劉玉祥 袁世東

(森松(江蘇)重工有限公司上海分公司，上海201323)

300系列奧氏體不銹鋼在工程上的應(yīng)用十分廣泛，主要用作耐高溫、耐低溫、耐腐蝕材料等工況。一般情況下，超低碳奧氏體不銹鋼主要用作耐腐蝕材料，由于其含碳量較低，故不宜用在高溫工況的條件下，工程上一般超過525℃或540℃時，采用高含碳量不銹鋼[1-2]。近年來，國內(nèi)外大量不銹鋼高溫工況設(shè)備選用347H不銹鋼材料[3]，同時也出現(xiàn)了大量的問題。據(jù)了解，某些347H多晶硅冷氫化反應(yīng)器球形封頭采用瓜瓣方式拼接，采用SMAW方法焊接，設(shè)備焊后整體進行了穩(wěn)定化熱處理，在短時間服役后，焊縫發(fā)生了開裂，更有甚者，347H高壓管道穩(wěn)定化熱處理后，SMAW焊縫便出現(xiàn)了再熱裂紋，如圖1所示。因此，為了解穩(wěn)定化熱處理對對347H不銹鋼焊接接頭性能的影響，本文對347H不銹鋼采用SMAW方法焊接后，并對其進行了穩(wěn)定化熱處理，之后對焊接接頭進行了相關(guān)的理化試驗。希望通過試驗為347H不銹鋼焊接接頭處理提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 穩(wěn)定化熱處后焊縫開裂

1 347H不銹鋼材料介紹

347H不銹鋼為奧氏體不銹鋼，滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)II卷A篇SA-240的要求，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。347H不銹鋼含穩(wěn)定化元素Nb，按與碳的親和力大小而言，Cr為弱碳化物形成元素，Nb為強烈的碳化物形成元素，當(dāng)處于既能析出Cr的碳化物，又能析出Nb的碳化物溫度區(qū)間時，會優(yōu)先析出Nb的碳化物，而不析出或很少析出Cr的碳化物，避免在敏化區(qū)出現(xiàn)貧Cr現(xiàn)象，降低抗晶間腐蝕的能力，因此347H不銹鋼具有良好的抗晶間腐蝕能力[4-5]。347H化學(xué)成分中的C含量控制在0.04%～0.10%，保證了材料的高溫持久強度。SA-240標(biāo)準(zhǔn)對347H不銹鋼用于540℃以上的工況時，提出了晶粒度要求，標(biāo)準(zhǔn)要求其平均晶粒度為7級或更粗。粗晶粒度的要求，使晶界面積減小，降低了雜質(zhì)元素沿晶界偏聚而使晶界強度弱化的能力，因此粗晶粒度的要求提高了347H不銹鋼高溫工況下的耐高溫性能。

表1 347H化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 347H力學(xué)性能

2 焊接試驗

焊接試驗共進行4塊試板的焊接，SMAW方法焊接3塊試板，試板狀態(tài)分別為穩(wěn)定化熱處理態(tài)、固溶熱處理態(tài)、焊態(tài)，試板編號依次為S-1、S-2、S-3，GTAW方法焊接1塊試板，進行穩(wěn)定化熱處理，試驗編號為S-4，具體方案如表3所示。本次試驗的347H試板厚度為45 mm，坡口形式如圖2所示，坡口采用機械加工的方式進行加工，以保證坡口的精度及質(zhì)量。

圖2 坡口形式

表3 焊接及熱處理方案

2.1 試驗用焊材

與347H不銹鋼化學(xué)成分相匹配的氬弧焊絲型號為ER347，焊條在我國常用的有兩種型號，一種為E347-16鈣鈦型藥皮焊條，成型和脫渣性良好，另一種為E347-15低氫型堿性藥皮焊條，沖擊韌性更好[6]?？紤]到347H不銹鋼通常不使用在低溫工況的條件下，而且E347-16焊條常溫沖擊吸收能量通?？梢赃_到70 J以上，試驗選用了工藝性能更好的E347-16焊條進行試驗，為了保證焊縫金屬的抗晶間腐蝕性，焊材采購時對C元素的含量進行了控制，C元素含量要求范圍0.040%～0.055%，焊材化學(xué)成分如表4所示。

表4 焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2.2 試板的焊接

試板焊接前對坡口及其兩側(cè)邊緣25 mm范圍采用丙酮清洗，S-1、S-2、S-3試板采用SMAW方法焊接，S-4試板采用GTAW方法焊接。定位焊全部采用GTAW焊接方法，在根部焊道的起點處進行定位焊，定位焊焊縫長度不小于50 mm，間距200～300 mm。為防止焊后變形，試板預(yù)留5°反變形。試板正面焊后，背面采用砂輪打磨清根，清根后經(jīng)PT檢測合格后，再進行背面焊接，焊接的過程中，道間溫度控制在150℃以內(nèi)，具體的焊接參數(shù)如表5所示。

表5 焊接規(guī)范參數(shù)

2.3 試板的熱處理

試板經(jīng)100%滲透檢測及100%射線檢測合格后，S-1、S-2、S-4試板進行熱處理，熱處理采用電爐加熱，具體的熱處理參數(shù)如表6所示。

表6 熱處理參數(shù)

3 理化試驗

熱處理后，對S-1、S-2、S-3、S-4試板進行焊接接頭板狀拉伸試驗、橫向側(cè)彎試驗、沖擊試驗(僅S-1，S-4)、晶間腐蝕試驗、顯微組織分析、硬度試驗，具體試驗結(jié)果如下：

3.1 拉伸試驗

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)，分別對S-1～S-4試板進行兩個板狀橫向室溫拉伸試驗，試驗結(jié)果如表7所示。從表7的數(shù)據(jù)可以看出，與S-3的SMAW方法焊態(tài)拉伸試驗抗拉強度相比，S-1穩(wěn)定化熱處理后的抗拉強度升高，S-2固溶熱處理后的抗拉強度下降。S-4的GTAW方法穩(wěn)定化熱處理后的抗拉強度與表2母材抗拉強度相比，也有大幅度的上升。

表7 室溫拉伸試驗結(jié)果

3.2 彎曲試驗

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》對S-1～S-4每個試板進行4個橫向側(cè)彎試驗，彎曲試驗用彎頭直徑40 mm，彎曲角度180°，S-2、S-3、S-4橫向側(cè)彎試樣拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)開口缺陷，S-1四個橫向側(cè)彎試樣中有一個試樣的焊縫出現(xiàn)一處開口缺陷，缺陷長度3.5 mm，超出NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)中不得有單條長度大于3 mm開口缺陷的要求。對S-1試樣又進行了4個橫向側(cè)彎試驗，4個試樣中有一個試樣的焊縫再次出現(xiàn)開口缺陷，開口缺陷數(shù)量為2處，單個缺陷尺寸不大于3 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，S-1兩個彎曲開口缺陷試樣如圖3所示。從兩次彎曲的結(jié)果可以看出，SMAW焊縫經(jīng)穩(wěn)定化熱處理后，焊縫存在塑性下降的現(xiàn)象。雖然后面進行的4個彎曲試驗結(jié)果合格，但該試驗的結(jié)果總的來看仍為不合格。

圖3 S-1彎曲裂紋

3.3 沖擊試驗

347H不銹鋼的顯微組織為奧氏體，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》規(guī)定設(shè)計溫度高于-100℃時，焊縫金屬不需要進行沖擊試驗，美國ASME標(biāo)準(zhǔn)VIII-1卷UHA篇也有類似的要求，在高于-104℃的工況條件下，焊縫金屬也不需要考慮沖擊，但其標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定經(jīng)過480～900℃加熱處理的焊縫金屬需要進行沖擊試驗。沖擊吸收能量的高低可以表征材料抗裂紋擴展能力的好壞，因S-1彎曲試驗出現(xiàn)焊縫開口缺陷以及考慮到ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，故進行了S-1、S-4焊縫及熱影響區(qū)沖擊試驗各一組，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm試驗結(jié)果如表8所示。

表8 焊縫室溫沖擊試驗結(jié)果

SMAW焊縫金屬經(jīng)穩(wěn)定化熱處理后的沖擊吸收能量和側(cè)向膨脹量均比較低，考慮到?jīng)_擊吸收能量具有一定波動性的特點，為此SMAW焊縫金屬增加了兩組沖擊試驗，增加的兩組沖擊試驗結(jié)果與第一組沖擊試驗結(jié)果基本相當(dāng)，沖擊吸收能量和側(cè)向膨脹量依然比較低。GTAW焊縫金屬經(jīng)穩(wěn)定化熱處理后的沖擊吸收能量和側(cè)向膨脹量相對較高，但和以往試驗不銹鋼焊態(tài)焊縫的沖擊結(jié)果相比，依然存在較大的下降趨勢。SMAW和GTAW熱影響區(qū)相對于焊縫，具有較高的沖擊吸收能量和側(cè)向膨脹量。S-1焊縫沖擊試樣斷口如圖4所示，斷口無象征韌性好的纖維區(qū)，幾乎為脆性斷裂。

圖4 S-1沖擊試樣斷口

3.4 晶間腐蝕試驗

對S-1～S-4焊接接頭按照GB/T 4334—2008《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》中的方法E進行晶間腐蝕試驗，試樣在微沸態(tài)的銅-硫酸銅-16%硫酸溶液中腐蝕20 h后，試樣進行180°彎曲試驗，彎曲后對試樣表面用放大鏡10倍放大觀察，彎曲面無裂紋，可見含穩(wěn)定化元素Nb的347H不銹鋼焊接接頭在焊態(tài)和固溶熱處理態(tài)、穩(wěn)定化熱處理態(tài)均能滿足晶間腐蝕的要求。

3.5 顯微組織分析

按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E407-2007對S-1～S-4焊縫進行顯微組織試驗，在高倍顯微鏡下200倍放大后觀察，未見顯微裂紋缺陷以及其它缺陷，焊縫顯微組織如圖5所示。S-1、S-2、S-4焊縫顯微組織中均有較多的碳化物析出，但穩(wěn)定化熱處理態(tài)多于焊態(tài)，S-1、S-4中析出的碳化物為焊接熱循環(huán)和穩(wěn)定化熱處理共同導(dǎo)致的，S-3析出的碳化物為焊接熱循環(huán)導(dǎo)致的，碳化物均呈彌散分布。S-2碳化物數(shù)量較少，碳化物在固溶溫度下重新溶解，僅有少量的碳化物存在晶粒內(nèi)部，但經(jīng)過固溶熱處理的高溫后，晶粒尺寸明顯增大。

S-1 S-2

3.6 硬度試驗

S-1～S-4試板的焊縫及母材、熱影響區(qū)按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進行維氏硬度HV10試驗，試驗結(jié)果如表9所示。表9的數(shù)據(jù)中經(jīng)穩(wěn)定化熱處理的S-1、S-4焊縫硬度較高，S-2固溶熱處理態(tài)的焊縫與S-3焊態(tài)焊縫相比，硬度有所下降。穩(wěn)定化熱處理態(tài)、焊態(tài)、固溶熱處理態(tài)硬度值的高低與其顯微組織中析出的碳化物多少存在對應(yīng)的關(guān)系，碳化物的析出增多，焊縫的硬度會有一定的升高。

表9 硬度試驗結(jié)果(HV10)

4 試驗數(shù)據(jù)綜合分析

347H不銹鋼的焊縫經(jīng)穩(wěn)定化熱處理后，顯微組織中有大量的碳化物析出，該碳化物為NbC。NbC的大量析出，對基體組織起到析出強化的作用[7]，并且NbC本身具有高硬度的特性，因此NbC的析出導(dǎo)致了焊接接頭抗拉強度以及硬度的升高。從彎曲試驗和焊縫沖擊試驗結(jié)果來看，穩(wěn)定化熱處理后，焊縫塑性下降，焊縫沖擊韌性也大幅度下降，穩(wěn)定化熱處理對E347-16焊條的焊縫塑性、韌性影響尤為嚴(yán)重。347H不銹鋼的焊接接頭經(jīng)固溶熱處理后，焊接接頭中大部分的NbC析出相重新溶解，沉淀強化作用減弱[8]，因此導(dǎo)致了固溶熱處理后的焊接接頭抗拉強度下降。

5 穩(wěn)定化熱處理的討論

工程上347H不銹鋼設(shè)備在高溫服役工況下進行穩(wěn)定化熱處理是基于在設(shè)備服役的高溫下，焊接應(yīng)力松弛產(chǎn)生的蠕變變形集中于晶界，造成晶界薄弱，產(chǎn)生再熱裂紋，而選擇在設(shè)備服役前通過穩(wěn)定化熱處理來消除焊接殘余應(yīng)力，以及促使Nb元素與碳元素結(jié)合，避免C元素與Cr元素形成Cr23C6，提高抗晶間腐蝕性。目前為止，GB/T 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》標(biāo)準(zhǔn)未曾要求對奧氏體不銹鋼壓力容器焊后進行熱處理，而ASME VIII-1《壓力容器建造規(guī)則》第一冊UHA篇表UHA-32-3中與NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中的焊后熱處理推薦規(guī)范對奧氏體不銹鋼的焊后熱處理持有既不要求也不禁止的態(tài)度。NB/T 10068—2018《含穩(wěn)定化元素不銹鋼管道焊后熱處理規(guī)范》規(guī)定操作溫度<500℃，管道壁厚≥40 mm時，為了避免熱處理過程中產(chǎn)生再熱裂紋的風(fēng)險，一般不要求進行焊后穩(wěn)定化熱處理，操作溫度≥500℃時，任意厚度都要進行穩(wěn)定化熱處理，從該標(biāo)準(zhǔn)可以看出，穩(wěn)定化熱處理后易出現(xiàn)再熱裂紋已經(jīng)成為行業(yè)的部分共識。雖然347H不銹鋼穩(wěn)定化熱處理后易出現(xiàn)再熱裂紋已是一個不爭的事實，但關(guān)于347H不銹鋼穩(wěn)定化熱處理后出現(xiàn)裂紋，或者使用一段時間后出現(xiàn)裂紋的根本性原因還是沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，仍是近年來行業(yè)討論比較多的問題，對此，347H不銹鋼焊后穩(wěn)定化熱處理的工藝研究及利與弊還是應(yīng)更深層次的探討與試驗研究，以便形成相對成熟的規(guī)定。

6 結(jié)束語

本文鑒于上述的試驗與分析，可以得到以下的結(jié)論：

(1)347H不銹鋼焊接接頭經(jīng)穩(wěn)定化熱處理后抗拉強度和硬度上升，焊縫金屬沖擊韌性下降，尤其SMAW采用鈦鈣型藥皮的E347-16焊縫金屬下降更為嚴(yán)重，其沖擊斷口為脆性斷口，焊縫塑性下降，彎曲試驗容易出現(xiàn)開口缺陷。

(2)對于高溫服役工況的347H不銹鋼設(shè)備，目前不建議進行焊后穩(wěn)定化熱處理。此外，對于347H不銹鋼穩(wěn)定化熱處理后的再熱裂紋問題以及焊縫性能下降問題，應(yīng)進行更多的試驗研究，形成一個成熟的工程規(guī)范。