254SMo 焊條電弧焊焊接及接頭性能試驗

秦作偉 張 佩 張嘉惠 郭富永 張建曉

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司；2.蘭州理工大學石油化工學院）

254SMo（ASME 中代號為UNS S31254）是一種100%奧氏體組織的不銹鋼，含碳量極低，與常規奧氏體不銹鋼（如S30408、S31603 等）相比，其鉻、鉬、鎳含量較高，并且含有一定量的氮。 計算得知，其通用的抗點蝕指數（PRE）為42，與2507超級雙相鋼相當。 文獻［1，2］的研究結果表明，254SMo 具有較好的耐點蝕、 縫隙腐蝕和晶間腐蝕的能力， 目前廣泛應用于苛刻環境下石油化工、制藥等領域。

蘭州蘭石重型裝備股份有限公司承制的某新型產品中部分結構材料為254SMo， 然而目前對于較厚板的254SMo 焊接及其后續固溶處理均無成熟經驗可供參考，因此焊接成為該產品制造過程中的重點與難點。 筆者采用焊條電弧焊焊接超級奧氏體不銹鋼254SMo， 并對焊接接頭在焊態和固溶態下的力學性能、沖擊韌性和耐腐蝕性能進行對比試驗， 為超級奧氏體不銹鋼254SMo焊接接頭的熱處理提供理論依據，為實際產品的制造提供技術支撐。

1 試驗材料及方法

1.1 254SMo 焊接特點

254SMo 焊接時一般不需要預熱， 但當母材溫度低于15 ℃時，應將接頭兩側250～300 mm 的區域內加熱到15～20 ℃，以免濕氣冷凝導致焊縫產生氣孔。 為了防止焊縫和熱影響區的晶粒長大和碳化物的析出，應保持較低的層間溫度（一般不超過100 ℃）。 同時，需要避免焊接區在高溫停留時間過長，注意快速冷卻以防止腐蝕傾向。 當焊接快速冷卻時， 焊縫中的氣體若來不及逸出，則易形成氣孔。 因此，焊前應徹底清理坡口和附近的氧化層以及各種涂料、油污等，以防止氣孔的產生。 兩種材料線膨脹系數大，具有較高的熱裂紋敏感性，焊接時易產生熱裂紋（如凝固裂紋、多邊化裂紋和高溫失塑裂紋）， 故應保證首層焊道外表面呈外凸的形狀和填滿弧坑，從而有效防止熱裂紋的產生。

1.2 焊接材料

254SMo 在焊接過程中容易產生熱裂紋，所以在焊材選用上應選擇抗裂性較好的焊材。 根據實際經驗及相關研究，在254SMo 焊條電弧焊焊接時可采用ENiCrMo-3 焊絲， 該焊絲中含有8%～10%的Mo 元素，Mo 能夠更好地提高焊接接頭的耐腐蝕性能并且可以阻止熱裂紋的傾向［3］。所以試驗中選用ENiCrMo-3 焊絲進行焊條電弧焊焊接，焊絲直徑2.0 mm，焊絲化學成分見表1。

表1 ENiCrMo-3 焊絲化學成分 wt%

1.3 焊接坡口

試板規格18 mm×120 mm×800 mm， 具體坡口形式如圖1 所示。

圖1 試板坡口形式

1.4 焊接工藝

焊接前，將坡口和離坡口邊緣20 mm 處打磨干凈并清理油污，采用丙酮清洗干凈。 焊接過程嚴格控制層間溫度，并按照表2 所列的焊接工藝規范進行焊接。

表2 焊接工藝規范

1.5 熱處理工藝

試板焊接完成后利用電火花線切割將試板切開，分別編號1#、2#。 其中，1#試板為焊態，2#試板為固溶態。 熱處理規范見表3。

表3 熱處理規范

2 試驗結果與討論

2.1 外觀及無損檢測

分別對兩塊試板焊接接頭進行外觀檢查。 經檢查，焊縫表面成型良好，焊縫與母材無咬邊等缺陷。 按NB/T 47013.5—2015 標準Ⅰ級要求對焊縫表面進行PT 檢測，結果合格。按NB/T 47013.2—2015 標準Ⅱ級要求對焊縫進行RT 檢測，結果合格。

2.2 化學成分分析

根據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》對熔覆金屬進行化學成分分析，取樣位置在熔覆金屬T/2 處（即焊縫中心位置），得到兩試板焊縫熔覆金屬的主要合金元素含量（表4）。

表4 試板焊縫熔覆金屬的主要合金元素含量

結合表1、4 可以看出，采用ENiCrMo-3 焊接254SMo 母材之后熔覆金屬中Cr、Ni、Mo 及Nb 等元素相比于焊材成分均有所降低，這是因為母材中上述元素含量低于焊材，在焊接過程中發生了高合金成分區向低合金成分區遷移的情況［4，5］。熔覆金屬中Fe 含量較焊材成分增加， 這是因為254SMo 中Fe 含量遠高于焊絲中的Fe 含量，同樣發生了化學元素遷移。

另外還可以看出，即使存在元素遷移，熔覆金屬中的主要化學元素含量仍然高于母材254SMo。

2.3 力學性能分析

對不同熱處理之后的焊接接頭進行全厚度室溫拉伸測試（接頭板拉2 件）、彎曲測試（側彎4件）和-196 ℃（KV2）沖擊測試（焊縫、熱影響區各3 件），結果見表5。

表5 試板力學性能試驗結果

根據ASME II A 篇SA-240 中的規定，254SMo 的室溫抗拉強度最小值為655 MPa。 從表5 中可以看出，焊態和固溶態焊接接頭室溫拉伸強度（Rm）均大于655 MPa。 根據ASME IX 中QW-153 的規定， 拉伸試驗的合格標準是試樣的抗拉強度不小于母材規定的最低拉伸強度。 另外，焊態下Rm均值為739 MPa，固溶態下Rm均值為711 MPa， 固溶之后抗拉強度略有下降，這可能與固溶處理之后熔覆金屬和熱影響區區域析出物溶解和組織均勻化有關。 焊態和固溶態之后側彎均合格，說明在兩種不同的熱處理狀態下焊接接頭塑性良好。 從兩種不同熱處理狀態下焊接接頭不同位置區域的-196 ℃KV2沖擊測試結果可以看出，固溶態的焊縫和熱影響區的沖擊值均高于焊態的，這可能與組織中析出物及晶粒大小有關。

2.4 焊接接頭金相組織

分別對兩組試板的焊接接頭進行宏觀/微觀金相檢查和硬度HV10 試驗。試驗結果列于表6，其中金相組織圖譜如圖2～5 所示。

圖2 焊縫/熱影響區（焊態）金相組織

表6 試板焊接接頭金相組織與硬度試驗結果

圖3 母材（焊態）金相組織

圖4 焊縫/熱影響區（固溶態）金相組織

圖5 母材（固溶態）金相組織

由上述結果可以看出，焊態和固溶態焊接接頭均為奧氏體組織，且經過固溶處理之后焊接接頭熱影響區晶粒較焊態均勻化。 經過固溶處理之后焊接接頭母材、熱影響區和焊縫組織的顯微硬度均下降， 其中焊縫組織下降趨勢最為明顯，熱影響區組織下降次之，母材硬度值下降較小。 這是因為經過固溶處理之后析出物溶解導致硬度值下降，析出物越多的區域經過固溶處理之后硬度值下降得越明顯。

2.5 腐蝕試驗

分別對兩組試板的焊接接頭進行三氯化鐵點腐蝕試驗（執行標準ASTM G48A）和5%硫酸均勻腐蝕試驗 （執行標準GB/T 4334.6—2015），結果見表7。 從表7 可以看出，焊態和固溶態下2種腐蝕試驗結果均符合相關標準或技術條件的要求（腐蝕率不大于4.17 g/（m2·h））。 焊態接頭點蝕率平均值為0.001 0 g/（m2·h）、均勻腐蝕率平均值為0.07 g/（m2·h）；經過固溶處理之后上述2 種腐蝕率均變小，平均值分別為0.000 6 g/（m2·h）和0.03 g/（m2·h）， 說明經過固溶處理之后材料的耐腐蝕性有所提高。

表7 2 種腐蝕試驗結果

（續表7）

按GB/T 4334.5—2020 《金屬和合金的腐蝕奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》分別制作焊態、固溶態焊接接頭晶間腐蝕試樣各兩件， 將制作好的試樣置于銅-硫酸銅-16%硫酸溶液中煮沸，經16 h 腐蝕、彎曲驗試后，在10 倍放大鏡下觀察，均未發現因晶間腐蝕而產生的裂紋，表明制定的焊接工藝合理。

3 結束語

通過試驗結果可以看出，254SMo 經過手工焊條電弧焊焊接后，在焊態和固溶態下焊接接頭外觀、力學性能、硬度、金相組織及耐蝕性能等均符合相關標準要求。 固溶態下的焊縫和熱影響區的硬度較焊態下更低，耐點腐蝕和均勻腐蝕的腐蝕率更低。 固溶處理消除了熱影響區晶界析出相，焊縫區粗大柱狀晶組織消失，熱影響區等軸晶出現較大的孿晶，從而顯著提升了焊接接頭的耐腐蝕性能。