316L不銹鋼焊接接頭耐晶間腐蝕試驗

舒欣欣 ，徐連勇，韓永典，馬 麗，張劍利

(1.海洋石油工程股份有限公司 建造公司焊接試驗室，天津 300452；2.天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072)

0 前言

自20世紀初不銹鋼發明以來，以其獨特的耐腐蝕性能，在現代工業和科技進步中發揮著舉足輕重的作用。其中，奧氏體不銹鋼以其良好的耐腐蝕性能、優異的綜合力學性能、工藝性能和可焊性，約占不銹鋼總產量的70%。故研究其抗腐蝕性能具有重要的實際意義[1]。

316L不銹鋼屬于高合金鋼，含有大量的合金元素[2]。不銹鋼焊接一般采用傳統的TIG焊接方法。但TIG焊接不銹鋼有以下缺點：（1）焊接耗時長，工序復雜。不銹鋼管兩端要封堵，管道內部充氬氣，當測定內部氬氣濃度達到指定濃度時才能進行焊接，且管道越長，充氬氣耗費時間越長；（2）需要各種檢測儀器和輔助人員。為此，需要開發一種可避免此類問題的工藝。而不銹鋼鎢極氬弧焊背部免充氣保護焊接工藝能夠免去背部充氬過程，大幅提高焊接生產效率。

將不銹鋼置于500℃～800℃的溫度區間時會發生敏化現象。敏化處理的結果導致奧氏體晶界中Cr23C6大量析出。Cr23C6中Cr含量大大超過奧氏體基體中的Cr含量，造成晶界處的Cr含量顯著下降，從而降低不銹鋼的耐腐蝕性[3]。

按照ASTM A262的標準，重點對316L不銹鋼焊接接頭進行刻蝕和晶間腐蝕試驗研究，通過試驗評定不銹鋼鎢極氬弧焊背部免充氣保護焊接工藝。

1 試驗方法

1.1 焊接材料及工藝

試驗母材選用ASTM A312 TP316L奧氏體不銹鋼，焊接工藝為鎢極氬弧焊背部免充氣保護焊。打底焊材為TG-X316L（KOBELCO）焊絲，填充蓋面焊材選用 TGS-316L（TIENTAI）焊絲。焊接完成后，在OLYMPUS-GX51金相顯微鏡上對316L不銹鋼焊接接頭進行顯微組織分析。

1.2 刻蝕試驗

晶間腐蝕試驗參照標準ASTM A262-A進行。

將試樣切割成15mm×50mm試件，經過機加工和研磨處理，去除所有毛刺。對根部焊縫進行粗磨、細磨、拋光處理后，用酒精清洗吹干放入干燥箱備用。

稱取100 g草酸溶解到900 ml水中，在磁力攪拌器下充分溶解，配制成所需溶液。以直流恒電流源作為電源，試樣為陽極，不銹鋼燒杯為陰極，電解液為草酸溶液?？涛g試驗在室溫下進行，電流密度1 A/cm2，試驗持續時間90 s。試驗結束后將試樣在熱水下沖洗，采用酒精超聲沖洗防止刻蝕表面在干燥過程中發生草酸結晶。

1.3 晶間腐蝕試驗

晶間腐蝕試驗參照標準ASTM A262-E進行。

（1）試樣制備。試樣尺寸 70mm×25mm×10mm，將試樣的各表面水磨至400號砂紙充分除銹，然后用酒精浸泡超聲波清洗，烘干。

（2）試樣的鈍化和敏化處理。清洗后在空氣中鈍化24 h。

（3）試驗溶液。將 100 g CuSO4、5H2O溶在 700ml蒸餾水中(用磁力攪拌器攪拌至全部溶解)，然后加入100ml H2SO4，最后將溶液稀釋至 1000 ml。

（4）試驗過程。在錐形瓶底部放上銅片，然后放入試樣，試樣表面用銅屑蓋住，注入溶液（完全浸沒試樣），并使溶液體積和試樣表面積比值至少8ml/cm2，裝上回流冷凝器，然后通入冷卻水，加熱至微沸并保持24 h后取出試樣，洗凈、烘干。進行彎曲試驗。

（5）彎曲試驗。在萬能壓力機上對晶間腐蝕試樣進行背彎試驗，以檢驗根部焊道，彎曲角度180°。

（6）實驗結果評定。彎曲后在20倍顯微鏡下對接頭進行宏觀檢查。

2 結果和討論

2.1 316L焊縫顯微組織分析

圖1為不銹鋼焊接接頭的顯微組織照片。

圖1 316L不銹鋼焊接接頭金相顯微組織

從圖1中可以看出316L母材為單相奧氏體組織；由圖1b可知，316L HAZ的顯微組織靠母材一側為粗大的奧氏體晶粒，靠焊縫一側為奧氏體基體上分布著鐵素體；由圖1c可知，316L根部焊縫的顯微組織為奧氏體基體上分布著鐵素體(等軸晶奧氏體+樹枝晶奧氏體+少量鐵素體)。這是因為焊材TGS-309L中Cr、Ni含量高，并且通過C、Mn元素的固溶強化，所以焊縫凝固后保留了較多的奧氏體和少量鐵素體。

2.2 刻蝕試驗結果和分析

刻蝕試驗后焊接接頭各區域的金相顯微組織如圖2所示。對比金相圖與標準中的各位置金相圖譜，母材刻蝕形貌可以接受，熱影響區刻蝕形貌不可接受（溝槽連成一片），焊縫處刻蝕形貌不可接受（溝槽連成一片）。所以刻蝕結果不能接受，需要繼續進行晶間腐蝕試驗。

2.3 晶間腐蝕試驗

晶間腐蝕試驗后經彎曲試驗，焊接接頭各區域的形貌如圖3所示。焊接接頭各區均未發生開裂現象，說明背部免充氬焊接工藝是成功的。

圖2 焊接接頭刻蝕試驗后各區的金相顯微組織

3 結論

（1）鎢極氬弧焊背部免充氣保護焊接接頭316L母材為單相奧氏體組織；HAZ靠母材一側的顯微組織為粗大的奧氏體晶粒，靠焊縫一側為奧氏體基體上分布著鐵素體；根部焊縫的顯微組織為奧氏體基體上分布著鐵素體。

圖3 焊接接頭晶間腐蝕試驗后經彎曲試驗各區的金相顯微組織

(2)經過刻蝕試驗后的金相組織觀察，母材刻蝕形貌可接受，熱影響區刻蝕形貌不可接受（溝槽連成一片），焊縫處刻蝕形貌不可接受（溝槽連成一片）。所以刻蝕結果不能接受，需要繼續進行晶間腐蝕試驗。

(3)晶間腐蝕試驗后經彎曲試驗，焊接接頭各區域均未發生開裂現象，說明背部免充氬焊接工藝是成功的。

[1]屈興勝，林 成，劉志林.奧氏體不銹鋼晶間腐蝕[J].遼寧工學院學報，2007，27(1)：45-47.

[2]王玲玲，丁 毅，馬立群.316L不銹鋼酸洗工藝及耐點蝕性能研究[J].壓力容器，2006，23(8)：21-23.

[3]陳 睿，劉 靜，龐于思.1Cr18Ni9Ti不銹鋼晶間腐蝕試驗研究[J].河南冶金，2006，14(4)：14-17.