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(xué)石油化工學(xué)院）

254SMo（ASME 中代號(hào)為UNS S31254）是一種100%奧氏體組織的不銹鋼，含碳量極低，與常規(guī)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(jì)算得知，其通用的抗點(diǎn)蝕指數(shù)（PRE）為42，與2507超級(jí)雙相鋼相當(dāng)。 文獻(xiàn)［1，2］的研究結(jié)果表明，254SMo 具有較好的耐點(diǎn)蝕、 縫隙腐蝕和晶間腐蝕的能力， 目前廣泛應(yīng)用于苛刻環(huán)境下石油化工、制藥等領(lǐng)域。

蘭州蘭石重型裝備股份有限公司承制的某新型產(chǎn)品中部分結(jié)構(gòu)材料為254SMo， 然而目前對(duì)于較厚板的254SMo 焊接及其后續(xù)固溶處理均無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可供參考，因此焊接成為該產(chǎn)品制造過(guò)程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。 筆者采用焊條電弧焊焊接超級(jí)奧氏體不銹鋼254SMo， 并對(duì)焊接接頭在焊態(tài)和固溶態(tài)下的力學(xué)性能、沖擊韌性和耐腐蝕性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)， 為超級(jí)奧氏體不銹鋼254SMo焊接接頭的熱處理提供理論依據(jù)，為實(shí)際產(chǎn)品的制造提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 254SMo 焊接特點(diǎn)

254SMo 焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱， 但當(dāng)母材溫度低于15 ℃時(shí)，應(yīng)將接頭兩側(cè)250～300 mm 的區(qū)域內(nèi)加熱到15～20 ℃，以免濕氣冷凝導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔。 為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大和碳化物的析出，應(yīng)保持較低的層間溫度（一般不超過(guò)100 ℃）。 同時(shí)，需要避免焊接區(qū)在高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，注意快速冷卻以防止腐蝕傾向。 當(dāng)焊接快速冷卻時(shí)， 焊縫中的氣體若來(lái)不及逸出，則易形成氣孔。 因此，焊前應(yīng)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(chǎn)生。 兩種材料線膨脹系數(shù)大，具有較高的熱裂紋敏感性，焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋（如凝固裂紋、多邊化裂紋和高溫失塑裂紋）， 故應(yīng)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(chǎn)生。

1.2 焊接材料

254SMo 在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生熱裂紋，所以在焊材選用上應(yīng)選擇抗裂性較好的焊材。 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究，在254SMo 焊條電弧焊焊接時(shí)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(yàn)中選用ENiCrMo-3 焊絲進(jìn)行焊條電弧焊焊接，焊絲直徑2.0 mm，焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 ENiCrMo-3 焊絲化學(xué)成分 wt%

1.3 焊接坡口

試板規(guī)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(guò)程嚴(yán)格控制層間溫度，并按照表2 所列的焊接工藝規(guī)范進(jìn)行焊接。

表2 焊接工藝規(guī)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(hào)1#、2#。 其中，1#試板為焊態(tài)，2#試板為固溶態(tài)。 熱處理規(guī)范見(jiàn)表3。

表3 熱處理規(guī)范

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外觀及無(wú)損檢測(cè)

分別對(duì)兩塊試板焊接接頭進(jìn)行外觀檢查。 經(jīng)檢查，焊縫表面成型良好，焊縫與母材無(wú)咬邊等缺陷。 按NB/T 47013.5—2015 標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)要求對(duì)焊縫表面進(jìn)行PT 檢測(cè)，結(jié)果合格。按NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)要求對(duì)焊縫進(jìn)行RT 檢測(cè)，結(jié)果合格。

2.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)熔覆金屬進(jìn)行化學(xué)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(jié)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?yàn)槟覆闹猩鲜鲈睾康陀诤覆?，在焊接過(guò)程中發(fā)生了高合金成分區(qū)向低合金成分區(qū)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?yàn)?54SMo 中Fe 含量遠(yuǎn)高于焊絲中的Fe 含量，同樣發(fā)生了化學(xué)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(xué)元素含量仍然高于母材254SMo。

2.3 力學(xué)性能分析

對(duì)不同熱處理之后的焊接接頭進(jìn)行全厚度室溫拉伸測(cè)試（接頭板拉2 件）、彎曲測(cè)試（側(cè)彎4件）和-196 ℃（KV2）沖擊測(cè)試（焊縫、熱影響區(qū)各3 件），結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

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

2.4 焊接接頭金相組織

分別對(duì)兩組試板的焊接接頭進(jìn)行宏觀/微觀金相檢查和硬度HV10 試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(qū)（焊態(tài)）金相組織

表6 試板焊接接頭金相組織與硬度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 母材（焊態(tài)）金相組織

圖4 焊縫/熱影響區(qū)（固溶態(tài)）金相組織

圖5 母材（固溶態(tài)）金相組織

由上述結(jié)果可以看出，焊態(tài)和固溶態(tài)焊接接頭均為奧氏體組織，且經(jīng)過(guò)固溶處理之后焊接接頭熱影響區(qū)晶粒較焊態(tài)均勻化。 經(jīng)過(guò)固溶處理之后焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫組織的顯微硬度均下降， 其中焊縫組織下降趨勢(shì)最為明顯，熱影響區(qū)組織下降次之，母材硬度值下降較小。 這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)固溶處理之后析出物溶解導(dǎo)致硬度值下降，析出物越多的區(qū)域經(jīng)過(guò)固溶處理之后硬度值下降得越明顯。

2.5 腐蝕試驗(yàn)

分別對(duì)兩組試板的焊接接頭進(jìn)行三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)（執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48A）和5%硫酸均勻腐蝕試驗(yàn) （執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4334.6—2015），結(jié)果見(jiàn)表7。 從表7 可以看出，焊態(tài)和固溶態(tài)下2種腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)條件的要求（腐蝕率不大于4.17 g/（m2·h））。 焊態(tài)接頭點(diǎn)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(jīng)過(guò)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(shuō)明經(jīng)過(guò)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(yàn)結(jié)果

（續(xù)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(yàn)方法》分別制作焊態(tài)、固溶態(tài)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(jīng)16 h 腐蝕、彎曲驗(yàn)試后，在10 倍放大鏡下觀察，均未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋，表明制定的焊接工藝合理。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，254SMo 經(jīng)過(guò)手工焊條電弧焊焊接后，在焊態(tài)和固溶態(tài)下焊接接頭外觀、力學(xué)性能、硬度、金相組織及耐蝕性能等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。 固溶態(tài)下的焊縫和熱影響區(qū)的硬度較焊態(tài)下更低，耐點(diǎn)腐蝕和均勻腐蝕的腐蝕率更低。 固溶處理消除了熱影響區(qū)晶界析出相，焊縫區(qū)粗大柱狀晶組織消失，熱影響區(qū)等軸晶出現(xiàn)較大的孿晶，從而顯著提升了焊接接頭的耐腐蝕性能。