304L(D)雙牌號不銹鋼埋弧焊工藝及性能試驗

張瑩瑩 崔巍 高磊

摘要：某公司制作的常減壓裝置材質為304L（D）雙牌號不銹鋼，為研究其焊接性能，分別對304L（D）雙牌號不銹鋼、普通的304L不銹鋼和304不銹鋼進行了埋弧焊試驗，對焊接接頭進行了宏觀檢測、無損檢測及組織性能等對比分析，得到了304L（D）鋼埋弧自動焊工藝參數，并驗證了其焊接性能優勢，為304L（D）雙牌號不銹鋼的實際生產提供參考。

關鍵詞：304L（D）雙牌號不銹鋼;埋弧焊;焊接試驗

中圖分類號：TG457.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0106-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.21

0? ? 前言

304L（D）雙牌號不銹鋼是兼具304良好的力學性能和304L優質的耐晶間腐蝕性能的新牌號鋼種[1]，L代表低碳，D代表綜合304及304L兩個牌號的性能。304L（D）不銹鋼在高溫領域表現良好，是石化行業用鋼未來研究和推廣的熱點之一。某公司為中海石油煉化有限責任公司制作的常減壓裝置不銹鋼換熱器材質選用304L（D）。為準確掌握該不銹鋼的焊接工藝參數，避免在焊接過程中產生缺陷，對其進行了焊接試驗。

1 焊接試驗

1.1 母材及焊接材料

選用304L（D）雙牌號不銹鋼、304L不銹鋼和304不銹鋼三種母材，其化學成分如表1所示。

可以看出，304L（D）的N含量較304L與304明顯增加。N作為固溶強化元素能夠提高奧氏體不銹鋼的屈服強度和抗拉強度，且并不降低其塑韌性[2]。此外，N會降低和阻礙Cr的碳化物在晶界析出，減緩Cr的擴散速度，并且降低M23C6的晶格參數，增加界面位錯，減緩碳化物的生長速度，阻礙其形核與長大[3-4]，從而提高不銹鋼的耐腐蝕性。

鑒于焊接材料的強度應根據“ 同成分、等強度 ”原則[5]。選用GWS-308LM焊絲（φ4.0 mm）、GWS-300焊劑進行埋弧焊，焊絲化學成分如表2所示。考慮到試驗的可對比性，304L和304埋弧焊試驗也采用相同的焊材。

1.2 焊接試件的制備

選取兩塊尺寸為500 mm×130 mm×58 mm的304L（D）不銹鋼試板，采用火焰切割方式開X型坡口，坡口角度60°，鈍邊5 mm，組對間隙1 mm，如圖1所示。焊接前對坡口進行去油、去污徹底清理，并進行點固焊。304L和304埋弧焊試件采用相同的制備與組對方式。

1.3 焊接工藝參數的選擇

制定304L（D）雙牌號不銹鋼埋弧焊焊接參數如表3所示，焊接接頭如圖2所示，注意在每層焊接之前都要做好清根處理，嚴格控制雜質，保證焊縫質量。304L和304埋弧焊工藝參數與304L（D）相同。

2 結果與討論

2.1 宏觀檢測

對試驗的三種焊縫進行目視檢測，焊縫成形良好，無裂紋，咬邊，氣孔夾渣等缺陷。

2.2 無損檢測

采用射線檢測方法，未發現缺陷，試驗產品技術等級Ⅱ級合格，焊縫質量符合NB/T47013.2-2005《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》的規定[6]。

2.3 焊縫顯微組織

304L（D）、304L、304埋弧焊對接接頭金相形貌分別如圖3～圖5所示。

由圖可知：三種母材均為大小均勻的奧氏體等軸晶組織，且在晶界處分布有條狀鐵素體，但是304不銹鋼的母材晶粒尺寸相對較大;圖中均可觀察到明顯的熔合線，熔合線左側為母材及熱影響區，右側為焊縫，且焊縫與母材的晶粒形狀差異較大;焊縫的晶粒生長方式具有相似規律，均是靠近熔合線處呈柱狀晶生長，逐漸伸向焊縫中心，由于焊縫中心溫度較高，促進焊縫晶粒加速長大，晶粒數量也增多，大量晶粒還未長大即互相接觸，從而阻礙生長，所以焊縫中心處晶粒細小且數量多。304L和304焊縫晶粒組織的方向性相對較明顯，大大降低了其力學性能。304L（D）雙牌號不銹鋼焊縫的晶粒組織更加細小、均勻，能有效保證焊縫強度。

2.4 焊接接頭力學性能試驗

已知304的強度高于304L。因此對304L（D）和304焊接接頭進行力學性能試驗。

2.4.1 室溫拉伸試驗

根據GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗方法》，使用WEW-1000D數顯液壓萬能試驗機對304L（D）不銹鋼焊接接頭和304不銹鋼焊接接頭進行拉伸試驗。在厚度方向上均勻分層取樣，試樣尺寸及試驗結果如表4所示。

由表4可知，304L（D）不銹鋼焊接接頭抗拉強度均高于BCEQ-9363/A1《低溫用雙牌號不銹鋼制壓力容器制造技術條件》中規定母材的最低抗拉強度520 MPa，304不銹鋼焊接接頭抗拉強度值均高于GB24511-2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》中規定母材的最低抗拉強度520 MPa。試樣斷裂部位于母材，可見304L（D）不銹鋼和304不銹鋼的焊接接頭強度均滿足設計要求。

2.4.2 彎曲試驗

根據NB/T47016-2011《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》，當母材厚度≥20 mm時，用2個橫向側彎試樣代替1個面彎試樣和1個背彎試樣。試驗母材厚度為58 mm，故只進行側彎試驗即可。試驗結果無裂紋及其他缺陷出現，焊接接頭彎曲試驗合格。

2.4.3 顯微硬度檢測

對304L（D）、304不銹鋼埋弧焊接頭進行顯微硬度檢測，檢測位置如圖6所示，硬度變化趨勢分別如圖7、圖8所示。從整體來看，304L（D）不銹鋼對接接頭硬度明顯高于304不銹鋼。由圖3、圖5對比可知，304L（D）埋弧焊焊接接頭的晶粒小于304埋弧焊焊接接頭的晶粒，而晶粒越小，晶界越多，對位錯運動的阻礙越大，材料形變的阻力就越大，硬度也就越高。

2.5 晶間腐蝕試驗

已知304L不銹鋼接頭的耐蝕性好于304，故在此對304L（D）不銹鋼與304L不銹鋼焊接接頭進行了晶間腐蝕性能試驗。根據公式：

式中 W前為試驗前試樣質量（單位：g）;W后為試驗后試樣質量（單位：g）;S為試樣總面積（單位：m2）;t為試驗時間（單位：h）。304L（D）雙牌號不銹鋼與304L不銹鋼埋弧自動焊接頭的晶間腐蝕試驗結果分別如圖9、圖10所示。可以看出：（1）兩種焊接接頭母材與焊縫的晶間腐蝕速率均隨腐蝕溶液濃度的增加而加快，母材的腐蝕速率明顯高于焊縫，且母材的腐蝕速度增加較快，但是焊縫的晶間腐蝕速率變化較為平穩。證明焊縫的耐晶間腐蝕性優于母材;（2）304L（D）不銹鋼埋弧焊對接接頭晶間腐蝕性優于304L不銹鋼的。

3 結論

（1）焊接試驗結果證明，304L（D）雙牌號不銹鋼埋弧焊焊材及工藝合理，對接接頭性能滿足要求，工藝參數可用于指導生產實際。

（2）304L（D）雙牌號不銹鋼的N、Ni、Cr含量均高于304L不銹鋼和304不銹鋼，特別是N元素的含量增加了約50%，有效保證了304L（D）不銹鋼的耐腐蝕能力。

（3）304L（D）雙牌號不銹鋼、304L不銹鋼和304不銹鋼焊接接頭的力學性能和抗腐蝕能力均能滿足相關標準及技術要求。在同時要求有優良的力學性能和腐蝕性能的特定介質環境中，304L（D）雙牌號不銹鋼的應用前景更廣。

參考文獻：

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NB/T47013.2-2005承壓設備無損檢測：射線檢測[S].