347H 奧氏體不銹鋼管焊接工藝評定

馮玉蘭， 吳志生， 李亞杰， 李 巖， 王瑞森

（1. 太原科技大學， 太原030024； 2. 中鋼不銹鋼管業科技山西有限公司， 山西 晉中030600）

0 前 言

347H 屬于奧氏體不銹鋼， 與347 不銹鋼相比， 碳含量較高， 具有良好的高溫力學性能。 在普通奧氏體不銹鋼的基礎上加入穩定化元素Nb，提高了抗敏化性能， 使其具有良好的耐腐蝕性。因此， 347H 屬于奧氏體不銹熱強鋼， 在較高溫度下具有良好的耐腐蝕性和強度[1-3]， 同時化學成分均勻， 組織穩定， 被廣泛用于大型鍋爐過熱器、再熱器、蒸汽管道及石油化工的熱交換器管件。 但347H 不銹鋼管材在焊接后會出現開裂現象， 明顯降低了該類鋼材的使用壽命[4-5]。 為了保證347H 不銹鋼管材在使用過程中的安全性， 尋找合適的焊接工藝和焊后熱處理措施并對其可行性進行驗證， 對拓寬347H 不銹鋼管材在石油化工等領域的應用具有一定的研究價值[6-10]。

1 試驗材料

本研究選用山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產的347H 奧氏體不銹鋼板材， 試樣尺寸450 mm（長） ×300 mm （寬） ×15 mm （厚）， 其化學成分見表1， 力學性能見表2。

表1 347H 奧氏體不銹鋼板材的化學成分 %

表2 347H 奧氏體不銹鋼板材的力學性能

2 焊接工藝

2.1 焊接坡口形式

焊接試樣單邊坡口形狀及焊接道次分布如圖1所示。 坡口設計為Y 形坡口， 鈍邊（4±0.25） mm，焊縫單邊坡口角度37.5°±2.5°。

2.2 焊接方法及設備

焊接方法： PAW 打底 （不填絲） +TIG 填充蓋面+TIG 填絲內焊。

焊接設備： 邊梁雙槍P+T 縱環焊縫焊接系統和龍門TIG 內焊焊接系統， 系統包含有德國進口的等離子焊接電源PAW 522 DC－P 和TIG焊接電源TETRIX 521。

2.3 焊接材料

焊絲選用實芯焊絲ER347 Φ1.2 mm， 其化學成分見表3。 由表3 和表1 對比可知， 焊絲ER347 的主要合金元素含量均大于母材347H 合金元素含量， 可以抵消焊接過程中合金元素的燒損量， 并添加了少量的Mo， 可以提高焊縫的鈍化效果， 并細化晶粒， 滿足焊材選用要求。

圖1 焊接試樣單邊坡口形狀及焊接道次分布示意圖

表3 ER347 不銹鋼實芯焊絲化學成分 %

2.4 焊前工藝要求

（1） 焊前清理焊縫坡口及兩側油污、 鐵銹及氧化皮等污物；

（2） 檢測焊絲牌號及焊接氣體是否滿足要求；

（3） 確認焊接設備可正常運行；

（4） 檢查焊縫坡口尺寸及質量。

2.5 焊接工藝要求及參數

（1） 焊接方式采用PAW 打底焊（不填絲） +TIG 填充蓋面+TIG 填絲內焊；

（2） 嚴格控制層間溫度≤100 ℃， 層間清理嚴格按照要求操作；

（3） PAW 及TIG 焊接氣體均為純氬氣， 純度≥99.99%；

（4） 層間清理， 采用不銹鋼鋼絲輪清理焊縫表面及兩側30 mm 范圍內的污物。

焊接工藝參數見表4。

表4 焊接工藝參數

3 焊縫外觀及射線檢測

試樣焊接完成后對焊縫進行外觀及X 射線檢驗， 外觀按照最新ASME 《鍋爐及壓力容器規范》 第Ⅸ卷QW－194 所述外觀檢測要求， 技能評定件表面沒有裂紋并顯示焊縫金屬與母材全熔透、 全熔合。 射線透照檢測按照QW191.1 要求進行。 本次試驗檢測焊縫無任何缺陷， 結果滿足要求。

4 試驗過程及分析

4.1 焊縫力學性能測試

根據美標ASME 《鍋爐及壓力容器規范》 第Ⅸ卷要求[11]， 采用鋼研納克檢測技術有限公司生產的30T 電子拉伸試驗機進行拉伸試驗和彎曲試驗； 采用500 J 低溫沖擊試驗機進行沖擊試驗， 具體試驗過程及結果如下。

4.1.1 焊縫橫向拉伸試驗

對試樣進行焊縫橫向拉伸試驗， 試樣平均寬度19 mm， 標距50 mm； 試樣要求內外焊縫余高機械磨除。 試樣的測試條件是： 加載速率5 mm/min， 加 載 載 荷10 kN； 試 驗 執 行 標 準ASTM A370； 拉伸試樣如圖2 所示， 焊接接頭力學性能見表5。

圖2 焊縫拉伸試樣照片

表5 焊接接頭力學性能測試結果

由圖2 可以看出， 焊接接頭同軸橫向拉伸斷裂發生在母材處， 表明焊接接頭力學性能優于母材。 由表5 可以看出， 焊接接頭的抗拉強度、 屈服強度和延伸率均大于標準要求值， 其力學性能滿足標準要求。

4.1.2 彎曲試驗

母材厚度為15 mm， 測試焊縫的背彎及面彎性能， 并未用側彎代替， 試驗執行標準ASTM A370， 彎曲直徑40 mm， 彎曲角度180°， 彎曲后用放大鏡放大10 倍觀察， 在焊縫和熱影響區均未發現有裂紋， 表明該工藝下獲得的焊接接頭在彎曲應力作用下仍具有較好的力學性能， 判定為合格， 彎曲試樣照片如圖3 所示。

圖3 焊縫彎曲試樣照片

4.2 焊縫耐腐蝕性

按照標準ASTM A262 E 法測試焊縫耐晶間腐蝕性能， 試樣尺寸為80 mm×50 mm×4 mm。采用16%硫酸－硫酸銅溶液進行煮沸， 硫酸－硫酸銅溶液配比方案： 在700 ml 蒸餾水中溶解100 g 硫酸銅 （CuSO4·5H2O）， 添加100 ml 硫酸（H2SO4， 化學純， 密度1.84 g/cm3）， 并用蒸餾水稀釋至1 000 ml。 按照上面配好的溶液煮沸15 h后彎曲。 彎曲試驗用彎芯直徑5 mm， 彎曲角度180°， 彎曲后采用10 倍放大鏡觀察焊縫外表面無裂紋產生， 結果評定為合格。 煮沸并彎曲后的試樣如圖4 所示。

圖4 晶間腐蝕試樣照片

圖5 焊接接頭過渡區組織形貌

4.3 金相試驗分析

4.3.1 焊縫熱影響區金相組織

圖5 （a） 所示為347H 焊接接頭過渡區金相組織形貌， 由左往右分別為母材、 熱影響區和焊縫組織， 母材主要由大量奧氏體和少量顆粒狀碳化物組成， 沒有鐵素體相（鐵素體在鍛軋變形過程中消失）， 在一些奧氏體晶內存在一定數量的孿晶界。 分析過渡區微觀組織可以發現， 焊接過程沒有產生氣孔、 夾雜和焊接裂紋， 說明本研究采用的焊接工藝可以使焊接接頭達到良好的冶金結合。 熱影響區在焊接熱的作用下發生了一定的固態相變， 尤其在接近熔合線位置出現了過熱區， 由于加熱溫度從1 100 ℃到固相，導致該區域的晶粒發生一定的粗化， 形成粗晶區， 一定程度上影響焊接接頭的性能， 其局部放大組織如圖5 （b） 所示[12-13]。

4.3.2 焊縫金相組織

圖6 焊縫區域微觀組織形貌

圖6 所示為347H 不銹鋼焊縫區域的微觀組織形貌， 通過直線法對焊縫組織的晶粒度進行了分析， 焊縫上層位置的組織晶粒約為75 μm， 焊縫中心組織晶粒約為100 μm。 結果表明， 上層組織晶粒較焊縫中心和熱影響區組織更細小，這主要是因為中心焊道比上層焊道晶粒有更多的焊接熱作用， 從而導致焊縫中心組織的晶粒發生了一定的粗化。 焊縫區域也存在少量的顆粒狀碳化物， 但數量很少， 說明制定的熱處理工藝能夠較好的溶解焊接過程析出的碳化物，從而使焊接接頭具有良好的力學性能， 對于焊接接頭組織不均勻的現象， 可以通過延長熱處理時間進行改善[14-15]。

5 結 論

本研究針對厚度為15 mm 的347H 不銹鋼，采用PAW+TIG 焊接工藝， 熱處理加熱到1 100 ℃，保溫15 min 后水冷獲得良好的焊接接頭， 對焊縫理化性能及金相組織分析可得出以下結論： 焊縫拉伸、 彎曲、 晶間腐蝕等理化性能滿足要求；但熱處理溫度1 100 ℃， 保溫15 min 后水冷， 對于厚度為15 mm 的347H 不銹鋼時間較短， 焊接接頭組織未均勻化， 且晶粒大小不均勻， 應適當延長熱處理時間， 使焊縫組織更加均勻。