316L不銹鋼容器打底焊接新工藝的開發研究

仲繼彬 舒欣欣 劉斌 張劍利

海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津塘沽 300450

316L不銹鋼容器打底焊接新工藝的開發研究

仲繼彬 舒欣欣 劉斌 張劍利

海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津塘沽 300450

本文通過力學性能測試、顯微組織分析和點蝕試驗等方法，針對一種316L奧氏體不銹鋼的打底焊工藝進行了研究。結果表明：采用設計的新工藝對316L不銹鋼進行焊接，其焊接接頭的力學性能、金相組織和抗腐蝕能力均可以達到設計要求，該工藝具有較好的推廣應用價值。

316 L不銹鋼；打底焊；焊接工藝；點蝕

引言

316 L (00Cr17Ni14Mo2) 鋼屬于超低碳奧氏體型不銹鋼，因其具有優良的力學性能、焊接性能及耐腐蝕性能，近年來廣泛應用于壓力容器、化肥生產裝置、海洋環境裝置等領域。也是我公司不銹鋼容器生產中的主要原材料。隨著我公司不銹鋼容器制造工作量的不斷增加，原先所采用的常規打底焊工藝，由于必須采用惰性氣體進行背部充氬保護，因此工序復雜，整個工作過程耗時長，成本高，因此成為提高不銹鋼容器制造質量和效益的一個瓶頸問題。為了改變這種局面，我們決定對傳統工藝進行改進，通過焊接材料的選擇和工藝參數的調整，免去不銹鋼容器制造過程中的背部充氬過程，顯著提高焊接生產效率。

1、試驗材料及方法

實驗所用316L的化學成分及力學性能如表1、表2所示。

表1316 L的化學成分(質量分數，% )

表2316 L的力學性能

焊接規范參數如表3所示。

表3 焊接規范參數

2、實驗結果及分析

2.1 拉伸性能

分別從焊接試件上按標準取出標準試樣進行拉伸試驗。試樣測得的拉伸性能如表4所示。

表4 拉伸性能試驗結果

從試驗結果來看，所得抗拉強度和屈服強度均滿足試驗鋼強度的要求，且具有較高的斷后延伸率，這表明采用新工藝得到的焊接接頭具有較好的強塑性配合。

2.2 顯微硬度

通過對焊接接頭進行的顯微硬度實驗表明，母材的顯微硬度Hv10為195；焊縫的顯微硬度Hv10為165；熱影響區的顯微硬度Hv10為188，均低于標準規定的上限值。

2.3 顯微組織分析

實驗所得焊接接頭的SEM金相組織如圖1所示。

圖1 焊接接頭的SEM組織

觀察焊接接頭的金相組織可以看出，焊縫組織組織為γ+δ的雙相組織。在SEM照片中，黑色的是γ基體， 白色的是δ鐵素體。鐵素體以粒狀為主，還有少量為蠕蟲狀。少量位于奧氏體的晶界上δ鐵素體的產生與奧氏體共存，這樣的焊縫組織具有強度和塑性良好的綜合性能，缺口的敏感性較低。

通過觀察我們還可以看到，幾種類型的鐵素體形態(蠕蟲狀、板條狀的、骨架狀的)共存于奧氏體不銹鋼焊縫中，且不同位置處各種鐵素體形態所占比例不同。在焊縫中心以骨架狀鐵素體為主，偏離中心處以板條狀鐵素體為主，而在熔合區附近則以蠕蟲狀鐵素體為主。板條狀鐵素體由奧氏體晶界向奧氏體晶內生長，板條間相互平行。熔合區靠近焊縫一側，由于冷速快而形成大量蠕蟲狀鐵素體，δ鐵素體含量很少，奧氏體晶粒較粗大。

2.4 點蝕試驗

因為點蝕是不銹鋼典型的腐蝕形式之一，不銹鋼設備直接或者間接因點蝕而導致的破壞事故屢有發生，造成很大的損失，因此耐點蝕性能始終是不銹鋼耐腐蝕性能研究工作中的重點內容。所以為了測定采用新工藝得到了焊接接頭的耐蝕性，我們進行了點蝕試驗。

試樣采用線切割的方法從焊接接頭上截取，對需要打磨的部位用水砂紙進行濕磨，用置于丙酮超聲除油、干燥后。24小時后進行稱重，并測量表面積。浸泡于白標準試驗溶液中72小時，試驗溫度22℃。實驗設備、腐蝕介質制備等均遵照G48要求嚴格執行。

試驗結束后，先用水清洗，并在水龍頭下用軟刷子刷洗，丙酮浸泡，空氣中干燥后稱重，計算腐蝕速率，測量點蝕孔數量、深度。

點蝕實驗前后的試樣宏觀照片如圖2所示。

圖2 點蝕實驗前后的試樣宏觀照片

由圖2可以看出，點蝕坑出現在焊接熱影響區中的數量最多，其次在母材上也有少量的出現，而在焊縫上幾乎沒有，這表明，焊接熱影響區是整個焊接接頭耐點蝕性能最薄弱的一個區域。

任何金屬材料都不同程度地存在非金屬夾雜物，如硫化物或氧化物等，這些非金屬化合物如存在于材料表面，在Cl-的作用下將很快形成坑點腐蝕。而一旦形成坑點以后，由于閉塞電池的作用，坑外的Cl-將向坑內遷移，而帶正電荷的坑內金屬離子將向坑外遷移，從而形成電化學腐蝕。由于Cl-的原子半徑非常小，金屬當中的任何非金屬夾雜物以及焊接缺陷都將成為Cl-滲透的腐蝕源頭，進而形成點腐蝕。已有的研究也表明：熱影響區出現點蝕的條件是內部組織結構中存在應力，由于熱影響區組織的不均勻性，導致焊接產生的應力易集中于熱影響區，且不銹鋼表面的鈍化膜易受應力作用，導致破碎及滑移。在應力作用下，又同時具備腐蝕介質條件，致使熱影響區點蝕的幾率也比焊縫大得多，因此熱影響區的點蝕現象較為嚴重。

通過觀察還可以發現：焊接接頭試樣的正面較背面具有較高的抗點蝕能力。通過測量可知：焊接試樣背面點蝕密度在3.54～5. 01個/cm2之間，正面點蝕密度在0.79～1.97個/cm2。試樣背面最大點蝕深度在1.14～1. 73mm之間，10個最深蝕坑的平均深度在0. 69～1.20mm之間；試樣正面10個最深蝕坑的深度在0.43～1.05mm之間，10個最深蝕坑的平均深度在0.31～0.46mm之間。分析認為：這主要是由焊接接頭正面和背面的應力狀態所決定的。焊接接頭的正面在焊接前承受拉應力作用，而背面承受壓應力作用，經過焊接熱循環后，其正面和背面的應力狀態剛好發生反轉，正面承受壓應力作用，而背面承受拉應力作用，因而正面的耐蝕性能要優于背面。

3 結論

采用失重法測得的焊接接頭的腐蝕速率為1.1826mm/a，焊縫金屬的耐點蝕能力比母材高，耐點蝕能力最薄弱處出現在焊縫熱影響區。表明采用新工藝焊接得到的焊接接頭具有較高的抗點蝕能力。

[1]魏星,劉德鎮.奧氏體鋼焊接區域的金相組織及掃描電鏡分析[J].山東工業大學學報. 1999, 29(2):183

[2]鄭日水.不銹鋼焊縫和熱影響區銹蝕的現象原因分析和措施[J].焊接技術.2003,32(6): 60

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.073