低溫環境下使用的S30408不銹鋼焊接工藝研究

鄭 周，銀潤邦，羅永飛

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643000）

1 概述

隨著我國低溫容器的快速發展和廣泛應用，人們對材料和焊縫的低溫性能要求也在不斷提高。由于C～Mn鋼、低合金鋼在低溫下會脆化，當溫度達到～100℃以下時脆化非常明顯，而奧氏體不銹鋼具有良好的低溫抗沖擊性能，即使在～196℃下仍具有較好的沖擊功，因此，奧氏體不銹鋼在低溫環境中被作為一種較理想的材料得到較廣泛的應用。但是奧氏體不銹鋼焊縫的組織和狀態與母材存在一定的差異，要使其在～196℃時達到標準要求的沖擊功還是存在一定的難度。按照GB150—2011規定，在～196℃進行焊縫金屬的低溫沖擊功不得小于31J，在該溫度下，采用普通的不銹鋼焊材和焊接工藝，很難保證其沖擊功，因此必須對焊材的化學成分做特殊要求，并采用特定的焊接工藝，才可保證其低溫抗沖擊性能。

S30408鋼焊縫低溫沖擊功與焊接規范、焊材化學成分、焊接方法等因素有關。為了得到滿足低溫要求的焊接接頭，本文從焊接材料，焊接方法、焊接規范對接頭沖擊功的影響進行分析研究，總結出S30408鋼在～196℃使用條件下的合適的焊接材料和焊接工藝。

2 實驗內容

2.1 實驗條件

2.1.1 焊接材料

采用焊條電弧焊和埋弧焊兩種焊接方法進行研究，每種焊接方法采用不同化學成分的焊材，焊條電弧焊選擇三個不同廠家的焊材，牌號用英文字母A、B和C表示，焊條A、B符合GB/T983—2012中E308L的要求。埋弧焊焊絲/焊劑選用三個廠家的焊材，埋弧焊焊絲/焊劑組合的熔敷金屬用英文字母D、E和F表示。埋弧焊熔敷金屬符合GB/T17854—2018中F308L要求。焊材化學成分要求如表1所示。

表1 標準要求焊接材料熔敷金屬化學成分 %

2.1.2 原材料及坡口形式

試板采用厚度為16mm的S30408不銹鋼板，化學成分如表2所示，力學性能如表3所示，坡口形式采用圖1所示的坡口，試板長度400mm。

表2 S30408不銹鋼鋼板化學成分 %

表3 S30408不銹鋼鋼板力學性能

圖1 焊接試板坡口圖

2.1.3 實驗方案

為了了解線能量和層間溫度對抗沖擊性能的影響，對焊接試板采用不同焊接線能量和層間溫度進行焊接。編號為1#～6#為焊條電弧焊，7#～12#為埋弧自動焊。其中1#、2#、3#、7#、8#、9#為小規范低層間溫度焊接，4#、5#、6#、10#、11#、12#為大規范高層間溫度焊接，具體如表4所示。

表4 焊接參數

2.2 實驗結果及分析

2.2.1 化學成分

對焊縫進行熔敷金屬化學成分分析，檢驗結果如表5所示。

表5 幾種焊材熔敷金屬化學成分分析 %

采用A、B、C、D、E、F焊材焊接的試樣的熔敷金屬化學成分均符合標準規定。

2.2.2 力學性能

對對接接頭試樣進行拉伸、彎曲、沖擊等力學性能檢驗，各試樣接頭性能如表6所示。

表6 接頭力學性能

從表6看出，焊條電弧焊接頭和埋弧焊接頭均能滿足標準要求的抗拉強度，彎曲180°未裂，說明焊縫塑性良好。

由表6中手工焊試樣沖擊功對比可知，在相同焊接線能量和層間溫度下，三種焊條對應焊縫在～196℃下的沖擊功由高到低依次為：A＞C＞B。埋弧焊試樣沖擊功對比，在相同焊接線能量和層間溫度下，三種埋弧焊焊材所焊接的焊縫在～196℃下，沖擊功由高到低依次為：F＞D＞E。同種焊接材料在其余條件不變的情況下，小線能量和低層間溫度下沖擊功值比大線能量、高層間溫度沖擊功值高。可見焊接線能量和層間溫度對奧氏體不銹鋼焊縫的低溫沖擊功有一定影響。從焊接方法對比來看，埋弧焊接頭性能比手工焊高。

2.3 討論

2.3.1δ鐵素體含量和碳含量對沖擊功的影響

S30408試板焊接接頭，焊縫組織為δ鐵素體+奧氏體兩相組成。從晶體學原理可知，奧氏體組織為面心立方結構，其韌性對溫度變化不敏感；δ鐵素體為體心立方結構，其韌性對溫度變化敏感。面心立方的奧氏體一般沒有低溫脆性的特點，δ鐵素體相存在低溫脆性，鐵素體含量高對不銹鋼的低溫韌性起不利影響。因此低溫用奧氏體不銹鋼尤其是焊縫應控制鐵素體含量不宜過高。低溫下，焊縫組織中δ鐵素體含量越高，焊縫低溫沖擊功值越低。

在～196℃下，由于過冷度較大，部分奧氏體會發生馬氏體相變。在室溫及低溫下碳過飽和溶于奧氏體基體中，在低于某一溫度后，面心立方晶格的奧氏體會開始無擴散性地相變成為馬氏體。此時，碳仍過飽和地溶于馬氏體相中，馬氏體中的碳含量越高，碳的過飽和溶解度越大，造成的晶格點陣畸變越嚴重，馬氏體本身的韌性就越低，導致～196℃下低溫沖擊功越低。可以簡要概括為：焊縫碳含量越高，低溫沖擊功值越低。

采用磁性法，用測量儀檢測多組數據，測出各試板焊縫的δ鐵素體含量范圍，如表7所示。

表7 各焊材焊接的焊縫δ鐵素體含量

根據表5中化學成分，表7中的δ鐵素體含量可知：

手工焊焊縫A、B、C，δ鐵素體含量由高到底是B＞A＞C，碳含量由高到低是B＞C＞A。沖擊功結果是A＞C＞B。B試板沖擊功最低，主要影響因素是δ鐵素體和碳含量均為最高，導致其沖擊功最低。而A、C試板中C試板碳含量較A試板碳含量略高，但δ鐵素體含量較A試板略低。根據以上對δ鐵素體和碳含量的分析，δ鐵素體和碳含量的綜合影響，導致兩塊試板沖擊功相近。

自動焊焊縫D、E、F，δ鐵素體含量由高到低是E＞D＞F，碳含量由高到低是E＞D＞F。沖擊功結果是F＞D＞E。其中E試板中δ鐵素體含量和碳含量均為最高，因此沖擊功最低。F試板δ鐵素體含量和碳含量均為最低，因此沖擊功最高。

2.3.2 焊接線能量和層間溫度對沖擊功的影響

抗沖擊性能與組織晶粒度有密切關系，晶粒度越高，材料綜合性能越好，沖擊功越高。

當焊接線能量越大時，熱輸入便越大，造成焊縫鑄態組織過熱，焊接過程中，熱輸入對鑄態組織冷卻速度有較大影響，焊接熱輸入越大，鑄態組織冷卻速度越慢，焊接熱輸入越小，鑄態組織冷卻速度越快。有資料表明，S30408不銹鋼鑄態組織在較快速度冷卻時的δ鐵素體明顯比較慢速度冷卻時細小。這說明當冷速較大時，系統獲得的過冷度明顯增加，δ相的形核率明顯加大，其晶粒度變小，導致后期出現的奧氏體晶粒更加細小。因此，熱輸入大小影響焊縫組織粗細，組織粗細決定性能。由此可以得出：熱輸入越大，組織越粗大，抗沖擊性能越差；熱輸入越小，組織越細小，抗沖擊性能越好。

另一個影響沖擊功的因素是焊接時的層間溫度。焊接過程中，層間溫度越高，會導致焊縫組織越粗大，這種觀點已經通過金相觀察被確定并廣為接受。因此，層溫高導致組織粗大，抗沖擊性能差。

根據以上分析就能說明表4、表6中，采用較高層間溫度和較大焊接線能量所焊接的試板比采用較低層間溫度和較小焊接線能量的試板沖擊功低的原因了。

3 結束語

1）焊接線能量和層間溫度對奧氏體不銹鋼焊縫的沖擊功值有一定影響，減小焊接線能量和降低層間溫度有利于提高焊縫沖擊功。

2）碳含量對S30408低溫沖擊功有影響，碳含量升高，焊縫低溫沖擊功降低。

3）S30408不銹鋼焊縫中的鐵素體含量對～196℃沖擊功有影響，鐵素體含量升高，焊縫～196℃沖擊功降低。為提高焊縫沖擊功，鐵素體含量應通過調整焊材的化學成分予以適當控制。