不同熱過程對Type 347H不銹鋼焊接接頭性能及組織的影響

柳云天，龔巍，孟繁禹

1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150046

2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室 黑龍江哈爾濱 150046

1 序言

Type 347H是wC=0.04%～0.08%，且含Nb元素的奧氏體不銹鋼，具有良好的高溫使用性能及抗晶間腐蝕性能，因而在壓力容器、石油化工及電站鍋爐等領域有大量的應用。對于其焊接后的熱處理要求沒有統一的規定，一般情況下認為不銹鋼焊后不必進行熱處理。對于Type 347H不銹鋼有標準及研究推薦焊后進行穩定化處理，將焊接熔合區的M23C6重新溶解，避免產生刀狀腐蝕[1，2]。也有觀點認為穩定化處理弊大于利[3，4]，在某些工況下會要求奧氏體不銹鋼焊后進行固溶處理[5]。因此，有必要研究Type 347H不銹鋼在不同熱循環下焊接接頭性能的變化。

2 試驗方案

2.1 試驗準備

選用ASME A240 S34709（Type 347H）不銹鋼δ=42mm厚板材進行試驗，單塊試板規格長×寬為600mm×150mm，鋼板固溶狀態下供貨；焊材選用不銹鋼焊條CHS132R以及不銹鋼埋弧焊焊絲GWS-347，匹配焊劑GXS-340；埋弧焊采用伊薩LAF 1251型直流焊接電源。

焊接坡口選用拘束度更小的根部圓弧形坡口，坡口分A、B兩側加工，采用不銹鋼專用刀具刨削加工成形，坡口形式如圖1所示。

圖1 焊接坡口形式

本次試驗主要研究焊接接頭分別在焊態、穩定化處理以及固溶熱處理3種熱循環下性能的表現，對比原始母材，共4組試驗。每組試驗單獨制備一副試板。試驗類型及熱處理制度見表1。

表1 熱處理類型及制度

其中，根據石油化工行業標準推薦，并參考張力文等[5]的研究制定的穩定化處理制度；固溶熱處理制度除參考ASME標準對于Type 347H不銹鋼的最低要求外，還借鑒了李炯輝[6]對于高碳不銹鋼應適當提高固溶熱處理溫度的建議。

2.2 試驗過程

由于在室溫至最大層間溫度（150℃）區間內，奧氏體不銹鋼平均線膨脹系數較低合金鋼高出40%，因此試板焊接過程中應減小焊接變形。采用A、B側交替換面的方式進行焊接，以變形抵消變形，焊道分布及試樣宏觀形貌如圖2所示。

圖2 試樣斷面

焊接工藝采用A側焊條電弧焊打底，坡口其他部分采用埋弧焊填充的方法進行焊接，焊接順序及焊接參數見表2。

表2 焊接順序及焊接參數

3 試驗結果及分析

3.1 無損檢測

在完成相應熱循環后，對AW、ST及SA試板按照NB/T 47013—2015檢測標準進行RT檢測，技術等級B級，Ⅰ級合格；按照NB/T 47013—2015進行PT檢測，Ⅰ級合格。

3.2 力學性能

按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》中對于拉伸試樣的要求制備焊接接頭全厚度肩板形拉伸試樣；按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》制備φ12.5mm母材室溫拉伸試樣。按照GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》制備φ10mm焊接接頭及母材的高溫圓形拉伸試樣，試驗溫度為580℃。試驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 室溫抗拉強度

圖4 580℃抗拉、屈服強度及屈強比

室溫環境下，經歷3種熱循環的拉伸試樣抗拉強度均大于母材的最低要求值515MPa。焊態AW試樣與母材BM試樣結果最接近；固溶SA試樣強度的裕度最小；穩定化處理ST試樣強度有明顯提升。580℃高溫環境下，焊態AW試樣、固溶SA試樣均與母材BM試樣的抗拉強度及屈服強度接近；穩定化處理ST試樣強度最低，而屈服強度卻最高，導致穩定化處理ST試樣的高溫屈強比最高，其抵抗高溫破壞的儲備能力相對最弱。

3.3 沖擊韌度

制備AW、ST及SA焊縫，以及母材BM的橫向沖擊試樣。按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行試樣制備及沖擊試驗，V型缺口，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm。由于Type 347H不銹鋼多用于高溫工況，因此僅研究室溫下的沖擊韌度。沖擊取樣位置為先焊面及后焊面的焊縫位置，每個位置3個試樣。每種熱循環取6個試樣進行沖擊試驗取平均值，試驗結果如圖5所示。

圖5 室溫沖擊韌度

固溶SA試樣焊縫兩側室溫沖擊韌度平均值最高，相對更接近母材BM性能；焊態AW試樣較穩定化處理ST試樣沖擊韌度更好，6個沖擊試樣最大值與最小值之差僅為11J，沖擊韌度表現更平均；穩定化處理ST試樣平均沖擊值最低。

3.4 硬度

在焊接接頭上制取AW、ST及SA3種熱循環條件下的硬度試樣，每種熱循環在焊縫兩側分別制備1個試樣。每個硬度試樣測量位置均包含母材、HAZ及焊縫，每個位置測試3點，點間距0.5mm，測量HV10硬度值。計算每個位置6個點硬度的平均值，試驗結果如圖6所示。

圖6 硬度試驗結果

焊接接頭母材、HAZ及焊縫位置硬度值趨勢相似，即焊態AW試樣硬度值在焊縫、HAZ及母材平均值最低；固溶SA試樣在各個位置上硬度較AW試樣均有小幅升高；穩定化處理ST試樣硬度最高，焊縫平均硬度233 HV10，HAZ平均硬度228 HV10，母材平均硬度230 HV10，均顯著高于AW及SA試樣。

3.5 微觀形貌

在AW、ST及SA焊縫中心制取微觀試樣，規格為20mm×10mm×10mm。將鹽酸、酒精、雙氧水按5 : 5 : 1的比例進行混合后，對3組試樣進行腐蝕。采用卡爾蔡司Axiovert 200型顯微鏡，對試樣進行微觀觀察，結果如圖7所示。

圖7 三種熱循環狀態下的微觀形貌

從微觀形貌上看，焊態AW試樣的焊縫區及穩定化處理ST試樣的焊縫區為奧氏體和枝狀晶δ鐵素體呈柱狀分布，采用磁性法測量AW及ST焊縫δ鐵素體含量均為6%～7%，可見穩定化處理后，δ鐵素體含量并未發生明顯改變。但穩定化處理后，焊縫中有析出物從鐵素體中產生。二者熔合區同樣呈相似形貌，熱影響區母材與焊縫熔合線清晰，母材晶粒度未出現明顯長大情況。

由于固溶溫度超過1100℃，焊縫中析出物溶解，δ鐵素體基本消失，剩余的單項奧氏體內彌散分布著小顆粒鐵素體。采用磁性法測量焊縫δ鐵素體含量為0～0.2%，由于釘扎力減小，故晶粒長大明顯。SA熔合區焊縫與母材熔合線模糊，母材晶粒度為4～5級，與原始母材相同。

4 結束語

1）Type 347H不銹鋼厚板焊接接頭在焊態、固溶處理及穩定化處理后性能，均可滿足使用要求。

2）穩定化處理后Type 347H不銹鋼室溫抗拉強度最高，580℃環境下抗拉強度最低、屈強比最高，室溫沖擊韌度最差，焊縫、HAZ及母材硬度值最高。相比焊態和固溶處理，試樣經穩定化處理后有明顯的硬化傾向。

3）Type 347H奧氏體不銹鋼厚壁產品在焊后不必進行穩定化處理，可在焊態下或固溶狀態下使用。