304L奧氏體不銹鋼超低溫焊材選用研究

閔曉峰 潘伍覃 吳夢(mèng)先 侯華東 祝強(qiáng)

摘要：結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)資料，分析出385、316LMn、316L、改良型308L四種焊材能夠用于超低溫304L奧氏體不銹鋼的焊接，并能滿足焊縫金屬-196 ℃沖擊功≥50 J的要求。對(duì)385、316LMn、改良型308L焊條及316L氬弧焊絲分別進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，各項(xiàng)力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)照焊縫化學(xué)成分及-196 ℃沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了隨焊縫金屬中鐵素體含量的增加，沖擊值明顯降低，鎢極氣體保護(hù)焊焊縫超低溫韌性優(yōu)于焊條電弧焊。通過控制四種焊材鐵素體數(shù)在2 FN以內(nèi)，可以使焊縫金屬-196 ℃沖擊功大于50 J。

關(guān)鍵詞：304L;超低溫;鐵素體;焊材;-196 ℃沖擊功

中圖分類號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0108-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.22

0 前言

隨著國(guó)際化工及能源物流的快速發(fā)展，不銹鋼儲(chǔ)罐、船罐、集裝箱等被廣泛應(yīng)用于化工、軍工、能源等物資運(yùn)輸與儲(chǔ)存中。304L奧氏體不銹鋼因其優(yōu)良的低溫韌性及良好的耐蝕性被廣泛應(yīng)用于液氮儲(chǔ)罐、LNG船罐及大型低溫設(shè)備的建造。

用于儲(chǔ)存液氮、液化天然氣或是運(yùn)行介質(zhì)為氮?dú)獾脑O(shè)備，其設(shè)計(jì)使用溫度為-196～-163 ℃，焊接接頭夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)溫度一般都規(guī)定在-196 ℃進(jìn)行。雖然我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫金屬的-196 ℃沖擊吸收功（KV2）≥31 J[1]，但國(guó)內(nèi)外一些高、精、尖項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求的焊縫金屬-196 ℃沖擊值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該數(shù)值。例如，國(guó)內(nèi)某大型低溫容器設(shè)計(jì)要求焊接接頭在熱處理后-196 ℃沖擊值≥50 J，ITER國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目要求焊縫-196 ℃沖擊值≥60 J，這些都對(duì)配套焊材提出了更為嚴(yán)苛的要求，尤其是超低溫韌性。

文中通過對(duì)幾種不同型號(hào)的焊材進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，研究焊接接頭的力學(xué)性能特別是超低溫韌性，以期選出幾種與304L不銹鋼配套的且焊縫金屬-196 ℃沖擊值≥50 J的超低溫焊材。

1 影響低溫韌性的因素

影響低溫韌性的因素有很多，如焊縫中組織的均勻性、焊絲表面處理、焊縫中非金屬夾雜物、焊條藥皮類型、焊縫中鐵素體含量等。其中鐵素體含量對(duì)于低溫韌性的影響是最重要、也是最顯著的。通常焊縫中鐵素體含量越低，焊縫低溫韌性越好[2]，這是由于鐵素體屬于體心立方結(jié)構(gòu)，韌性不如奧氏體，同時(shí)鐵素體對(duì)碳的溶解度比奧氏體低[3]，焊縫低溫脆性對(duì)鐵素體含量非常敏感。因此必須優(yōu)化焊材的鉻鎳當(dāng)量比，控制熔敷金屬的鐵素體含量，以滿足焊縫金屬低溫韌性的要求。

2 超低溫焊材選用分析

目前焊接304L最常用的焊材為308L，為確保焊縫金屬具有足夠的抗結(jié)晶裂紋能力，焊材在成分設(shè)計(jì)上會(huì)確保熔敷金屬中含有7～12 FN鐵素體。為驗(yàn)證常規(guī)308L焊材熔敷金屬-196 ℃沖擊值能否達(dá)到50 J的要求，對(duì)國(guó)內(nèi)外知名品牌的308L焊材熔敷金屬進(jìn)行-196 ℃沖擊測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，常規(guī)308L焊材完全無法滿足焊縫金屬-196 ℃沖擊功50 J的要求，特別是經(jīng)過570 ℃×1 h熱處理后，低溫韌性大幅度下降，對(duì)應(yīng)用于超低溫環(huán)境下的焊材，必須進(jìn)一步減少熔敷金屬中的鐵素體含量。目前國(guó)標(biāo)對(duì)于不銹鋼焊材沒有鐵素體含量的相關(guān)規(guī)定，但部分國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此有所規(guī)定，例如，API 582指導(dǎo)規(guī)范要求鐵素體必須高于3 FN，但同時(shí)該規(guī)范也指出，對(duì)于超低溫應(yīng)用，較低一些的鐵素體含量也許是必須的[4]。AWS A5.4標(biāo)準(zhǔn)附件中建議盡量減少焊縫金屬中的鐵素體，最大為3 FN，或不含鐵素體。按照如上標(biāo)準(zhǔn)的建議，可選的超低溫焊材有三種：鎳基焊材、超級(jí)奧氏體不銹鋼焊材、少量鐵素體含量焊材。

2.1 鎳基焊材

鎳基焊材的含鎳量基本在50%以上，因此焊縫組織為全奧氏體，鐵素體含量為0。筆者曾采用鎳基焊材進(jìn)行了304L的焊接工藝評(píng)定，焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能滿足NB/T 47014標(biāo)準(zhǔn)要求，-196 ℃沖擊功均大于50 J。但是由于鎳基焊材價(jià)格昂貴，同時(shí)屬于高匹配的填充材料，母材與焊縫之間會(huì)形成“電池腐蝕”效應(yīng)，對(duì)母材造成一定程度的腐蝕，因此不推薦采用鎳基焊材。

2.2 超級(jí)奧氏體不銹鋼焊材

超級(jí)奧氏體不銹鋼焊材即全奧氏體焊材，由于鐵素體含量為0或微量，理論上具有極好的超低溫韌性，焊縫金屬-196 ℃沖擊功會(huì)有極大的裕量。按照AWS A5.4不銹鋼電焊條標(biāo)準(zhǔn)，超級(jí)奧氏體不銹鋼焊材有如下幾種：310系列、316LMn、320系列、330、385、3155、31-33。其中310、330碳含量較高，不利于抗晶間腐蝕;383、320、33-31鎳含量太高，經(jīng)濟(jì)效益差;3155屬于高碳含鈮穩(wěn)定化焊材，也不適用于304L低碳不銹鋼的焊接。因此合適的焊材為316LMn與385。

2.3 含少量鐵素體焊材

除超級(jí)奧氏體不銹鋼焊材外，能夠控制合金成分、限制鐵素體含量在一定范圍內(nèi)的焊材理論上也能滿足-196 ℃沖擊功≥50 J的要求。這類焊材的鐵素體含量極低，能夠滿足超低溫韌性的要求，同時(shí)焊縫中又含有少量鐵素體，能夠保持一定的抗裂性，是最適合的焊材。這類焊材主要有：316L、改良型的308L。

根據(jù)WRC-1992相組分圖計(jì)算可知，316L理論上最高鐵素體含量為3 FN，可用于超低溫環(huán)境。AWS A5.4第9.3.3.4條中有說明：對(duì)于低溫環(huán)境有沖擊要求的產(chǎn)品，316L焊材是首選，因?yàn)樗菀撰@得不含鐵素體的焊縫，并保持抗裂性[5]。改良型的308L焊材即降低Cr含量的上限，提高Ni含量的下限，調(diào)整鉻鎳當(dāng)量比，從而降低鐵素體含量，提高超低溫韌性。例如，英國(guó)曼徹特焊接材料公司將專門用于LNG設(shè)施的不銹鋼焊材熔敷金屬鐵素體含量控制在2～5 FN，稱為控制鐵素體焊材，即CF焊材（controlled ferrite）。國(guó)內(nèi)武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司聯(lián)合昆山京群焊材聯(lián)合開發(fā)了一種限制鐵素體含量的改良型308L焊條，其熔敷金屬化學(xué)成分和沖擊性能如表2和表3所示。

3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

焊接試驗(yàn)?zāi)覆臑?04L，屬于18-8型鋼范圍，但在此基礎(chǔ)上對(duì)合金元素含量有所調(diào)整，與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)相比，降低了Si元素含量，以提高材料焊接性能，降低了雜質(zhì)元素S、P的含量，提高了奧氏體穩(wěn)定元素Ni的下限指標(biāo)，其主要化學(xué)成分見表4。焊接材料分別為E385-16、E316LMn-15、E308L-16、ER316L，熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合GB/T 983及GB/T 29713標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 試驗(yàn)方法

分別采用焊條電弧焊及手工鎢極氣體保護(hù)焊焊接4塊試板，試板規(guī)格為500 mm×150 mm×40 mm，雙面X形坡口，坡口的根部間隙為3 mm，鈍邊為0 mm，試板采用多層多道焊，主要焊接工藝參數(shù)見表5。焊接位置為立焊，保護(hù)氣體為純度≥99.99%的氬氣，采用直磨機(jī)清根，試板焊后經(jīng)無損檢測(cè)合格后統(tǒng)一進(jìn)行570 ℃×1 h熱處理，消除部分殘余應(yīng)力。

3.3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

4塊試板焊接過程中沒有發(fā)現(xiàn)熱裂紋，熱處理后按照NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表6、表7所示。

由表可知，焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明這4種型號(hào)的焊材能夠用于304L奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備的焊接，且具有良好的超低溫韌性。焊縫金屬即使經(jīng)過熱處理其-196 ℃沖擊值也均大于50 J，其中焊條385和316LMn沖擊值相當(dāng)，約為101 J，焊絲316L沖擊值約為74 J，都具有較大的裕量，308L焊條沖擊值最低，約為56 J。

3.4 化學(xué)成分分析

按照GB/T 11170-2008、GB/T 20123-2006及GB/T 20124-2006標(biāo)準(zhǔn)分析焊縫的化學(xué)成分，結(jié)果如表8所示。按照WRC-1992相組分圖計(jì)算出焊縫金屬的鐵素體含量，其中焊條385和316LMn近乎為全奧氏體焊材，焊絲316L和焊條308L的鐵素體數(shù)約為2 FN，與上述分析結(jié)果一致。

3.5 結(jié)果比照分析

對(duì)比表7和表8可知，焊縫金屬中的鐵素體含量直接影響其超低溫韌性，鐵素體含量越低，焊縫金屬的超低溫韌性越好，反映到量化的數(shù)值上就是

-196 ℃沖擊功越高。但鐵素體含量并不是唯一影響焊縫金屬超低溫韌性的因素，焊接方法也至關(guān)重要，雖然3#與4#試板焊縫金屬鐵素體含量相當(dāng)，但沖擊值相差約20 J，這是由于焊條電弧焊的藥皮會(huì)參與熔池冶金過程，焊縫中存在非金屬夾雜物，從而降低焊縫金屬的超低溫韌性，相對(duì)于鎢極氣體保護(hù)焊，焊條電弧焊線能量大，也會(huì)在一定程度上降低焊縫金屬的超低溫韌性。

對(duì)于304L奧氏體不銹鋼用超低溫焊材，可選用385、316LMn、316L、308L四種類型焊材，通過控制熔敷金屬鐵素體數(shù)在2 FN以內(nèi)，可以使焊縫金屬

-196 ℃沖擊功大于50 J，即使經(jīng)過570 ℃×1 h的去應(yīng)力熱處理，也能維持良好的超低溫韌性。

4 結(jié)論

（1）采用不同型號(hào)的焊材、相同的SMAW焊接工藝，40 mm厚304L不銹鋼焊接試板的焊縫-196 ℃沖擊值隨焊縫金屬中鐵素體含量的增加明顯降低。

（2）采用鐵素體含量相同的焊材進(jìn)行焊接，鎢極氣體保護(hù)焊焊縫超低溫韌性優(yōu)于焊條電弧焊。

（3）對(duì)于超低溫304L奧氏體不銹鋼，可選用385、316LMn、316L、308L四種類型的焊條或焊絲進(jìn)行焊接，通過控制其熔敷金屬鐵素體含量在2 FN以內(nèi)，可以使焊縫金屬-196 ℃沖擊功大于50 J。

參考文獻(xiàn)：

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