S31254超級奧氏體不銹鋼焊接與熱處理對焊縫組織與性能的影響★

鄔莉華

（中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司，山西 晉中 030600）

S31254不銹鋼作為超級奧氏體不銹鋼，是一種低碳、高鉬含氮奧氏體不銹鋼?；瘜W成分及綜合性能介于奧氏體不銹鋼與鎳基合金之間，N、Mo、Cu等合金元素的加入使得奧氏體組織穩(wěn)定及耐腐蝕性提高[1-3]。當使用環(huán)境的耐腐蝕要求高于普通奧氏體不銹鋼而低于鎳基合金的要求時，中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司可采用S31254超級奧氏體不銹鋼材料，這樣既滿足了使用要求，同時節(jié)約了成本。目前，已被廣泛應用在造紙、海水、化工等一些對腐蝕要求較高的使用環(huán)境中。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗用母材及試板尺寸

本次試驗用母材為日本冶金工業(yè)珠式會社川崎制造所生產(chǎn)的S31254超級奧氏體不銹鋼鋼板，尺寸為：500 mm（長）×300 mm（寬）×6 mm（厚），數(shù)量2塊。

1.2 母材化學成分及力學性能

本次試驗用S31254超級奧氏體不銹鋼板執(zhí)行標準ASTM A240，其化學成分及力學性能見表1和表2。

表1 S31254超級奧氏體不銹鋼板化學成分 %

表2 S31254奧氏體不銹鋼的力學性能

2 試驗方案

本次試驗采用兩種試驗方案，方案一為焊接態(tài)，方案二為焊接+熱處理態(tài)，兩種方案的焊接工藝一致。熱處理工藝方案為：加熱溫度為1 180℃，保溫時間為10 min，然后出爐入水速冷。

2.1 試驗用焊接材料及設(shè)備

焊接采用鎳基實芯焊絲，牌號ERNiCrMo-13，規(guī)格Ф1.2 mm，執(zhí)行標準AWS A5.14化學成分見表3。

表3 ERNiCrMo-13Φ1.2 mm焊絲化學成分 %

焊接設(shè)備使用邊梁雙槍P+T縱環(huán)縫焊接系統(tǒng)TETRIX 522D-P、TETRIX 521 TIG，電源AC/DC 1 000。平焊位置。

2.2 工藝及檢驗要求

2.2.1 焊接坡口型式

本次試驗焊接坡口采用I型坡口，坡口形式及焊接道次詳見圖1所示。

圖1 S31254超奧焊接坡口及焊道分布示意圖（T=6 mm）

2.2.2超級奧氏體S31254不銹鋼焊接性分析

S31254鋼屬于超級奧氏體不銹鋼，鎳含量較高，容易與硫和磷形成低熔點共晶物；另焊縫為單相奧氏體柱狀晶組織（見圖2），容易造成鎳的低熔點共晶的偏聚，在焊接應力的作用下產(chǎn)生裂紋，一般為弧坑裂紋[4-6]。

2.2.3 焊接方法、工藝要求及參數(shù)

為了盡量避免弧坑裂紋，在引熄弧時提前和延遲保護氣氛，減小應力作用，嚴格控制層間溫度≤60℃，同時控制焊接線能量≤1.5 kJ/mm改善焊縫組織形態(tài)（見圖3）。

圖2 S31254超奧焊縫柱狀晶組織

圖3 控制焊接線能量后焊縫組織

焊接方法采用PAW不填絲打底焊接+TIG填絲蓋面焊接；焊接及保護氣體均為純Ar。焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 PAW+TIG焊接工藝參數(shù)

焊前檢查焊絲牌號的正確性、焊接設(shè)備正常運行，焊前及層間使用角磨機或丙酮清理焊縫及兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)的油污及鐵銹；檢查焊材牌號及規(guī)格，確保正確。

2.2.4 焊縫X射線無損檢測：

試板焊接完成后，焊縫進行無損檢測。按照標準NB/T 47013.7要求進行目視檢測，按照標準NB/T 47013.2進行RT實時成像檢測。未發(fā)現(xiàn)有咬邊、氣孔、未熔合、裂紋等任何缺陷（見圖4），符合標準要求。

3 焊后熱處理

焊縫檢測無缺陷后，取其中1塊試板進行焊后熱處理，熱處理加熱溫度為1 180℃，保溫時間為10 min，然后出爐入水速冷。熱處理后的組織形貌見圖5。

4 焊縫性能檢驗及結(jié)果分析

焊縫的橫向拉伸、彎曲、硬度、沖擊試驗均按照ASTM A370標準執(zhí)行，試驗尺寸、具體要求及試驗結(jié)果如下。

圖4 焊縫RT實時成像檢測

圖5 熱處理后焊縫組織

4.1 焊縫橫向拉伸試驗

焊縫橫向拉伸試驗，試樣寬度20 mm，標距50 mm，要求機械去除焊縫內(nèi)外余高與母材，試驗加載速率5 mm/min，加載載荷10 kN，試樣及試驗結(jié)果見圖6和表5。6-1焊接態(tài)拉伸試樣 6-2熱處理態(tài)拉伸試樣圖6焊縫拉伸試樣

表5 焊接接頭力學性能測試結(jié)果

根據(jù)美標ASME A240中表2機械試驗要求可知，以上焊接態(tài)和熱處理態(tài)抗拉強度均滿足要求，大于標準要求655 MPa最低值；標準要求屈服強度Rp0.2≥310 MPa，表5顯示焊接態(tài)屈服強度值低于標準值，不滿足要求，熱處理態(tài)焊縫屈服強度值為416 MPa，滿足要求；延伸率44.0%大于35.0%，均滿足要求。拉伸試樣斷裂位置均在焊縫外的母材處。

4.2 焊縫彎曲試驗

本次試驗對焊縫進行面彎和背彎試驗，試樣尺寸20 mm×6 mm×160 mm（寬×厚×長），彎曲直徑20 mm，彎曲角度180°，試驗執(zhí)行標準ASTM A370，試驗后顯微鏡下放大10倍觀察焊縫外表面無裂紋，試驗合格。式樣詳見圖7。

圖7 焊縫彎曲試樣

4.3 焊縫沖擊試驗

試驗執(zhí)行標準ASTM A370，試驗溫度為室溫，試樣尺寸：55 mm×10 mm×5 mm（長×寬×厚），缺口類型V型。試驗結(jié)果見下頁表6。

試驗類型試樣狀態(tài) 試驗位置 試驗溫度/℃吸收功/J 結(jié)果焊縫78.6 V型缺口沖擊試驗 焊接態(tài)熔合線 122.7熔合區(qū)+5 mm 187.4母材區(qū) 146.7室溫（23℃）滿足ASME第Ⅸ卷要求≥31 J焊縫110.7 V型缺口沖擊試驗熱處理態(tài)熔合線 187.6熔合區(qū)+5 mm 181.5母材區(qū) 156.1室溫（23℃）滿足ASME第Ⅸ卷要求≥31 J

4.4 晶間腐蝕試驗

本次試驗用試樣尺寸75 mm×25 mm×3 mm（長×寬×厚），試驗執(zhí)行標準ASTM A262 E法-檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的銅-硫酸銅-硫酸試驗，試樣敏化溫度675℃，時間1 h；試驗方法及參數(shù)詳見表7。

測試方法 標準 試樣尺/mm 溶液配方 侵蝕參數(shù)彎曲參數(shù)長寬厚硫酸-硫酸銅-銅屑法ASTM A262 E法75 25 3 100 g CuSO4·5H2O+700 mL蒸餾水+100 mL H2SO4+蒸餾水稀釋至1 000 mL沸騰15 h d=5 mm α=180°注：該溶液約含6%質(zhì)量的無水CuSO4和16%質(zhì)量的H2SO4。

按照表7所列試樣尺寸及配比溶液，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20倍放大鏡觀察焊縫外表面均無裂紋，試驗合格。煮沸并彎曲后的試樣詳見圖8。

5 結(jié)論

本文通過試驗研究S31254超級奧氏體不銹鋼焊接及焊后熱處理工藝對焊縫組織與性能的影響。結(jié)果表明：采用PAW+TIG純氬焊接方法，以ERNi－CrMo-13、規(guī)格為Ф1.2 mm的鎳基實芯焊絲為填充材料的焊接工藝，在此基礎(chǔ)上，焊后熱處理采用1 180℃的加熱、10 min/6 mm的保溫、然后出爐入水速冷，能夠獲得優(yōu)異的焊縫接頭性能，很好地滿足ASME第Ⅸ卷的標準要求。