低溫用堿性不銹鋼焊條E308L-15的研制

靳樹強， 馬風輝

(奧鋼聯伯樂焊接(中國)有限公司，江蘇 蘇州 215126)

0 前言

18-8型奧氏體不銹鋼由于具有優良的低溫沖擊韌性和良好的焊接性，常常被用于低溫工作環境下的壓力容器[1-2]。奧氏體不銹鋼母材的低溫沖擊韌性一般都很好，GB 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》規定，奧氏體型鋼材(母材)的使用溫度高于或等于-196 ℃時，可免做沖擊試驗。但是相對于奧氏體不銹鋼母材，焊縫金屬的低溫沖擊韌性會下降很多。所以，對于低溫壓力容器，GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》規定在相應的焊接工藝評定中，應進行焊縫金屬的低溫夏比V形缺口沖擊試驗，在不高于設計溫度下的沖擊吸收能量AKV不得小于31 J。

焊縫的沖擊韌性受焊接材料、焊接工藝及焊接冶金的影響，如采用通常的酸性不銹鋼焊條焊接，往往不能滿足此要求。因此，文中結合工程實踐，針對低溫壓力容器通常用的18-8型奧氏體不銹鋼的焊接問題，開發了具有良好低溫沖擊韌性的堿性奧氏體不銹鋼焊條E308L-15。

1 焊條配方設計

眾所周知，低氫型焊條的藥皮以碳酸鹽和氟化物為主體，碳酸鹽用來造渣、造氣、穩弧，氟化物可稀渣，且具有顯著的去氫效果。不銹鋼堿性焊條由于不銹鋼鐵水的流動性問題，其使用氟化物和碳酸鹽的比例有所不同。文中所研制的E308L-15焊條藥皮的組分見表1。

表1 研制的E308L-15藥皮的組分(質量分數，%)

2 試驗材料及方法

焊接材料為經過大量試驗驗證得到的焊接工藝性優良的E308L-15焊條，規格為φ4.0 mm×350 mm。試驗母材022Cr19Ni10，熔敷金屬的試板尺寸為300 mm×150 mm×20 mm，坡口角度22.5°，根部間隙16 mm。采用OTC VR400Ⅱ型焊機，焊接電流130～140 A，電弧電壓22～25 V，直流反接。

熔敷金屬的化學成分由Belec Vario Lab光學直讀光譜儀測定，其中C,S,O,N分別由ELTRA CS800分析儀和ELTRA ON900分析儀測定。

沖擊試驗采用夏比V形缺口試樣，試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，在ZBC2302-2液晶全自動金屬擺錘沖擊試驗機上按照國家標準GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，用游標卡尺測量側向膨脹量。

拉伸試驗和彎曲試驗在SHT4106微機控制電液伺服萬能試驗機上按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》進行。

鐵素體數由FERITSCOPE MP30D-S鐵素體測定儀測定。按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》的方法E進行晶間腐蝕測試。金相試樣采用質量分數為10%的草酸溶液進行電解腐蝕，采用GX40-D型光學顯微鏡觀察微觀組織。

3 試驗結果與討論

3.1 焊條的焊接工藝性

采用H022Cr21Ni10焊芯，利用均勻設計法設計了多種配方制作成焊條，進行大量的焊接工藝性試驗，研制出易起弧、少飛濺、電弧穩定、易脫渣的E308L-15焊條。由于該焊條要求-196 ℃下的沖擊性能，其焊接工藝性能受到了一定的限制。研制的焊條焊縫成形如圖1所示。

圖1 E308L-15焊條的焊縫成形

3.2 熔敷金屬的成分及組織分析

傳統觀點認為，焊縫的化學成分應該盡可能與母材的成分匹配，這一規則使設計人員不用考慮因為熱膨脹等不同而導致的問題。文中遵循這一規則，并對化學成分進行調整，以期望得到具有較好的低溫沖擊韌性的焊縫。表2為熔敷金屬的部分化學成分設計值及測試結果。

表2 研制的E308L-15熔敷金屬的部分化學成分及鐵素體數

圖2是E308L-15熔敷金屬的顯微組織。結果表明，熔敷金屬的金相組織由奧氏體和少量骨架狀鐵素體組成，組織均勻細小且不存在裂紋等缺陷。

圖2 E308L-15熔敷金屬的顯微組織

根據WRC-1992計算法及磁性法測量的熔敷金屬的鐵素體數(FN)分別列于表2，計算值和測試值在低鐵素體數范圍內保持較好的一致性。其中Creq和Nieq分別通過下列公式計算：

Creq=Cr+Mo+0.7Nb

(1)

Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu

(2)

計算得到Creq為19.18，Nieq為12.09，Creq/Nieq為1.59，根據文獻[3-4]，熔敷金屬為鐵素體-奧氏體(FA)模式凝固。此模式的凝固初始析出相是鐵素體，隨著焊縫冷卻，鐵素體變得越來越不穩定，逐漸轉變為奧氏體，最終焊縫組織由奧氏體和少量鐵素體組成。FA模式首先析出的鐵素體阻止了液態薄膜的浸潤，并使裂紋擴展困難，同時先析出的鐵素體還對S,P,Sn等雜質有較高的溶解度，所以其抗熱裂紋能力很強[5]。少量鐵素體可提升奧氏體不銹鋼焊縫的抗熱裂紋性能，然而FN大于7的焊縫表現出相對較低的韌性，所以對于低溫應用的焊縫，應該控制焊縫中的鐵素體。

3.3 熔敷金屬的力學性能

焊后試板經外觀檢查、射線探傷合格后進行取樣及試驗，熔敷金屬的力學性能見表3。

焊縫金屬良好的低溫沖擊韌性是保證奧氏體不銹鋼焊縫低溫應用的關鍵，奧氏體不銹鋼焊縫的低溫沖擊韌性受到夾雜物密度的影響[6]。夾雜物阻礙形變時的位錯運動，在其與基體界面處產生巨大應力，形成微裂紋，相鄰微裂紋聚合為微孔洞，微孔洞長大、增殖，最終導致斷裂。由于微孔洞在夾雜物處形核，降低夾雜物的密度和尺寸可以減少孔洞的形成，從而顯著提高焊縫的韌性[7-8]。Kane等人[9]的研究發現，夾雜物密度和尺寸直接受到氧含量的影響。由于氧的化學活性，焊縫金屬中并不存在游離氧，而是全部以氧化夾雜物的形式存在，如果通過加強焊條藥皮的脫氧，降低熔敷金屬的氧含量，夾雜物密度隨之降低，從而可提高焊縫韌性。

圖3為在焊條開發過程中熔敷金屬的-196 ℃夏比V形缺口沖擊吸收能量AKV與氧含量的關系曲線，其中的氧含量通過加入焊條藥皮中的脫氧劑控制。從圖中可以看出，隨著氧含量的降低，-196 ℃的夏比V形缺口沖擊吸收能量增加，低溫沖擊韌性提高。如前所述，熔敷金屬的化學成分及FN受到一些因素的制約，所以通過加強焊條的脫氧能力，降低熔敷金屬的氧含量來提高低溫沖擊韌性，是行之有效的一種方法。

表3 熔敷金屬的力學性能

圖3 熔敷金屬的-196 ℃夏比V形沖擊吸收能量AKV與氧含量的關系

3.4 熔敷金屬的晶間腐蝕測試

試樣尺寸為100 mm×10 mm×3 mm，經650 ℃保溫1 h進行敏化處理，腐蝕后用5 mm壓頭進行彎曲試驗，用10倍放大鏡進行觀察，并未發現晶間腐蝕裂紋。

低溫用奧氏體不銹鋼一般可不考慮耐蝕性，因為低溫下腐蝕的化學反應和電化學反應速度很慢，乃至基本停止，另外低溫介質多為液氧、液氮、液氬、液氦、液氫、液烴等低沸點液相，腐蝕性很弱或無腐蝕性。即使如此，仍然對該焊條做了晶間腐蝕試驗。從測試結果來看，所開發的E308L-15焊條的熔敷金屬具有良好的耐晶間腐蝕性能。

4 結論

(1)通過調整配方組分的E308L-15焊接工藝性良好，全熔敷金屬的凝固模式為FA模式，金相組織由奧氏體和少量骨架狀鐵素體組成，不存在裂紋等缺陷，耐晶間腐蝕性能良好。

(2)加強焊條藥皮的脫氧能力，熔敷金屬的氧含量降低，從而可以降低氧化夾雜物密度，低溫沖擊韌性有所提高。