段莉蕾,李志杰,高永光,谷松偉,蔡景瑞

(一重集團(tuán)大連核電石化有限公司 技術(shù)中心，遼寧大連 116113)

0 引言

奧氏體不銹鋼在深冷溫度下具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的低溫塑性和韌性，多用于設(shè)計(jì)溫度低于-100 ℃的超低溫壓力容器，最低可在-273 ℃時(shí)應(yīng)用，在液化天然氣(LNG)、液氫、液氦等深冷低溫液體儲運(yùn)容器及特殊低溫服役環(huán)境工況等獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著溫度降低，奧氏體不銹鋼強(qiáng)度會有所提高，塑性、韌性有所下降。奧氏體不銹鋼深冷低溫容器在使用中應(yīng)力水平一般未達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，即失效的原因并不是強(qiáng)度不足，而是焊接接頭韌性不足或其他多種因素共同作用導(dǎo)致的開裂破壞，所以材料的韌性是關(guān)注重點(diǎn)[2-4]。奧氏體不銹鋼母材的低溫沖擊值一般都很高，而焊縫金屬由于影響因素很多，低溫韌性遠(yuǎn)不如母材，屬于薄弱環(huán)節(jié)。本文以奧氏體不銹鋼焊條為研究對象，重點(diǎn)研究焊縫金屬-196 ℃低溫沖擊韌性及影響因素。

1 低溫沖擊韌性的標(biāo)準(zhǔn)要求

各國標(biāo)準(zhǔn)對奧氏體不銹鋼的低溫沖擊韌性沒有形成統(tǒng)一的指標(biāo)，最常用的性能指標(biāo)為低溫沖擊吸收能量KV2、低溫側(cè)膨脹量LE或低溫?cái)嗔秧g性。美國ASME—2013以側(cè)膨脹量不小于0.38 mm作為設(shè)計(jì)溫度不低于-196 ℃的沖擊試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)，而設(shè)計(jì)溫度低于-196 ℃時(shí)側(cè)膨脹量不小于0.53 mm；歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13445—2009以KV2不低于40 J作為-196 ℃以上的沖擊試驗(yàn)合格指標(biāo)。我國GB/T 150—2011《壓力容器》規(guī)定設(shè)計(jì)溫度不低于-196 ℃時(shí)，奧氏體鋼焊縫金屬沖擊吸收能量KV2≥31 J。

2 材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

焊接試驗(yàn)用母材為304L不銹鋼鋼板，焊接材料選用E308L,E309L,E317L,E310,E385不銹鋼焊條。鋼板化學(xué)成分見表1，焊縫金屬化學(xué)成分見表2。

表1 304L不銹鋼鋼板化學(xué)成分 %

表2 焊縫金屬化學(xué)成分 %

2.2 試板形式

焊接試驗(yàn)采用厚度20 mm鋼板V形坡口加墊板形式，剛性固定，坡口形式見圖1。焊條規(guī)格?4 mm，實(shí)際焊接電流140～160 A，電弧電壓24～26 V，焊接速度200～300 mm/min，直流反接，平焊位多層多道焊接，層間溫度≤100 ℃。焊接清根方式為碳弧氣刨墊板后砂輪打磨，控制焊接變形量≤3°。

圖1 試板坡口形式

2.3 試驗(yàn)條件

針對表2中不銹鋼焊條，進(jìn)行了4組試驗(yàn)(試驗(yàn)條件見表3)，研究鐵素體含量、C含量、雜質(zhì)元素H/O含量、焊后熱處理對焊縫金屬低溫沖擊韌性的影響。在試板表面加工制取沖擊試樣，缺口軸線位于焊縫中心線上，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口類型V2。根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，以液氮為冷源進(jìn)行-196 ℃低溫沖擊試驗(yàn)。

表3 試驗(yàn)條件

3 試驗(yàn)結(jié)果

4組試驗(yàn)條件下,不銹鋼焊條焊縫金屬-196 ℃沖擊試驗(yàn)檢測結(jié)果見表4。

表4 不銹鋼焊條焊縫金屬-196 ℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果

(1)第1組試驗(yàn):分析表4中序號1～5不銹鋼焊條焊縫金屬鐵素體含量對低溫沖擊韌性的影響。表中鐵素體含量FN是通過WRC-1992圖，根據(jù)焊縫金屬化學(xué)成分計(jì)算Cr當(dāng)量(Creq)和Ni當(dāng)量(Nieq)得出，其中Creq=Cr+Mo+0.7Nb，Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu。

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)繪制出圖2。從圖2可以看出，相同試驗(yàn)條件下，隨著鐵素體含量的降低，焊態(tài)下焊縫金屬低溫沖擊韌性顯著提高。鐵素體含量為0的純奧氏體不銹鋼焊條A402,A407和904L，焊態(tài)-196 ℃沖擊吸收能量高達(dá)50 J以上。從圖2還可以看出，焊縫金屬鐵素體含量控制在3%以下，焊態(tài)下-196 ℃沖擊吸收能量可達(dá)到31 J以上，側(cè)膨脹量不低于0.38 mm，可以滿足低溫儲罐、容器等-196 ℃低溫設(shè)備的焊接。

圖2 鐵素體含量與焊縫金屬低溫沖擊韌性的關(guān)系

(2)第2組試驗(yàn)：檢測熱處理態(tài)焊縫金屬低溫韌性。某些特殊設(shè)備制造需要消除奧氏體不銹鋼焊接后的殘余應(yīng)力，本試驗(yàn)設(shè)定焊后熱處理制度570 ℃×1 h，高于奧氏體不銹鋼的蠕變溫度540 ℃，可達(dá)到消除焊接殘余應(yīng)力的目的[5-6]。從表4和圖2數(shù)據(jù)可知，相比焊態(tài)，熱處理態(tài)焊縫金屬低溫沖擊韌性下降約在10 J以內(nèi)。

(3)第3組試驗(yàn):對純奧氏體不銹鋼焊條A402,A407和904L焊縫金屬低溫沖擊進(jìn)行對比試驗(yàn)，分析成分對低溫沖擊韌性的影響。圖3示出對比試驗(yàn)結(jié)果(每種焊條進(jìn)行1組3個(gè)試樣沖擊試驗(yàn))，可以看出，904L焊條熱處理態(tài)焊縫金屬-196 ℃沖擊吸收能量最高，比A402焊條高約49%，比A407焊條高約20%。從表2化學(xué)成分分析結(jié)果來看，904L焊條為超低C純奧氏體Cr-Ni-Mo-Cu不銹鋼焊條，C含量≤0.03%；A402和A407焊條為純奧氏體Cr26Ni21不銹鋼焊條，C含量較高。C含量的降低可能是904L焊條焊縫金屬低溫沖擊韌性提高的主要原因。

圖3 純奧氏體不銹鋼焊條焊縫金屬低溫沖擊韌性(熱處理態(tài))對比

(4)第4組試驗(yàn)：對比分析A+F雙相組織和單相A組織不銹鋼焊條焊縫金屬中雜質(zhì)H,O含量對低溫韌性的影響。從表2，4中數(shù)據(jù)可以看出，A+F雙相組織的奧氏體不銹鋼焊條中，鐵素體含量約13FN的19.9.LRQ焊條和WEL309L焊條，前者焊縫金屬-196 ℃沖擊吸收能量達(dá)到了約20 J，較WEL309L焊條提高幅度較大，與焊縫中相對較低的H，O含量有關(guān)；鐵素體含量相當(dāng)?shù)腉ES-308LT焊條和WEL308L焊條，前者鐵素體含量(2.04FN)比后者(3.43FN)稍有所降低，-196 ℃沖擊吸收能量由34 J提高到47 J，除鐵素體含量降低有利于沖擊韌性的提高外，H，O雜質(zhì)元素含量的降低對韌性的提高也起到了一定的作用。純奧氏體組織A407和A402不銹鋼焊條中，前者焊縫金屬沖擊吸收能量較高，因前者為堿性藥皮焊條，H,O含量較低，所以降低焊縫中H,O雜質(zhì)含量、提高焊縫的純凈度，有利于低溫韌性的提高，但從工藝性能考慮，A402焊條為鈦鈣型藥皮焊條，其應(yīng)用較廣泛。

4 討論與分析

通過上述試驗(yàn)可以看出，組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、雜質(zhì)含量、焊后熱處理對不銹鋼焊條焊縫金屬低溫沖擊韌性有著一定的影響。

4.1 鐵素體相的影響

在焊接不銹鋼時(shí)，焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋，通過控制Creq/Nieq比值，使焊縫獲得A+少量F雙相組織，鐵素體含量達(dá)到3%～15%時(shí)可有效提高焊縫抗裂性能。圖4為焊縫金屬組織金相照片?？梢钥闯觯琖EL309L和GES-308LT焊條焊縫金屬組織為A+F雙相組織結(jié)構(gòu)，鐵素體以蠕蟲狀或骨架狀形式分布在奧氏體基體上，金相上來看，WEL309L焊條的鐵素體含量高于GES-308LT，與化學(xué)法計(jì)算結(jié)果相吻合；A407焊條焊縫金屬組織為單項(xiàng)奧氏體組織結(jié)構(gòu)。奧氏體相為面心立方結(jié)構(gòu)，塑性好、易變形，低溫沖擊韌性好；而鐵素體相是體心立方晶體結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度對溫度變化十分敏感，溫度降低，屈服強(qiáng)度急劇升高，斷裂強(qiáng)度變化很小，表現(xiàn)為低溫脆性狀態(tài)[7]，鐵素體含量越多，奧氏體不銹鋼的低溫韌性降低得也越多。所以，控制鐵素體含量是提高焊縫低溫沖擊性能的有效途徑。

圖4 3種不銹鋼焊條焊縫金屬顯微組織

圖5示出上述3種焊條焊態(tài)下焊縫金屬-196 ℃沖擊試驗(yàn)后的斷口形貌。從圖5(a)～(c)宏觀斷口形貌可以看出，沖擊吸收能量越大，沖斷后的沖擊試樣側(cè)膨脹量也越大，實(shí)測值也是如此(見表4)。沖擊試驗(yàn)時(shí)，沖擊試樣缺口背面兩側(cè)受到錘擊，產(chǎn)生一定的側(cè)向膨脹增量，膨脹量越大說明抗斷裂變形能力越強(qiáng)，沖擊吸收能量也越高，其側(cè)膨脹量值與材料的韌性密切相關(guān)。在電子掃描電鏡下觀察的斷口形貌中，圖5(d)所示斷口為以解理斷裂為主+少量韌窩斷裂的混合斷口，斷裂方向性較強(qiáng)，發(fā)生了脆性斷裂現(xiàn)象，宏觀上反映了沖擊吸收能量和側(cè)膨脹量較低；圖5(e)所示斷裂方式為韌性斷裂，但韌窩尺寸相對圖5(f)較小、也較淺，沖擊吸收能量稍低于圖5(f)；圖5(f)所示斷口為韌窩塑性斷口，大而深的韌窩分布比較均勻且數(shù)量也較多，韌窩底部存在著夾雜物或第二相粒子，是典型的由顯微空洞聚集導(dǎo)致的韌性斷裂,沖擊吸收能量相對較高。

圖5 3種不銹鋼焊條焊縫金屬-196 ℃沖擊斷口形貌

4.2 合金元素的影響

不同合金體系可獲得不同的Creq/Nieq比值，決定著鐵素體相比例不同，影響著低溫沖擊韌性，同時(shí)，合金元素在焊接和熱處理過程中析出相的行為也會對焊縫低溫韌性產(chǎn)生一定的影響。

Cr是基本的鐵素體形元素，Cr含量高會提高δ鐵素體相和σ相析出，對低溫韌性不利。WEL309L焊條作為與異種鋼焊接用的過渡材料，添加較多的Cr元素，焊縫金屬-196 ℃沖擊吸收能量僅10 J左右。

Mo為鐵素體形成元素，WEL317L焊條為提高在還原性介質(zhì)與有機(jī)酸中的耐蝕性，加入3%～4%含量的Mo元素,提高了鐵素體的形成能力，同時(shí)也能夠促進(jìn)高溫下σ相的析出，對不銹鋼焊縫金屬低溫沖擊韌性是不利的。從表4可以看出，WEL317L焊條焊縫金屬鐵素體含量為4FN時(shí)，-196 ℃沖擊吸收能量較鐵素體量相當(dāng)?shù)腤EL308L焊條(3.43FN)下降了50%，可能與焊材中較高的Mo含量有關(guān)。

C含量對奧氏體不銹鋼焊縫金屬低溫韌性影響也不容忽視。C是強(qiáng)力形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，奧氏體不銹鋼對C的極限溶解度不超過0.08%，室溫條件下溶解度小于0.03%。過飽和的C在焊接和熱處理作用下，和Cr易形成Cr23C6，沿奧氏體晶界析出，降低不銹鋼的耐腐蝕性，同時(shí)也會引起馬氏體相變，降低韌性。超低碳焊材焊縫金屬間沉淀少，焊縫韌性較好。當(dāng)深冷低溫容器使用溫度低于-196 ℃時(shí)，采用超低碳奧氏體不銹鋼更為安全。

Ni,N,Mn,Cu元素是奧氏體形成元素，A402,A407,904L焊條通過添加一定比例的Ni,N,Mn,Cu元素，獲得了單項(xiàng)奧氏體組織，提高了焊縫低溫韌性。

4.3 焊縫純凈度的影響

O在γ-Fe中的溶解度(1 370 ℃)約為0.002 5%，在α-Fe中的溶解度(911 ℃)僅約為0.000 3%～0.000 4%，且O在鋼中的溶解度隨溫度下降而減少，也就是說，冷卻過程中焊縫中的O幾乎全部以氧化夾雜物和硅酸鹽的形式存在，非金屬夾雜物往往成為顯微空洞的形核核心，成為開裂的起點(diǎn)，隨著O含量的增加，氧化物夾雜隨之增加，沖擊韌性下降[8]。熔渣堿度高，氧化性減弱，焊縫O含量低，故堿性藥皮不銹鋼焊條低溫韌性要好于鈦鈣型藥皮焊條。焊縫金屬的低氫化，也可以明顯提高焊縫低溫韌性[9]。對于深冷環(huán)境下使用的不銹鋼焊條,為防止低溫脆性失效問題、獲得富裕的沖擊韌性，宜采用H，O含量較低的不銹鋼焊條。

4.4 焊后熱處理的影響

焊后熱處理將會一定程度地惡化焊縫金屬低溫沖擊韌性。奧氏體不銹鋼在450～850 ℃區(qū)間加熱或冷卻時(shí)，會發(fā)生Cr23C6有害碳化物晶界析出敏化的傾向，在650～900 ℃溫度區(qū)間會有σ脆性相的析出，當(dāng)存在鐵素體相，σ相的形成溫度會更低(500～800 ℃)，這些有害相的析出將會惡化焊縫低溫韌性。本試驗(yàn)在570 ℃溫度下熱處理，不在最敏感的溫度且保溫時(shí)間較短，晶界和晶內(nèi)的碳化物析出以及σ相的產(chǎn)生不明顯，雖然沖擊吸收能量有所降低，但幅度不大。

5 結(jié)論

(1)低溫環(huán)境下使用奧氏體不銹鋼焊條焊接時(shí)，焊縫組織中的鐵素體含量對低溫沖擊韌性影響較大。當(dāng)鐵素體含量在3%以下時(shí)，焊態(tài)下的焊縫金屬-196 ℃沖擊吸收能量可以達(dá)到31 J以上；當(dāng)焊縫為純奧氏體時(shí)，-196 ℃低溫沖擊韌性較高且穩(wěn)定性好。

(2)通過化學(xué)成分控制Creq/Nieq比值獲得低鐵素體相的同時(shí)，也要注意不利于沖擊韌性的金屬間沉淀相或σ相析出。如溫度<-196 ℃時(shí)，采用C≤0.03%的超低碳奧氏體不銹鋼材料更為有利。

(3)對需要熱處理的不銹鋼，焊縫低溫沖擊吸收能量較焊態(tài)有所下降，下降幅度與熱處理溫度、焊縫鐵素體含量及C含量等因素有關(guān)。

(4)奧氏體不銹鋼的低溫韌性不僅與鐵素體含量有關(guān)，而且與焊縫的潔凈度關(guān)系較大。提高焊縫金屬的純凈度，降低H,O含量，有利于焊縫低溫沖擊韌性的提高。