F316H焊接工藝及接頭性能研究

□姜 玉 趙偉明 顧春剛 任利杰 陸建東

奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種，生產量和使用量約占不銹鋼總產量及用量的70%。該類鋼是一種十分優良的材料，有極好的抗腐蝕性和生物相容性，因而在化學工業、沿海、食品、生物醫學、石油化工等領域中得到廣泛應用[1]。根據ASME標準要求，奧氏體不銹鋼F316H的含碳量為0.04%～0.08%，相較于304L、316L，F316H較高的碳含量可以提高不銹鋼的耐高溫性能和抗氧化性能，可用于高溫結構，但是較高的含碳量會影響不銹鋼的焊接性能和耐腐蝕性能[2]，焊接接頭容易出現熱裂紋、晶間腐蝕等問題。因此，研究F316H奧氏體不銹鋼的焊接性能，制定合理的焊接工藝參數，確保焊接接頭的質量和性能對于產品整體可靠性、質量是至關重要的。

一、試驗材料及工藝

(一)試驗材料。焊接工藝評定試驗采用ASME SA-182/F316H試板，試板的規格為400mm*150mm*δ25mm，數量為4對。依據ASME BPVC第Ⅱ卷C篇SFA-5.9M標準要求，焊接填充材料選用ER316H，規格為Φ2.0mm。F316H試板和ER316H焊材的化學成分如表1所示。

表1 F316H試板和ER316H焊材化學成分(質量分數，W%)

(二)焊接工藝。SA-182/F316H試板焊接坡口形式為40°V型坡口，采用GTAW手工鎢極氬弧焊單面焊雙面成型，進行平焊位置對接焊。焊前預熱溫度不小于15℃。

具體焊接工藝參數如表2所示。在焊接過程中，嚴格控制較低的層間溫度(≤150℃)，盡量減少焊接接頭在敏化區的停留時間。

表2 焊接工藝參數

二、試驗結果和分析

(一)力學性能試驗結果和分析。焊接完成后，進行了RT和PT檢測，均為I級合格。接著按照ASME標準要求加工力學試驗試樣，并進行了彎曲、拉伸(室溫、400℃、450℃、550℃、650℃)、沖擊(母材、焊縫、加速時效焊縫、熱影響區)、晶間腐蝕、布氏硬度等力學性能試驗。

1.硬度試驗。對1#試樣進行了母材區、熱影響區、焊縫區的布氏硬度測量，試驗結果如表3所示。

表3 布氏硬度試驗結果

從表3試驗結果可以看出，焊縫的硬度遠遠大于母材的硬度，并且試樣的硬度值從母材到焊縫呈現逐步遞增的趨勢。

2.焊接接頭拉伸試驗。對焊接接頭進行拉伸試驗，試驗溫度為室溫(2件)、400℃(1件)、450℃(1件)、550℃(1件)、650℃(1件)，焊接接頭拉伸試驗結果如表4所示。

表4 焊接接頭拉伸試驗結果

焊接接頭室溫拉伸試驗按照GB/T 2651-2008的規定執行，試樣均為全板厚(T25mm)拉伸試樣。由表4可知，室溫下試樣2T、3T的抗拉強度和屈服強度都能滿足F316H母材技術條件的Rm≥515MPa、Rp0.2≥205MPa的要求。拉伸試驗斷裂位置均在母材，說明熱影響區未出現明顯的軟化。

按照GB/T228.2-2015要求對焊接接頭進行高溫拉伸試驗，試驗采用Φ10mm圓棒型試樣。從表4可以看出，隨著拉伸試驗溫度的升高，試樣的抗拉強度和屈服強度反而在下降，并且拉伸斷裂位置均在母材，說明高溫條件下焊接接頭的韌性有所增強，導致材料強度降低，但均大于母材技術條件的規定值。

3.熔敷金屬拉伸試驗。對熔敷金屬進行拉伸試驗，試驗溫度為室溫(2件)、400℃(1件)、450℃(1件)、550℃(1件)、650℃(1件)，熔敷金屬拉伸試驗結果如表5所示。

表5 熔敷金屬拉伸試驗結果

熔敷金屬室溫拉伸試驗按照GB/T 2652-2008的規定執行，試驗采用Φ10mm圓棒型試樣。由表5可知，室溫下試樣8T、9T的抗拉強度和屈服強度都能滿足ER316H焊材技術條件的Rm≥520MPa、Rp0.2≥210MPa的要求。

按照GB/T228.2-2015要求對熔敷金屬進行高溫拉伸試驗，從表5可以看出，隨著拉伸試驗溫度的升高，試樣的抗拉強度和屈服強度呈下降趨勢，但均大于焊接材料技術條件的規定值。

4.彎曲試驗。按GB/T2653-2008標準要求進行側彎試驗，側彎試樣厚度為10mm,寬度為試件厚度25mm，數量為4件。

側彎試驗合格指標：試樣彎曲180°后，彎曲試樣在彎后的拉面上，焊縫和熱影響區不允許有超過1.5mm任何方向開裂缺陷。試驗結果如表6所示。

表6 彎曲試驗結果

5.沖擊試驗。按照GB/T 2650-2008標準要求，夏比V型缺口室溫沖擊試驗在ZBC2302-C/FM05003設備上進行，取焊態(焊縫區、熱影響區、母材區)、焊接接頭加速時效后(750℃/100h)共計4組沖擊試樣，取樣位置位于1/2試件厚度處。室溫沖擊試驗結果如表7所示。

從表7試驗結果可以看出，焊縫區的平均沖擊吸收功218.7J，遠大于合格指標，而熱影響區、母材區的沖擊吸收功均大于300J，說明從焊縫到母材的沖擊韌性是在逐漸增強的。焊接接頭經過加速時效后的平均沖擊吸收功為181.7J，遠遠超過了合格指標25J，但與未經過加速時效的焊縫區的平均沖擊吸收功218.7J相比較，還是大幅度下降了，說明加速時效會使得材料的韌性有所下降。

表7 沖擊試驗結果

(二)熔敷金屬晶間腐蝕加速試驗。熔敷金屬晶間腐蝕加速試驗按GB/T4334-2008 E法標準要求進行，試樣規格為80mm×20mm×3mm,試樣數量為3個，其中一個為焊態基準試樣、1個是敏化試樣、1個為對比試樣。試樣經650℃×2h敏化處理，腐蝕時間為16小時。試驗后的晶間腐蝕彎曲試樣顯示：其拉伸面上無晶間腐蝕裂紋或開裂傾向。

(三)金相檢驗。

1.宏觀檢驗。按照GB/T 226標準要求對試樣進行宏觀檢驗。在焊縫、熔合線、熱影響區及兩側的母材中未檢驗出未熔合、未焊透、裂紋和尺寸超標的氣孔及其他有害的焊接缺陷，試驗結果合格。

2.微觀檢驗。按照GB/T13298標準要求對試樣進行微觀金相檢驗。微觀金相檢驗是在200倍放大鏡下觀察焊接接頭的焊縫、熔合線、熱影響區及兩側的母材組織。焊縫區、熱影響區、母材區的200倍顯微組織經微觀金相檢驗未發現顯微裂紋及影響接頭性能的沉淀物，試驗結果合格。

三、結語

該焊接工藝試驗采用GTAW手工鎢極氬弧焊的焊接方法，通過制定合理的焊接工藝參數，控制較低的層間溫度，獲得了力學性能優良、宏觀微觀組織無缺陷、耐晶間腐蝕性能優良的焊縫。因此F316H焊接接頭性能能夠滿足ASME標準的要求，能夠滿足室溫及高溫工況下的工程應用要求。