者奧氏體晶界很平直，這使得裂紋的擴(kuò)展容易得多。而后者可能有少量鐵素體而不那么平直，對裂紋的傳播或擴(kuò)展形成阻力，相對而言，抗凝固裂紋的能力比前者有所提升。

在可調(diào)拘束裂紋試驗中，不僅發(fā)現(xiàn)了焊縫中凝固裂紋（見圖3），而且發(fā)現(xiàn)了HAZ液化裂紋（見圖4）。X10CrNiCuNb18-9-3鋼焊縫中凝固裂紋傾向大的原因主要是受A凝固模式控制，而HAZ液化裂紋傾向大的主要原因則與晶界析出鈮的碳氮化物，以及裂紋區(qū)銅的富集等因素有關(guān)[6]。

綜上所述，盡管SUPER 304H鋼具有一定的熱裂紋傾向，但由于鋼中加入3%Cu后材料的抗蠕變溫度增加、耐腐蝕性提高，可在更高溫度及惡劣工況下運行，且顯著延長了鍋爐部件的使用壽命[6]。然而，另一方面，采用Thermanit617（ERNiCrCoMo-1）焊絲對該鋼進(jìn)行的Y型坡口裂紋試驗中發(fā)現(xiàn)，焊接電流小于130 A、焊接速度小于70 mm/min時，表面裂紋率為0。這表明采用低的熱輸入、層間溫度等工藝方案可以有效防止熱裂紋[2]。綜合考量之下，電力工程上依然優(yōu)先選用SUPER 304H鋼作為鍋爐過熱器、再熱器裝置的制造材料。

2 焊縫金屬對SUPER 304H鋼接頭力學(xué)性能的影響

在表5中所列的1號和2號數(shù)據(jù)，是用兩種焊接材料分別對SUPER 304H鋼進(jìn)行GTAW焊接后接頭力學(xué)性能的比較[1]。前者PM是無填充材料I形坡口SUPER 304H鋼GTAW焊接接頭，而后者FM則是采用 “ 準(zhǔn)成分匹配 ”焊絲的SUPER 304H鋼GTAW焊接接頭。它們的焊接工藝參數(shù)列于表6。從表5可以看出，兩種填充材料化學(xué)成分有差別。接頭的力學(xué)性能，無論是室溫還是高溫強度，2號試樣均高于1號。2號試樣的拉伸斷口均位于母材，而1號試樣的拉伸斷口均位于焊縫。究其主要原因，1號焊縫屬于母材自熔，在焊接中被熔化母材的合金元素?zé)龘p，焊縫成分低于母材，凝固后焊縫的強度低于母材，形成所謂低強匹配焊縫，拉伸試件斷口位于焊縫。2號焊縫填充焊絲設(shè)計成分（C、Cr、Ni、N、Nb、Mo等）比母材高，盡管焊接中焊絲中的元素有所燒損，但熔池中主要元素仍比母材中的高，凝固后焊縫的強度高于母材，形成了高強匹配焊縫，拉伸試件斷口位于母材區(qū)，亦在情理之中。

3號和4號是另外兩種焊接材料形成GTAW接頭力學(xué)性能比較[4]?？梢钥闯?，前者是“ 準(zhǔn)成分匹配 ”的同質(zhì)焊縫接頭，而4號是“ 組織匹配 ”的異質(zhì)焊縫接頭。根據(jù)合金化的需要，兩種焊縫的成分不同，S、P等有害元素含量控制很嚴(yán)格。實測的室溫拉伸試件斷口均位于母材區(qū)，表明兩種焊縫均屬于高強匹配焊縫。接頭的力學(xué)性能完全滿足工程使用要求。

5號是SUPER 304H鋼管的摩擦焊接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)（見表7）[3]。該接頭對兩個管材對接施加壓力旋轉(zhuǎn)摩擦生熱、頂鍛加壓形成固相連接接頭，接頭中無需添加焊接材料。拉伸試件的斷口位置位于接頭的HAZ。數(shù)據(jù)表明，接頭的抗拉強度接近但略低于母材，且高于SUPER 304H鋼規(guī)定的最低抗拉強度值。接頭試件斷口位于HAZ，與焊接過程中HAZ發(fā)生再結(jié)晶、晶粒長大相關(guān);同時，與摩擦焊過程中頂鍛加壓時HAZ的熱變形引起該區(qū)晶格缺陷、促進(jìn)脆性σ相析出相關(guān)[7]。實測HAZ顯微硬度高于母材和熔合區(qū)，以及試樣斷后伸長率較低的情況事實（見表7）[3]，不能排除HAZ析出極少量σ相或其他脆性相的可能性。

3 焊縫金屬對SUPER 304H鋼接頭高溫蠕變性能的影響

從Metrode617（ERNiCrCoMo-1）提供的數(shù)據(jù)可以看出，焊絲中的C含量與SUPER 304H母材相似，除了高Ni（55%）和高Cr（22%）含量之外，新加了12%的Co、9%的Mo和適量的Al。由于這些元素的作用， 在高溫服役條件下，焊絲具有優(yōu)良的抗高溫氧化和硫化能力。其中Co和Mo的固溶強化加上細(xì)小碳化物的析出，以及在650 ℃左右時效時析出的一次γ相，大大提高了顯微組織的穩(wěn)定性和蠕變強度。在540～625 ℃之間，ERNiCrCoMo-1焊絲的許用應(yīng)力高于Super 304H，但稍低于HR3C鋼;溫度高于625 ℃后，許用應(yīng)力明顯高于Super 304H和HR3C鋼。

4種焊材（ENiCrFe-3、ERNiCr-3、ENiCrCoMo-1、ERNiCrCoMo-1）焊縫的蠕變性能與SUPER 304H母材的比較如圖5所示[8]?？梢钥闯觯贚-M參數(shù)較低時，ENiCrCoMo-1焊條SMAW焊縫的蠕變性能，處于SUPER 304H母材強度平均值和平均值的80%之間;在L-M參數(shù)較高時，處于高于SUPER 304H母材強度平均值，甚至高于強度平均值20%～40%的水平。實心焊絲（ERNiCrCoMo-1）GTAW焊縫的蠕變強度稍高于對應(yīng)的藥皮焊條，超過母材平均強度+20%的水平?？梢姡摵附z具有良好的高溫蠕變性能。

4 焊縫金屬對SUPER 304H鋼接頭顯微組織的影響

SUPER 304H鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表8、表9所示。YT-304是日本住友公司研制的SUPER 304H鋼的專用焊絲（見表10）。從焊絲化學(xué)成分看，基本遵循“ 準(zhǔn)成分匹配 ”選用原則。為了改善焊絲的工藝性能，特別是抗裂性和高溫性能，提高焊絲中的Mn、Ni和N的含量，同時加入1%Mo。根據(jù)WRC-1992相組分圖中的Creq、Nieq計算公式所得數(shù)據(jù)點，位于圖中的奧氏體區(qū)，與實測的熔敷金屬組織完全一致。QI-1、QI-1、QI-3三種SUPER 304H鋼的專用焊絲在成分設(shè)計方面，除了C、 Si、Mn、S、P，以及Ni、Mo含量與YT-304焊絲的較接近、N含量微降之外，適當(dāng)調(diào)整Nb、C 和Cu含量。三種焊絲熔敷金屬的顯微組織均為奧氏體+Nb的析出相Nb（C，N）。研究發(fā)現(xiàn)，QI-1和QI-2焊絲熔敷金屬亞晶界上的Nb相Nb（C，N）含量約為QI-3焊絲的4～5倍。焊絲中的Cu含量在2.91%～3.46%，對熔敷金屬的顯微組織沒有明顯影響，認(rèn)為Cu不是Nb相Nb（C，N）的形成元素，對Nb相析出的影響可以忽略不計。三種焊絲的Creq和Nieq計算點均落入WRC-1992相組分圖中的奧氏體區(qū)，與實測熔敷金屬組織完全一致?？梢钥闯?，WRC-1992相組分圖中的奧氏體區(qū)域范圍很廣，也就是說，焊絲設(shè)計成分范圍亦很寬，雖然可以方便獲得奧氏體組織，但熔敷金屬的力學(xué)性能各異， 所得SUPER 304H鋼焊接接頭未必具有最佳的綜合力學(xué)性能（見表11）。Thermanit617是Ni基奧氏體型焊絲。與YT-304焊絲相比，為了改善焊絲的工藝性能，特別是提高抗裂性和高溫性能，降低了C、 Si、Mn、S、P含量，提高了Cr含量，同時增加0.5%Ti、12.0%Co，并保留9.0%Mo。由于計算的Creq和Nieq數(shù)值較大（見表10），在WRC-1992相組分圖中難以標(biāo)出，采用外推法后依然落入奧氏體區(qū)，與實測熔敷金屬組織完全一致。該焊絲也被稱為“ 異質(zhì)焊縫 ”的“ 組織匹配 ”型焊絲。

焊縫金屬對SUPER 304H鋼接頭顯微組織的影響如表12所示?？梢钥闯觯?種不同成分形成的焊接接頭顯微組織基本相同，即焊縫為奧氏體+析出相，HAZ為具有長大傾向晶粒的奧氏體，母材為奧氏體+析出相。可以借助WRC-1992相組分圖（見圖11）來分析焊縫中的組織組成特點。1號焊縫成分決定的Creq和Nieq點①位于WRC-1992相組分圖中左上方A區(qū)，實測的奧氏體焊縫中含有1.57%δ-鐵素體。2號焊縫成分決定的Creq和Nieq點②位于WRC-1992相組分圖中左上方A區(qū)（已經(jīng)位于圖外），與實測熔敷金屬組織（純奧氏體+析出相）完全一致。3號焊縫（Thermanit617）成分決定的Creq和Nieq點③位于WRC-1992相組分圖左上方A區(qū)（位于圖外很遠(yuǎn)處），采用外推法后Creq和Nieq點位于圖中A區(qū)，與實測熔敷金屬組織（純奧氏體+析出相）完全一致。4號是摩擦焊接頭焊縫，焊縫成分決定的Creq和Nieq點④，恰好位于WRC-1992相組分圖中A區(qū)和AF區(qū)邊界線之內(nèi)、靠近1FN線附近，而實測的焊合區(qū)組織為純奧氏體+析出相。1號和4號焊縫均為母材成分形成的接頭，其母材成分決定的Creq和Nieq點分別為18.2、14.7和19.6、14.2。前者實測奧氏體焊縫含有1.57%δ-鐵素體，而后者實測奧氏體焊縫不含有δ-鐵素體。從理論上分析，焊縫中的Creq/Nieq值越高就有越多的鐵素體形成。既然Creq/Nieq=1.23的1號焊縫中含有1.57%δ-鐵素體，那么Creq/Nieq=1.38的4號焊縫中理應(yīng)含有一些δ-鐵素體，然而實測的焊合區(qū)為純奧氏體組織。這種有悖理論的現(xiàn)象可能與4號測試誤差有關(guān)。因為摩擦焊接頭的焊合區(qū)很窄（見圖8），奧氏體晶界附近的細(xì)小δ-鐵素體難以分辨，采用常規(guī)的金相分析方法很可能漏檢而未測出。只有采用特別的測試技術(shù)，如對試樣進(jìn)行染色處理，或通過電子衍射物相鑒定等手段測出微量δ-鐵素體?？傊?，在4號是摩擦焊接頭焊縫中可能含有少量δ-鐵素體。上述數(shù)據(jù)表明， 采用WRC-1992相組分圖預(yù)測的相組分與實測的焊縫組織基本一致，具有一定的實用價值，個別焊縫的差異可能與測試手段的先進(jìn)性有關(guān)。

5 結(jié)論

（1）SUPER 304H鋼不同成分GTAW奧氏體焊縫的熱裂紋傾向較大;焊縫中凝固裂紋傾向主要是受A凝固模式控制，而HAZ液化裂紋傾向的主要原因則與晶界析出相，以及銅的富集等因素有關(guān)。

（2）不同成分奧氏體焊縫接頭的力學(xué)性能各異，采用不加填充材料形成焊縫的焊接接頭（含摩擦焊），其拉伸試樣斷口位于焊縫區(qū)，工程應(yīng)用中不被采用;合適的焊縫化學(xué)成分和優(yōu)化的焊接工藝是獲得滿意接頭綜合力學(xué)性能的重要手段。

（3）ERNiCrCoMo-1焊絲不僅具有較好的焊接工藝性、抗熱裂性、優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，而且具有比ERNiCrMo-3更好的高溫蠕變性能。

（4）不同成分形成的“ 同質(zhì) ”或“ 異質(zhì) ”焊縫，其微觀組織皆為奧氏體+析出相。熔化焊焊縫為A凝固模式，非熔化焊的摩擦焊焊縫為AF凝固（相轉(zhuǎn)變）模式。

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