低溫用堿性不銹鋼焊條E308L-15的研制

靳樹強， 馬風(fēng)輝

(奧鋼聯(lián)伯樂焊接(中國)有限公司，江蘇 蘇州 215126)

0 前言

18-8型奧氏體不銹鋼由于具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性和良好的焊接性，常常被用于低溫工作環(huán)境下的壓力容器[1-2]。奧氏體不銹鋼母材的低溫沖擊韌性一般都很好，GB 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》規(guī)定，奧氏體型鋼材(母材)的使用溫度高于或等于-196 ℃時，可免做沖擊試驗。但是相對于奧氏體不銹鋼母材，焊縫金屬的低溫沖擊韌性會下降很多。所以，對于低溫壓力容器，GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》規(guī)定在相應(yīng)的焊接工藝評定中，應(yīng)進行焊縫金屬的低溫夏比V形缺口沖擊試驗，在不高于設(shè)計溫度下的沖擊吸收能量AKV不得小于31 J。

焊縫的沖擊韌性受焊接材料、焊接工藝及焊接冶金的影響，如采用通常的酸性不銹鋼焊條焊接，往往不能滿足此要求。因此，文中結(jié)合工程實踐，針對低溫壓力容器通常用的18-8型奧氏體不銹鋼的焊接問題，開發(fā)了具有良好低溫沖擊韌性的堿性奧氏體不銹鋼焊條E308L-15。

1 焊條配方設(shè)計

眾所周知，低氫型焊條的藥皮以碳酸鹽和氟化物為主體，碳酸鹽用來造渣、造氣、穩(wěn)弧，氟化物可稀渣，且具有顯著的去氫效果。不銹鋼堿性焊條由于不銹鋼鐵水的流動性問題，其使用氟化物和碳酸鹽的比例有所不同。文中所研制的E308L-15焊條藥皮的組分見表1。

表1 研制的E308L-15藥皮的組分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 試驗材料及方法

焊接材料為經(jīng)過大量試驗驗證得到的焊接工藝性優(yōu)良的E308L-15焊條，規(guī)格為φ4.0 mm×350 mm。試驗?zāi)覆?22Cr19Ni10，熔敷金屬的試板尺寸為300 mm×150 mm×20 mm，坡口角度22.5°，根部間隙16 mm。采用OTC VR400Ⅱ型焊機，焊接電流130～140 A，電弧電壓22～25 V，直流反接。

熔敷金屬的化學(xué)成分由Belec Vario Lab光學(xué)直讀光譜儀測定，其中C,S,O,N分別由ELTRA CS800分析儀和ELTRA ON900分析儀測定。

沖擊試驗采用夏比V形缺口試樣，試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，在ZBC2302-2液晶全自動金屬擺錘沖擊試驗機上按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，用游標(biāo)卡尺測量側(cè)向膨脹量。

拉伸試驗和彎曲試驗在SHT4106微機控制電液伺服萬能試驗機上按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》進行。

鐵素體數(shù)由FERITSCOPE MP30D-S鐵素體測定儀測定。按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》的方法E進行晶間腐蝕測試。金相試樣采用質(zhì)量分數(shù)為10%的草酸溶液進行電解腐蝕，采用GX40-D型光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 焊條的焊接工藝性

采用H022Cr21Ni10焊芯，利用均勻設(shè)計法設(shè)計了多種配方制作成焊條，進行大量的焊接工藝性試驗，研制出易起弧、少飛濺、電弧穩(wěn)定、易脫渣的E308L-15焊條。由于該焊條要求-196 ℃下的沖擊性能，其焊接工藝性能受到了一定的限制。研制的焊條焊縫成形如圖1所示。

圖1 E308L-15焊條的焊縫成形

3.2 熔敷金屬的成分及組織分析

傳統(tǒng)觀點認為，焊縫的化學(xué)成分應(yīng)該盡可能與母材的成分匹配，這一規(guī)則使設(shè)計人員不用考慮因為熱膨脹等不同而導(dǎo)致的問題。文中遵循這一規(guī)則，并對化學(xué)成分進行調(diào)整，以期望得到具有較好的低溫沖擊韌性的焊縫。表2為熔敷金屬的部分化學(xué)成分設(shè)計值及測試結(jié)果。

表2 研制的E308L-15熔敷金屬的部分化學(xué)成分及鐵素體數(shù)

圖2是E308L-15熔敷金屬的顯微組織。結(jié)果表明，熔敷金屬的金相組織由奧氏體和少量骨架狀鐵素體組成，組織均勻細小且不存在裂紋等缺陷。

圖2 E308L-15熔敷金屬的顯微組織

根據(jù)WRC-1992計算法及磁性法測量的熔敷金屬的鐵素體數(shù)(FN)分別列于表2，計算值和測試值在低鐵素體數(shù)范圍內(nèi)保持較好的一致性。其中Creq和Nieq分別通過下列公式計算：

Creq=Cr+Mo+0.7Nb

(1)

Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu

(2)

計算得到Creq為19.18，Nieq為12.09，Creq/Nieq為1.59，根據(jù)文獻[3-4]，熔敷金屬為鐵素體-奧氏體(FA)模式凝固。此模式的凝固初始析出相是鐵素體，隨著焊縫冷卻，鐵素體變得越來越不穩(wěn)定，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，最終焊縫組織由奧氏體和少量鐵素體組成。FA模式首先析出的鐵素體阻止了液態(tài)薄膜的浸潤，并使裂紋擴展困難，同時先析出的鐵素體還對S,P,Sn等雜質(zhì)有較高的溶解度，所以其抗熱裂紋能力很強[5]。少量鐵素體可提升奧氏體不銹鋼焊縫的抗熱裂紋性能，然而FN大于7的焊縫表現(xiàn)出相對較低的韌性，所以對于低溫應(yīng)用的焊縫，應(yīng)該控制焊縫中的鐵素體。

3.3 熔敷金屬的力學(xué)性能

焊后試板經(jīng)外觀檢查、射線探傷合格后進行取樣及試驗，熔敷金屬的力學(xué)性能見表3。

焊縫金屬良好的低溫沖擊韌性是保證奧氏體不銹鋼焊縫低溫應(yīng)用的關(guān)鍵，奧氏體不銹鋼焊縫的低溫沖擊韌性受到夾雜物密度的影響[6]。夾雜物阻礙形變時的位錯運動，在其與基體界面處產(chǎn)生巨大應(yīng)力，形成微裂紋，相鄰微裂紋聚合為微孔洞，微孔洞長大、增殖，最終導(dǎo)致斷裂。由于微孔洞在夾雜物處形核，降低夾雜物的密度和尺寸可以減少孔洞的形成，從而顯著提高焊縫的韌性[7-8]。Kane等人[9]的研究發(fā)現(xiàn)，夾雜物密度和尺寸直接受到氧含量的影響。由于氧的化學(xué)活性，焊縫金屬中并不存在游離氧，而是全部以氧化夾雜物的形式存在，如果通過加強焊條藥皮的脫氧，降低熔敷金屬的氧含量，夾雜物密度隨之降低，從而可提高焊縫韌性。

圖3為在焊條開發(fā)過程中熔敷金屬的-196 ℃夏比V形缺口沖擊吸收能量AKV與氧含量的關(guān)系曲線，其中的氧含量通過加入焊條藥皮中的脫氧劑控制。從圖中可以看出，隨著氧含量的降低，-196 ℃的夏比V形缺口沖擊吸收能量增加，低溫沖擊韌性提高。如前所述，熔敷金屬的化學(xué)成分及FN受到一些因素的制約，所以通過加強焊條的脫氧能力，降低熔敷金屬的氧含量來提高低溫沖擊韌性，是行之有效的一種方法。

表3 熔敷金屬的力學(xué)性能

圖3 熔敷金屬的-196 ℃夏比V形沖擊吸收能量AKV與氧含量的關(guān)系

3.4 熔敷金屬的晶間腐蝕測試

試樣尺寸為100 mm×10 mm×3 mm，經(jīng)650 ℃保溫1 h進行敏化處理，腐蝕后用5 mm壓頭進行彎曲試驗，用10倍放大鏡進行觀察，并未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

低溫用奧氏體不銹鋼一般可不考慮耐蝕性，因為低溫下腐蝕的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)速度很慢，乃至基本停止，另外低溫介質(zhì)多為液氧、液氮、液氬、液氦、液氫、液烴等低沸點液相，腐蝕性很弱或無腐蝕性。即使如此，仍然對該焊條做了晶間腐蝕試驗。從測試結(jié)果來看，所開發(fā)的E308L-15焊條的熔敷金屬具有良好的耐晶間腐蝕性能。

4 結(jié)論

(1)通過調(diào)整配方組分的E308L-15焊接工藝性良好，全熔敷金屬的凝固模式為FA模式，金相組織由奧氏體和少量骨架狀鐵素體組成，不存在裂紋等缺陷，耐晶間腐蝕性能良好。

(2)加強焊條藥皮的脫氧能力，熔敷金屬的氧含量降低，從而可以降低氧化夾雜物密度，低溫沖擊韌性有所提高。