F316H焊接工藝及接頭性能研究

□姜 玉 趙偉明 顧春剛 任利杰 陸建東

奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種，生產(chǎn)量和使用量約占不銹鋼總產(chǎn)量及用量的70%。該類鋼是一種十分優(yōu)良的材料，有極好的抗腐蝕性和生物相容性，因而在化學(xué)工業(yè)、沿海、食品、生物醫(yī)學(xué)、石油化工等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，奧氏體不銹鋼F316H的含碳量為0.04%～0.08%，相較于304L、316L，F(xiàn)316H較高的碳含量可以提高不銹鋼的耐高溫性能和抗氧化性能，可用于高溫結(jié)構(gòu)，但是較高的含碳量會(huì)影響不銹鋼的焊接性能和耐腐蝕性能[2]，焊接接頭容易出現(xiàn)熱裂紋、晶間腐蝕等問(wèn)題。因此，研究F316H奧氏體不銹鋼的焊接性能，制定合理的焊接工藝參數(shù)，確保焊接接頭的質(zhì)量和性能對(duì)于產(chǎn)品整體可靠性、質(zhì)量是至關(guān)重要的。

一、試驗(yàn)材料及工藝

(一)試驗(yàn)材料。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)采用ASME SA-182/F316H試板，試板的規(guī)格為400mm*150mm*δ25mm，數(shù)量為4對(duì)。依據(jù)ASME BPVC第Ⅱ卷C篇SFA-5.9M標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接填充材料選用ER316H，規(guī)格為Φ2.0mm。F316H試板和ER316H焊材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 F316H試板和ER316H焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，W%)

(二)焊接工藝。SA-182/F316H試板焊接坡口形式為40°V型坡口，采用GTAW手工鎢極氬弧焊單面焊雙面成型，進(jìn)行平焊位置對(duì)接焊。焊前預(yù)熱溫度不小于15℃。

具體焊接工藝參數(shù)如表2所示。在焊接過(guò)程中，嚴(yán)格控制較低的層間溫度(≤150℃)，盡量減少焊接接頭在敏化區(qū)的停留時(shí)間。

表2 焊接工藝參數(shù)

二、試驗(yàn)結(jié)果和分析

(一)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果和分析。焊接完成后，進(jìn)行了RT和PT檢測(cè)，均為I級(jí)合格。接著按照ASME標(biāo)準(zhǔn)要求加工力學(xué)試驗(yàn)試樣，并進(jìn)行了彎曲、拉伸(室溫、400℃、450℃、550℃、650℃)、沖擊(母材、焊縫、加速時(shí)效焊縫、熱影響區(qū))、晶間腐蝕、布氏硬度等力學(xué)性能試驗(yàn)。

1.硬度試驗(yàn)。對(duì)1#試樣進(jìn)行了母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的布氏硬度測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊縫的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于母材的硬度，并且試樣的硬度值從母材到焊縫呈現(xiàn)逐步遞增的趨勢(shì)。

2.焊接接頭拉伸試驗(yàn)。對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫(2件)、400℃(1件)、450℃(1件)、550℃(1件)、650℃(1件)，焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2651-2008的規(guī)定執(zhí)行，試樣均為全板厚(T25mm)拉伸試樣。由表4可知，室溫下試樣2T、3T的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都能滿足F316H母材技術(shù)條件的Rm≥515MPa、Rp0.2≥205MPa的要求。拉伸試驗(yàn)斷裂位置均在母材，說(shuō)明熱影響區(qū)未出現(xiàn)明顯的軟化。

按照GB/T228.2-2015要求對(duì)焊接接頭進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)采用Φ10mm圓棒型試樣。從表4可以看出，隨著拉伸試驗(yàn)溫度的升高，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度反而在下降，并且拉伸斷裂位置均在母材，說(shuō)明高溫條件下焊接接頭的韌性有所增強(qiáng)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，但均大于母材技術(shù)條件的規(guī)定值。

3.熔敷金屬拉伸試驗(yàn)。對(duì)熔敷金屬進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫(2件)、400℃(1件)、450℃(1件)、550℃(1件)、650℃(1件)，熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

熔敷金屬室溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2652-2008的規(guī)定執(zhí)行，試驗(yàn)采用Φ10mm圓棒型試樣。由表5可知，室溫下試樣8T、9T的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都能滿足ER316H焊材技術(shù)條件的Rm≥520MPa、Rp0.2≥210MPa的要求。

按照GB/T228.2-2015要求對(duì)熔敷金屬進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，從表5可以看出，隨著拉伸試驗(yàn)溫度的升高，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但均大于焊接材料技術(shù)條件的規(guī)定值。

4.彎曲試驗(yàn)。按GB/T2653-2008標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，側(cè)彎試樣厚度為10mm,寬度為試件厚度25mm，數(shù)量為4件。

側(cè)彎試驗(yàn)合格指標(biāo)：試樣彎曲180°后，彎曲試樣在彎后的拉面上，焊縫和熱影響區(qū)不允許有超過(guò)1.5mm任何方向開(kāi)裂缺陷。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

5.沖擊試驗(yàn)。按照GB/T 2650-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，夏比V型缺口室溫沖擊試驗(yàn)在ZBC2302-C/FM05003設(shè)備上進(jìn)行，取焊態(tài)(焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū))、焊接接頭加速時(shí)效后(750℃/100h)共計(jì)4組沖擊試樣，取樣位置位于1/2試件厚度處。室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

從表7試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊縫區(qū)的平均沖擊吸收功218.7J，遠(yuǎn)大于合格指標(biāo)，而熱影響區(qū)、母材區(qū)的沖擊吸收功均大于300J，說(shuō)明從焊縫到母材的沖擊韌性是在逐漸增強(qiáng)的。焊接接頭經(jīng)過(guò)加速時(shí)效后的平均沖擊吸收功為181.7J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了合格指標(biāo)25J，但與未經(jīng)過(guò)加速時(shí)效的焊縫區(qū)的平均沖擊吸收功218.7J相比較，還是大幅度下降了，說(shuō)明加速時(shí)效會(huì)使得材料的韌性有所下降。

表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

(二)熔敷金屬晶間腐蝕加速試驗(yàn)。熔敷金屬晶間腐蝕加速試驗(yàn)按GB/T4334-2008 E法標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，試樣規(guī)格為80mm×20mm×3mm,試樣數(shù)量為3個(gè)，其中一個(gè)為焊態(tài)基準(zhǔn)試樣、1個(gè)是敏化試樣、1個(gè)為對(duì)比試樣。試樣經(jīng)650℃×2h敏化處理，腐蝕時(shí)間為16小時(shí)。試驗(yàn)后的晶間腐蝕彎曲試樣顯示：其拉伸面上無(wú)晶間腐蝕裂紋或開(kāi)裂傾向。

(三)金相檢驗(yàn)。

1.宏觀檢驗(yàn)。按照GB/T 226標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試樣進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)。在焊縫、熔合線、熱影響區(qū)及兩側(cè)的母材中未檢驗(yàn)出未熔合、未焊透、裂紋和尺寸超標(biāo)的氣孔及其他有害的焊接缺陷，試驗(yàn)結(jié)果合格。

2.微觀檢驗(yàn)。按照GB/T13298標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試樣進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)。微觀金相檢驗(yàn)是在200倍放大鏡下觀察焊接接頭的焊縫、熔合線、熱影響區(qū)及兩側(cè)的母材組織。焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的200倍顯微組織經(jīng)微觀金相檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋及影響接頭性能的沉淀物，試驗(yàn)結(jié)果合格。

三、結(jié)語(yǔ)

該焊接工藝試驗(yàn)采用GTAW手工鎢極氬弧焊的焊接方法，通過(guò)制定合理的焊接工藝參數(shù)，控制較低的層間溫度，獲得了力學(xué)性能優(yōu)良、宏觀微觀組織無(wú)缺陷、耐晶間腐蝕性能優(yōu)良的焊縫。因此F316H焊接接頭性能能夠滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠滿足室溫及高溫工況下的工程應(yīng)用要求。