S31254超級奧氏體不銹鋼焊接與熱處理對焊縫組織與性能的影響★

鄔莉華

（中鋼不銹鋼管業科技山西有限公司，山西 晉中 030600）

S31254不銹鋼作為超級奧氏體不銹鋼，是一種低碳、高鉬含氮奧氏體不銹鋼。化學成分及綜合性能介于奧氏體不銹鋼與鎳基合金之間，N、Mo、Cu等合金元素的加入使得奧氏體組織穩定及耐腐蝕性提高[1-3]。當使用環境的耐腐蝕要求高于普通奧氏體不銹鋼而低于鎳基合金的要求時，中鋼不銹鋼管業科技山西有限公司可采用S31254超級奧氏體不銹鋼材料，這樣既滿足了使用要求，同時節約了成本。目前，已被廣泛應用在造紙、海水、化工等一些對腐蝕要求較高的使用環境中。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗用母材及試板尺寸

本次試驗用母材為日本冶金工業珠式會社川崎制造所生產的S31254超級奧氏體不銹鋼鋼板，尺寸為：500 mm（長）×300 mm（寬）×6 mm（厚），數量2塊。

1.2 母材化學成分及力學性能

本次試驗用S31254超級奧氏體不銹鋼板執行標準ASTM A240，其化學成分及力學性能見表1和表2。

表1 S31254超級奧氏體不銹鋼板化學成分 %

表2 S31254奧氏體不銹鋼的力學性能

2 試驗方案

本次試驗采用兩種試驗方案，方案一為焊接態，方案二為焊接+熱處理態，兩種方案的焊接工藝一致。熱處理工藝方案為：加熱溫度為1 180℃，保溫時間為10 min，然后出爐入水速冷。

2.1 試驗用焊接材料及設備

焊接采用鎳基實芯焊絲，牌號ERNiCrMo-13，規格Ф1.2 mm，執行標準AWS A5.14化學成分見表3。

表3 ERNiCrMo-13Φ1.2 mm焊絲化學成分 %

焊接設備使用邊梁雙槍P+T縱環縫焊接系統TETRIX 522D-P、TETRIX 521 TIG，電源AC/DC 1 000。平焊位置。

2.2 工藝及檢驗要求

2.2.1 焊接坡口型式

本次試驗焊接坡口采用I型坡口，坡口形式及焊接道次詳見圖1所示。

圖1 S31254超奧焊接坡口及焊道分布示意圖（T=6 mm）

2.2.2超級奧氏體S31254不銹鋼焊接性分析

S31254鋼屬于超級奧氏體不銹鋼，鎳含量較高，容易與硫和磷形成低熔點共晶物；另焊縫為單相奧氏體柱狀晶組織（見圖2），容易造成鎳的低熔點共晶的偏聚，在焊接應力的作用下產生裂紋，一般為弧坑裂紋[4-6]。

2.2.3 焊接方法、工藝要求及參數

為了盡量避免弧坑裂紋，在引熄弧時提前和延遲保護氣氛，減小應力作用，嚴格控制層間溫度≤60℃，同時控制焊接線能量≤1.5 kJ/mm改善焊縫組織形態（見圖3）。

圖2 S31254超奧焊縫柱狀晶組織

圖3 控制焊接線能量后焊縫組織

焊接方法采用PAW不填絲打底焊接+TIG填絲蓋面焊接；焊接及保護氣體均為純Ar。焊接工藝參數如表4所示。

表4 PAW+TIG焊接工藝參數

焊前檢查焊絲牌號的正確性、焊接設備正常運行，焊前及層間使用角磨機或丙酮清理焊縫及兩側25 mm范圍內的油污及鐵銹；檢查焊材牌號及規格，確保正確。

2.2.4 焊縫X射線無損檢測：

試板焊接完成后，焊縫進行無損檢測。按照標準NB/T 47013.7要求進行目視檢測，按照標準NB/T 47013.2進行RT實時成像檢測。未發現有咬邊、氣孔、未熔合、裂紋等任何缺陷（見圖4），符合標準要求。

3 焊后熱處理

焊縫檢測無缺陷后，取其中1塊試板進行焊后熱處理，熱處理加熱溫度為1 180℃，保溫時間為10 min，然后出爐入水速冷。熱處理后的組織形貌見圖5。

4 焊縫性能檢驗及結果分析

焊縫的橫向拉伸、彎曲、硬度、沖擊試驗均按照ASTM A370標準執行，試驗尺寸、具體要求及試驗結果如下。

圖4 焊縫RT實時成像檢測

圖5 熱處理后焊縫組織

4.1 焊縫橫向拉伸試驗

焊縫橫向拉伸試驗，試樣寬度20 mm，標距50 mm，要求機械去除焊縫內外余高與母材，試驗加載速率5 mm/min，加載載荷10 kN，試樣及試驗結果見圖6和表5。6-1焊接態拉伸試樣 6-2熱處理態拉伸試樣圖6焊縫拉伸試樣

表5 焊接接頭力學性能測試結果

根據美標ASME A240中表2機械試驗要求可知，以上焊接態和熱處理態抗拉強度均滿足要求，大于標準要求655 MPa最低值；標準要求屈服強度Rp0.2≥310 MPa，表5顯示焊接態屈服強度值低于標準值，不滿足要求，熱處理態焊縫屈服強度值為416 MPa，滿足要求；延伸率44.0%大于35.0%，均滿足要求。拉伸試樣斷裂位置均在焊縫外的母材處。

4.2 焊縫彎曲試驗

本次試驗對焊縫進行面彎和背彎試驗，試樣尺寸20 mm×6 mm×160 mm（寬×厚×長），彎曲直徑20 mm，彎曲角度180°，試驗執行標準ASTM A370，試驗后顯微鏡下放大10倍觀察焊縫外表面無裂紋，試驗合格。式樣詳見圖7。

圖7 焊縫彎曲試樣

4.3 焊縫沖擊試驗

試驗執行標準ASTM A370，試驗溫度為室溫，試樣尺寸：55 mm×10 mm×5 mm（長×寬×厚），缺口類型V型。試驗結果見下頁表6。

試驗類型試樣狀態 試驗位置 試驗溫度/℃吸收功/J 結果焊縫78.6 V型缺口沖擊試驗 焊接態熔合線 122.7熔合區+5 mm 187.4母材區 146.7室溫（23℃）滿足ASME第Ⅸ卷要求≥31 J焊縫110.7 V型缺口沖擊試驗熱處理態熔合線 187.6熔合區+5 mm 181.5母材區 156.1室溫（23℃）滿足ASME第Ⅸ卷要求≥31 J

4.4 晶間腐蝕試驗

本次試驗用試樣尺寸75 mm×25 mm×3 mm（長×寬×厚），試驗執行標準ASTM A262 E法-檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的銅-硫酸銅-硫酸試驗，試樣敏化溫度675℃，時間1 h；試驗方法及參數詳見表7。

測試方法 標準 試樣尺/mm 溶液配方 侵蝕參數彎曲參數長寬厚硫酸-硫酸銅-銅屑法ASTM A262 E法75 25 3 100 g CuSO4·5H2O+700 mL蒸餾水+100 mL H2SO4+蒸餾水稀釋至1 000 mL沸騰15 h d=5 mm α=180°注：該溶液約含6%質量的無水CuSO4和16%質量的H2SO4。

按照表7所列試樣尺寸及配比溶液，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20倍放大鏡觀察焊縫外表面均無裂紋，試驗合格。煮沸并彎曲后的試樣詳見圖8。

5 結論

本文通過試驗研究S31254超級奧氏體不銹鋼焊接及焊后熱處理工藝對焊縫組織與性能的影響。結果表明：采用PAW+TIG純氬焊接方法，以ERNi－CrMo-13、規格為Ф1.2 mm的鎳基實芯焊絲為填充材料的焊接工藝，在此基礎上，焊后熱處理采用1 180℃的加熱、10 min/6 mm的保溫、然后出爐入水速冷，能夠獲得優異的焊縫接頭性能，很好地滿足ASME第Ⅸ卷的標準要求。