347H 奧氏體不銹鋼管焊接工藝評定

馮玉蘭， 吳志生， 李亞杰， 李 巖， 王瑞森

（1. 太原科技大學(xué)， 太原030024； 2. 中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司， 山西 晉中030600）

0 前 言

347H 屬于奧氏體不銹鋼， 與347 不銹鋼相比， 碳含量較高， 具有良好的高溫力學(xué)性能。 在普通奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上加入穩(wěn)定化元素Nb，提高了抗敏化性能， 使其具有良好的耐腐蝕性。因此， 347H 屬于奧氏體不銹熱強(qiáng)鋼， 在較高溫度下具有良好的耐腐蝕性和強(qiáng)度[1-3]， 同時化學(xué)成分均勻， 組織穩(wěn)定， 被廣泛用于大型鍋爐過熱器、再熱器、蒸汽管道及石油化工的熱交換器管件。 但347H 不銹鋼管材在焊接后會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象， 明顯降低了該類鋼材的使用壽命[4-5]。 為了保證347H 不銹鋼管材在使用過程中的安全性， 尋找合適的焊接工藝和焊后熱處理措施并對其可行性進(jìn)行驗證， 對拓寬347H 不銹鋼管材在石油化工等領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的研究價值[6-10]。

1 試驗材料

本研究選用山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產(chǎn)的347H 奧氏體不銹鋼板材， 試樣尺寸450 mm（長） ×300 mm （寬） ×15 mm （厚）， 其化學(xué)成分見表1， 力學(xué)性能見表2。

表1 347H 奧氏體不銹鋼板材的化學(xué)成分 %

表2 347H 奧氏體不銹鋼板材的力學(xué)性能

2 焊接工藝

2.1 焊接坡口形式

焊接試樣單邊坡口形狀及焊接道次分布如圖1所示。 坡口設(shè)計為Y 形坡口， 鈍邊（4±0.25） mm，焊縫單邊坡口角度37.5°±2.5°。

2.2 焊接方法及設(shè)備

焊接方法： PAW 打底 （不填絲） +TIG 填充蓋面+TIG 填絲內(nèi)焊。

焊接設(shè)備： 邊梁雙槍P+T 縱環(huán)焊縫焊接系統(tǒng)和龍門TIG 內(nèi)焊焊接系統(tǒng)， 系統(tǒng)包含有德國進(jìn)口的等離子焊接電源PAW 522 DC－P 和TIG焊接電源TETRIX 521。

2.3 焊接材料

焊絲選用實芯焊絲ER347 Φ1.2 mm， 其化學(xué)成分見表3。 由表3 和表1 對比可知， 焊絲ER347 的主要合金元素含量均大于母材347H 合金元素含量， 可以抵消焊接過程中合金元素的燒損量， 并添加了少量的Mo， 可以提高焊縫的鈍化效果， 并細(xì)化晶粒， 滿足焊材選用要求。

圖1 焊接試樣單邊坡口形狀及焊接道次分布示意圖

表3 ER347 不銹鋼實芯焊絲化學(xué)成分 %

2.4 焊前工藝要求

（1） 焊前清理焊縫坡口及兩側(cè)油污、 鐵銹及氧化皮等污物；

（2） 檢測焊絲牌號及焊接氣體是否滿足要求；

（3） 確認(rèn)焊接設(shè)備可正常運行；

（4） 檢查焊縫坡口尺寸及質(zhì)量。

2.5 焊接工藝要求及參數(shù)

（1） 焊接方式采用PAW 打底焊（不填絲） +TIG 填充蓋面+TIG 填絲內(nèi)焊；

（2） 嚴(yán)格控制層間溫度≤100 ℃， 層間清理嚴(yán)格按照要求操作；

（3） PAW 及TIG 焊接氣體均為純氬氣， 純度≥99.99%；

（4） 層間清理， 采用不銹鋼鋼絲輪清理焊縫表面及兩側(cè)30 mm 范圍內(nèi)的污物。

焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)

3 焊縫外觀及射線檢測

試樣焊接完成后對焊縫進(jìn)行外觀及X 射線檢驗， 外觀按照最新ASME 《鍋爐及壓力容器規(guī)范》 第Ⅸ卷QW－194 所述外觀檢測要求， 技能評定件表面沒有裂紋并顯示焊縫金屬與母材全熔透、 全熔合。 射線透照檢測按照QW191.1 要求進(jìn)行。 本次試驗檢測焊縫無任何缺陷， 結(jié)果滿足要求。

4 試驗過程及分析

4.1 焊縫力學(xué)性能測試

根據(jù)美標(biāo)ASME 《鍋爐及壓力容器規(guī)范》 第Ⅸ卷要求[11]， 采用鋼研納克檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的30T 電子拉伸試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗和彎曲試驗； 采用500 J 低溫沖擊試驗機(jī)進(jìn)行沖擊試驗， 具體試驗過程及結(jié)果如下。

4.1.1 焊縫橫向拉伸試驗

對試樣進(jìn)行焊縫橫向拉伸試驗， 試樣平均寬度19 mm， 標(biāo)距50 mm； 試樣要求內(nèi)外焊縫余高機(jī)械磨除。 試樣的測試條件是： 加載速率5 mm/min， 加 載 載 荷10 kN； 試 驗 執(zhí) 行 標(biāo) 準(zhǔn)ASTM A370； 拉伸試樣如圖2 所示， 焊接接頭力學(xué)性能見表5。

圖2 焊縫拉伸試樣照片

表5 焊接接頭力學(xué)性能測試結(jié)果

由圖2 可以看出， 焊接接頭同軸橫向拉伸斷裂發(fā)生在母材處， 表明焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)于母材。 由表5 可以看出， 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度和延伸率均大于標(biāo)準(zhǔn)要求值， 其力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.1.2 彎曲試驗

母材厚度為15 mm， 測試焊縫的背彎及面彎性能， 并未用側(cè)彎代替， 試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370， 彎曲直徑40 mm， 彎曲角度180°， 彎曲后用放大鏡放大10 倍觀察， 在焊縫和熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)有裂紋， 表明該工藝下獲得的焊接接頭在彎曲應(yīng)力作用下仍具有較好的力學(xué)性能， 判定為合格， 彎曲試樣照片如圖3 所示。

圖3 焊縫彎曲試樣照片

4.2 焊縫耐腐蝕性

按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A262 E 法測試焊縫耐晶間腐蝕性能， 試樣尺寸為80 mm×50 mm×4 mm。采用16%硫酸－硫酸銅溶液進(jìn)行煮沸， 硫酸－硫酸銅溶液配比方案： 在700 ml 蒸餾水中溶解100 g 硫酸銅 （CuSO4·5H2O）， 添加100 ml 硫酸（H2SO4， 化學(xué)純， 密度1.84 g/cm3）， 并用蒸餾水稀釋至1 000 ml。 按照上面配好的溶液煮沸15 h后彎曲。 彎曲試驗用彎芯直徑5 mm， 彎曲角度180°， 彎曲后采用10 倍放大鏡觀察焊縫外表面無裂紋產(chǎn)生， 結(jié)果評定為合格。 煮沸并彎曲后的試樣如圖4 所示。

圖4 晶間腐蝕試樣照片

圖5 焊接接頭過渡區(qū)組織形貌

4.3 金相試驗分析

4.3.1 焊縫熱影響區(qū)金相組織

圖5 （a） 所示為347H 焊接接頭過渡區(qū)金相組織形貌， 由左往右分別為母材、 熱影響區(qū)和焊縫組織， 母材主要由大量奧氏體和少量顆粒狀碳化物組成， 沒有鐵素體相（鐵素體在鍛軋變形過程中消失）， 在一些奧氏體晶內(nèi)存在一定數(shù)量的孿晶界。 分析過渡區(qū)微觀組織可以發(fā)現(xiàn)， 焊接過程沒有產(chǎn)生氣孔、 夾雜和焊接裂紋， 說明本研究采用的焊接工藝可以使焊接接頭達(dá)到良好的冶金結(jié)合。 熱影響區(qū)在焊接熱的作用下發(fā)生了一定的固態(tài)相變， 尤其在接近熔合線位置出現(xiàn)了過熱區(qū)， 由于加熱溫度從1 100 ℃到固相，導(dǎo)致該區(qū)域的晶粒發(fā)生一定的粗化， 形成粗晶區(qū)， 一定程度上影響焊接接頭的性能， 其局部放大組織如圖5 （b） 所示[12-13]。

4.3.2 焊縫金相組織

圖6 焊縫區(qū)域微觀組織形貌

圖6 所示為347H 不銹鋼焊縫區(qū)域的微觀組織形貌， 通過直線法對焊縫組織的晶粒度進(jìn)行了分析， 焊縫上層位置的組織晶粒約為75 μm， 焊縫中心組織晶粒約為100 μm。 結(jié)果表明， 上層組織晶粒較焊縫中心和熱影響區(qū)組織更細(xì)小，這主要是因為中心焊道比上層焊道晶粒有更多的焊接熱作用， 從而導(dǎo)致焊縫中心組織的晶粒發(fā)生了一定的粗化。 焊縫區(qū)域也存在少量的顆粒狀碳化物， 但數(shù)量很少， 說明制定的熱處理工藝能夠較好的溶解焊接過程析出的碳化物，從而使焊接接頭具有良好的力學(xué)性能， 對于焊接接頭組織不均勻的現(xiàn)象， 可以通過延長熱處理時間進(jìn)行改善[14-15]。

5 結(jié) 論

本研究針對厚度為15 mm 的347H 不銹鋼，采用PAW+TIG 焊接工藝， 熱處理加熱到1 100 ℃，保溫15 min 后水冷獲得良好的焊接接頭， 對焊縫理化性能及金相組織分析可得出以下結(jié)論： 焊縫拉伸、 彎曲、 晶間腐蝕等理化性能滿足要求；但熱處理溫度1 100 ℃， 保溫15 min 后水冷， 對于厚度為15 mm 的347H 不銹鋼時間較短， 焊接接頭組織未均勻化， 且晶粒大小不均勻， 應(yīng)適當(dāng)延長熱處理時間， 使焊縫組織更加均勻。