308L類不銹鋼焊材熔敷金屬-196 ℃沖擊韌性研究

閔曉峰 吳夢先 莫芝林 侯華東 蔣杰 鄒大軍

摘要：通過對國內外不同品牌的308L類焊材進行SMAW、SAW、MIG焊熔敷金屬試驗，發現焊后熱處理會顯著降低熔敷金屬-196 ℃沖擊韌性，經過數據分析，認為鐵素體含量是影響焊材熔敷金屬低溫韌性最重要的因素。對改良型的308L焊條及埋弧焊絲焊劑進行熔敷金屬焊接試驗，通過化學成分分析計算出焊材鐵素體含量約為3 FN，經過570 ℃×1 h熱處理后-196 ℃沖擊值大于50 J。

關鍵詞：308L;焊材;焊后熱處理;-196 ℃沖擊韌性

中圖分類號：TG422.1文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）11-0135-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.25

0 前言

308L類不銹鋼焊材熔敷金屬標稱化學成分為w（Cr）=19.5%、w（Ni）=10%，顯微組織通常為奧氏體+少量鐵素體，具有良好的抗裂性能。與308類不銹鋼焊材相比，通過限制其最大碳含量為0.03%或0.04%，可減少晶間碳化物的析出，在不使用穩定化元素（如鈮或鈦）的情況下提高對晶間腐蝕的抵抗力[1]，常用于304L奧氏體不銹鋼的焊接。

304L奧氏體不銹鋼在低溫下不僅具有較高的強度，而且具有極優良的低溫塑性和韌性，因而成為深冷低溫環境下應用的主要結構材料之一[2]。當前國內生產的深冷低溫液體儲運容器的設計溫度通常為-196 ℃～-183 ℃[3]，我國壓力容器標準（GB 150.4-2011）7.2.3條中規定設計溫度低于-192 ℃的鉻鎳奧氏體不銹鋼制容器，焊縫金屬-192 ℃夏比（V型缺口）沖擊吸收功不得小于31 J，而國內外一些高、精、尖項目設計要求焊縫金屬-192 ℃/-196 ℃沖擊功遠遠大于該數值，這些都對304L配套焊材（308L類）提出了更為嚴苛的要求，尤其是低溫韌性。

國內某大型深冷低溫壓力容器項目為全不銹鋼結構，設計工作溫度為-196 ℃～-163 ℃，主材為304L，要求焊后熱處理后焊縫及熱影響區在77 K（-196 ℃）時低溫沖擊功（AKV2）不低于50 J。通過查閱相關文獻可知國內外308L類焊材熔敷金屬-196 ℃沖擊功在25～60 J之間，但經過焊后熱處理后熔敷金屬-196 ℃沖擊韌性國內鮮有研究。文中通過對國內外知名品牌308L類焊材進行熔敷金屬焊接試驗，研究其低溫韌性，同時聯合國內焊材廠對308L類焊材進行改良，提高其低溫韌性，結果滿足項目要求。

1 國內外常規308L類焊材熔敷金屬焊接試驗

1.1 試驗材料及方法

選用京雷、金威、伊薩、伯樂、天泰共5個品牌焊材進行熔敷金屬焊接試驗，焊接方法包括焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、熔化極惰性氣體保護焊（MIG），焊材型號、品牌、規格如表1所示。

按照GB/T 983-2012、GB/T 17854-2018、GB/T 29713-2013標準規定工藝焊接22塊熔敷金屬試板，其中2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#、22#試板焊后進行570 ℃×1 h熱處理。MIG焊保護氣體為w（Ar）98%+w（CO2）2%，焊接過程中控制層間溫度在150 ℃以內。

1.2 熔敷金屬化學成分分析

按照GB/T 11170-2008、GB/T 20123-2006及GB/T 20124-2006標準進行熔敷金屬的化學成分分析，并根據WRC-1992鉻鎳當量公式計算出熔敷金屬合金元素鉻鎳當量比，結果如表2所示。

由表2可知，308L類焊材熔敷金屬鉻鎳當量比值在1.49～1.68之間，其中鎳含量在10%上下浮動，鉻含量在19%上下浮動，符合標準要求，氣保焊絲熔敷金屬碳含量基本高于0.03%，這是由于二元保護氣體中的活性氣體會產生明顯的增碳作用。焊條和氣保焊絲熔敷金屬中都含有0.04%～0.06%的N，是大氣中的氮氣通過焊接電弧進入熔敷金屬。N是奧氏體形成元素，會顯著降低熔敷金屬中的鐵素體含量，通常焊縫金屬中增加0.04%N，鐵素體會損失3 FN或4 FN[4]，通過WRC-1992相組成圖可計算出308L類焊材熔敷金屬鐵素體為3～8 FN，由此可推算出常規308L類焊材鐵素體設計為6～12 FN。

1.3 -196 ℃沖擊試驗

22塊試板熔敷金屬-196 ℃夏比（V型缺口）沖擊試驗值如表3所示。經分析可知，常規308L類焊條、埋弧焊絲焊劑、氣保焊絲熔敷金屬-196 ℃沖擊功為24～48 J，與相關文獻基本吻合，經過熱處理后，-196 ℃沖擊功劇烈下降，最高降幅達64%，難以滿足國內標準規定。不銹鋼及其焊縫金屬在室溫下對碳的溶解度很低，熱處理過程中溶解在奧氏體中的過飽和碳原子會大量擴散于晶界中形成各種碳化物。由于熔敷金屬中存在一定量的鐵素體，而鐵素體對碳的溶解度比奧氏體低，促進了鐵素體基體中碳化物的析出，同時縮短了碳化物的析出時間，使得析出向高溫擴展[5]，因此熱處理過程極大地促進了鐵素體晶界中碳化物的析出，而晶間碳化物會極大降低熔敷金屬的低溫韌性。試板的熱處理在中型熱處理爐中進行，由于爐體尺寸較大，無法采取有效措施控制冷卻速度，因此采用爐冷方式冷卻。采用爐冷方式冷卻速度較慢，570 ℃至400 ℃的平均降溫速度為29 ℃/h，導致試板在高溫區停留時間過長，在一定程度上增加了碳化物析出，這也是熔敷金屬低溫韌性急劇下降的原因之一。

由表2、表3可知，無論采用何種焊接方法，熔敷金屬-196 ℃沖擊功基本隨著鉻鎳當量比的下降而升高。鉻鎳當量比即鐵素體形成元素百分比之和與奧氏體形成元素百分比之和的比值，與熔敷金屬中鐵素體含量成正比，而鐵素體有降低韌度的傾向[6]，具有低溫脆性，會降低熔敷金屬的-196 ℃沖擊功。

2 影響308L類焊材熔敷金屬低溫韌性的因素

影響308L類焊材熔敷金屬低溫韌性的主要因素有：重要合金元素的含量、藥皮、藥芯或焊劑渣系類型、焊接方法、鐵素體含量。

（1）在組成308L類焊材的合金元素中，除Cr和Ni外，C和Mo元素對低溫韌性影響較大，Mo在奧氏體中的偏析傾向相對較強，含Mo較高的熔敷金屬沖擊韌性顯著降低，國內外308L類焊材熔敷金屬Mo含量均較低（見表2），對低溫韌性的影響不大。C會增大鋼的脆性，對低溫沖擊韌性有一定影響[7]，而焊接過程中會增碳，因此即使是超低碳的焊材也要控制碳含量不能太高。

（2）由于堿性渣系的氧和夾雜物含量較少，相對于其他渣系韌性較好，然而對于奧氏體不銹鋼來說，不同渣系的這種性能差別程度明顯小于低合金鋼的情況[8]。

（3）目前在工程上應用最為廣泛的不銹鋼焊接方法為：SMAW、SAW、MIG。MIG焊常采用二元混合氣進行保護，焊縫金屬中含有最少量的非金屬夾雜物，而焊條中的藥皮及埋弧焊劑參與焊接冶金反應，殘留在焊縫中的非金屬夾雜物較多，還使焊縫增氧、增氫，這些都會降低焊縫的低溫韌性。但MIG焊熔深相對較小，在立焊位置焊接時，坡口兩側易產生細微的未熔合缺陷，立焊位置焊縫質量可靠性不如焊條電弧焊。

（4）由1.3節分析可知，鐵素體能顯著影響熔敷金屬的低溫韌性，鐵素體含量越低，熔敷金屬低溫韌性越好，用于低溫環境的308L類焊材必須控制鐵素體含量不能太高。

綜上所述，308L類焊材熔敷金屬-196 ℃沖擊功要滿足項目要求，必須精確控制熔敷金屬合金成分，從而控制鉻鎳當量比值，降低鐵素體含量。

3 改良型308L類焊材熔敷金屬焊接試驗

3.1 試驗材料及方法

京群焊接材料科技有限公司和哈爾濱威爾焊接有限責任公司分別為本項目研制了改良型308L焊條和改良型308L埋弧焊絲及配套焊劑，材質證書上熔敷金屬化學成分如表4所示。兩種焊材均提高了鎳含量，略微降低了鉻和碳含量，同時S、P、Si含量較低。

按照GB/T 983-2012、GB/T 17854-2018標準分別焊接2塊熔敷金屬試板，焊后在小型熱處理爐內進行570 ℃×1 h熱處理，控制570 ℃到400 ℃降溫區間內降溫速度為60 ℃/h，冷卻到400 ℃后敞開爐門冷卻。焊接過程中控制層間溫度≤150 ℃。

3.2 熔敷金屬化學成分及顯微金相分析

兩塊試板熔敷金屬化學成分如表5所示?？梢钥闯?，兩種焊材都通過提高鎳含量大幅降低了熔敷金屬鉻鎳當量比，從而將鐵素體減少至1～2 FN，對照WRC-1992相組分圖可知，熔敷金屬合金元素比例位于AF凝固區域內?？紤]到焊接過程中從空氣中進入了少量N，推算出兩種焊材鐵素體設計約為3 FN。

對熱處理后的熔敷金屬進行金相組織檢驗，如圖1所示，1#和2#熔敷金屬金相組織均為奧氏體+少量鐵素體，其中1#奧氏體為樹枝狀和胞狀，2#奧氏體為樹枝狀，鐵素體存在于枝晶界和胞晶界，均為AF凝固模式，與表5分析結果一致。

3.3 -196 ℃沖擊試驗

熔敷金屬-196 ℃夏比（V型缺口）沖擊試驗值見表6，均達到50 J以上，滿足項目技術要求。與常規308L焊條或埋弧焊絲相比，經過改良后的焊材在焊后熱處理后-196 ℃沖擊值提高了100%以上，充分驗證了鐵素體含量對低溫韌性的顯著影響。

對比上述實驗數據可知，通過優化308L類焊材中合金元素比例，在標準規定的成分范圍內降低鉻鎳當量比值，保證鐵素體數在3 FN以內，可以大幅提高308L焊材熔敷金屬的低溫韌性，經570 ℃×1 h熱處理后-196 ℃沖擊功可達50 J以上。

4 結論

（1）308L類焊材鐵素體數通常為6～12 FN，SMAW、SAW、MIG焊熔敷金屬-196 ℃沖擊功為24～50 J，經過570 ℃×1 h熱處理后，熔敷金屬低溫韌性顯著下降，-196 ℃沖擊功為10～25 J。

（2）焊縫金屬中鐵素體含量對低溫韌性具有顯著影響，鐵素體含量越低，低溫韌性越好，在標準規定的成分范圍內降低308L類焊材的鉻鎳當量比值，控制鐵素體數在3 FN以內，可使熔敷金屬在經過570 ℃×1 h熱處理后-196 ℃沖擊功達50 J以上。

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