308L類不銹鋼焊材熔敷金屬-196 ℃沖擊韌性研究

閔曉峰 吳夢(mèng)先 莫芝林 侯華東 蔣杰 鄒大軍

摘要：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外不同品牌的308L類焊材進(jìn)行SMAW、SAW、MIG焊熔敷金屬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊后熱處理會(huì)顯著降低熔敷金屬-196 ℃沖擊韌性，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為鐵素體含量是影響焊材熔敷金屬低溫韌性最重要的因素。對(duì)改良型的308L焊條及埋弧焊絲焊劑進(jìn)行熔敷金屬焊接試驗(yàn)，通過(guò)化學(xué)成分分析計(jì)算出焊材鐵素體含量約為3 FN，經(jīng)過(guò)570 ℃×1 h熱處理后-196 ℃沖擊值大于50 J。

關(guān)鍵詞：308L;焊材;焊后熱處理;-196 ℃沖擊韌性

中圖分類號(hào)：TG422.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0135-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.25

0 前言

308L類不銹鋼焊材熔敷金屬標(biāo)稱化學(xué)成分為w（Cr）=19.5%、w（Ni）=10%，顯微組織通常為奧氏體+少量鐵素體，具有良好的抗裂性能。與308類不銹鋼焊材相比，通過(guò)限制其最大碳含量為0.03%或0.04%，可減少晶間碳化物的析出，在不使用穩(wěn)定化元素（如鈮或鈦）的情況下提高對(duì)晶間腐蝕的抵抗力[1]，常用于304L奧氏體不銹鋼的焊接。

304L奧氏體不銹鋼在低溫下不僅具有較高的強(qiáng)度，而且具有極優(yōu)良的低溫塑性和韌性，因而成為深冷低溫環(huán)境下應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)材料之一[2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的深冷低溫液體儲(chǔ)運(yùn)容器的設(shè)計(jì)溫度通常為-196 ℃～-183 ℃[3]，我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)（GB 150.4-2011）7.2.3條中規(guī)定設(shè)計(jì)溫度低于-192 ℃的鉻鎳奧氏體不銹鋼制容器，焊縫金屬-192 ℃夏比（V型缺口）沖擊吸收功不得小于31 J，而國(guó)內(nèi)外一些高、精、尖項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求焊縫金屬-192 ℃/-196 ℃沖擊功遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該數(shù)值，這些都對(duì)304L配套焊材（308L類）提出了更為嚴(yán)苛的要求，尤其是低溫韌性。

國(guó)內(nèi)某大型深冷低溫壓力容器項(xiàng)目為全不銹鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工作溫度為-196 ℃～-163 ℃，主材為304L，要求焊后熱處理后焊縫及熱影響區(qū)在77 K（-196 ℃）時(shí)低溫沖擊功（AKV2）不低于50 J。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知國(guó)內(nèi)外308L類焊材熔敷金屬-196 ℃沖擊功在25～60 J之間，但經(jīng)過(guò)焊后熱處理后熔敷金屬-196 ℃沖擊韌性國(guó)內(nèi)鮮有研究。文中通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外知名品牌308L類焊材進(jìn)行熔敷金屬焊接試驗(yàn)，研究其低溫韌性，同時(shí)聯(lián)合國(guó)內(nèi)焊材廠對(duì)308L類焊材進(jìn)行改良，提高其低溫韌性，結(jié)果滿足項(xiàng)目要求。

1 國(guó)內(nèi)外常規(guī)308L類焊材熔敷金屬焊接試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及方法

選用京雷、金威、伊薩、伯樂(lè)、天泰共5個(gè)品牌焊材進(jìn)行熔敷金屬焊接試驗(yàn)，焊接方法包括焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG），焊材型號(hào)、品牌、規(guī)格如表1所示。

按照GB/T 983-2012、GB/T 17854-2018、GB/T 29713-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工藝焊接22塊熔敷金屬試板，其中2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#、22#試板焊后進(jìn)行570 ℃×1 h熱處理。MIG焊保護(hù)氣體為w（Ar）98%+w（CO2）2%，焊接過(guò)程中控制層間溫度在150 ℃以內(nèi)。

1.2 熔敷金屬化學(xué)成分分析

按照GB/T 11170-2008、GB/T 20123-2006及GB/T 20124-2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熔敷金屬的化學(xué)成分分析，并根據(jù)WRC-1992鉻鎳當(dāng)量公式計(jì)算出熔敷金屬合金元素鉻鎳當(dāng)量比，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，308L類焊材熔敷金屬鉻鎳當(dāng)量比值在1.49～1.68之間，其中鎳含量在10%上下浮動(dòng)，鉻含量在19%上下浮動(dòng)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，氣保焊絲熔敷金屬碳含量基本高于0.03%，這是由于二元保護(hù)氣體中的活性氣體會(huì)產(chǎn)生明顯的增碳作用。焊條和氣保焊絲熔敷金屬中都含有0.04%～0.06%的N，是大氣中的氮?dú)馔ㄟ^(guò)焊接電弧進(jìn)入熔敷金屬。N是奧氏體形成元素，會(huì)顯著降低熔敷金屬中的鐵素體含量，通常焊縫金屬中增加0.04%N，鐵素體會(huì)損失3 FN或4 FN[4]，通過(guò)WRC-1992相組成圖可計(jì)算出308L類焊材熔敷金屬鐵素體為3～8 FN，由此可推算出常規(guī)308L類焊材鐵素體設(shè)計(jì)為6～12 FN。

1.3 -196 ℃沖擊試驗(yàn)

22塊試板熔敷金屬-196 ℃夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)值如表3所示。經(jīng)分析可知，常規(guī)308L類焊條、埋弧焊絲焊劑、氣保焊絲熔敷金屬-196 ℃沖擊功為24～48 J，與相關(guān)文獻(xiàn)基本吻合，經(jīng)過(guò)熱處理后，-196 ℃沖擊功劇烈下降，最高降幅達(dá)64%，難以滿足國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。不銹鋼及其焊縫金屬在室溫下對(duì)碳的溶解度很低，熱處理過(guò)程中溶解在奧氏體中的過(guò)飽和碳原子會(huì)大量擴(kuò)散于晶界中形成各種碳化物。由于熔敷金屬中存在一定量的鐵素體，而鐵素體對(duì)碳的溶解度比奧氏體低，促進(jìn)了鐵素體基體中碳化物的析出，同時(shí)縮短了碳化物的析出時(shí)間，使得析出向高溫?cái)U(kuò)展[5]，因此熱處理過(guò)程極大地促進(jìn)了鐵素體晶界中碳化物的析出，而晶間碳化物會(huì)極大降低熔敷金屬的低溫韌性。試板的熱處理在中型熱處理爐中進(jìn)行，由于爐體尺寸較大，無(wú)法采取有效措施控制冷卻速度，因此采用爐冷方式冷卻。采用爐冷方式冷卻速度較慢，570 ℃至400 ℃的平均降溫速度為29 ℃/h，導(dǎo)致試板在高溫區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在一定程度上增加了碳化物析出，這也是熔敷金屬低溫韌性急劇下降的原因之一。

由表2、表3可知，無(wú)論采用何種焊接方法，熔敷金屬-196 ℃沖擊功基本隨著鉻鎳當(dāng)量比的下降而升高。鉻鎳當(dāng)量比即鐵素體形成元素百分比之和與奧氏體形成元素百分比之和的比值，與熔敷金屬中鐵素體含量成正比，而鐵素體有降低韌度的傾向[6]，具有低溫脆性，會(huì)降低熔敷金屬的-196 ℃沖擊功。

2 影響308L類焊材熔敷金屬低溫韌性的因素

影響308L類焊材熔敷金屬低溫韌性的主要因素有：重要合金元素的含量、藥皮、藥芯或焊劑渣系類型、焊接方法、鐵素體含量。

（1）在組成308L類焊材的合金元素中，除Cr和Ni外，C和Mo元素對(duì)低溫韌性影響較大，Mo在奧氏體中的偏析傾向相對(duì)較強(qiáng)，含Mo較高的熔敷金屬?zèng)_擊韌性顯著降低，國(guó)內(nèi)外308L類焊材熔敷金屬M(fèi)o含量均較低（見(jiàn)表2），對(duì)低溫韌性的影響不大。C會(huì)增大鋼的脆性，對(duì)低溫沖擊韌性有一定影響[7]，而焊接過(guò)程中會(huì)增碳，因此即使是超低碳的焊材也要控制碳含量不能太高。

（2）由于堿性渣系的氧和夾雜物含量較少，相對(duì)于其他渣系韌性較好，然而對(duì)于奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，不同渣系的這種性能差別程度明顯小于低合金鋼的情況[8]。

（3）目前在工程上應(yīng)用最為廣泛的不銹鋼焊接方法為：SMAW、SAW、MIG。MIG焊常采用二元混合氣進(jìn)行保護(hù)，焊縫金屬中含有最少量的非金屬夾雜物，而焊條中的藥皮及埋弧焊劑參與焊接冶金反應(yīng)，殘留在焊縫中的非金屬夾雜物較多，還使焊縫增氧、增氫，這些都會(huì)降低焊縫的低溫韌性。但MIG焊熔深相對(duì)較小，在立焊位置焊接時(shí)，坡口兩側(cè)易產(chǎn)生細(xì)微的未熔合缺陷，立焊位置焊縫質(zhì)量可靠性不如焊條電弧焊。

（4）由1.3節(jié)分析可知，鐵素體能顯著影響熔敷金屬的低溫韌性，鐵素體含量越低，熔敷金屬低溫韌性越好，用于低溫環(huán)境的308L類焊材必須控制鐵素體含量不能太高。

綜上所述，308L類焊材熔敷金屬-196 ℃沖擊功要滿足項(xiàng)目要求，必須精確控制熔敷金屬合金成分，從而控制鉻鎳當(dāng)量比值，降低鐵素體含量。

3 改良型308L類焊材熔敷金屬焊接試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料及方法

京群焊接材料科技有限公司和哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司分別為本項(xiàng)目研制了改良型308L焊條和改良型308L埋弧焊絲及配套焊劑，材質(zhì)證書上熔敷金屬化學(xué)成分如表4所示。兩種焊材均提高了鎳含量，略微降低了鉻和碳含量，同時(shí)S、P、Si含量較低。

按照GB/T 983-2012、GB/T 17854-2018標(biāo)準(zhǔn)分別焊接2塊熔敷金屬試板，焊后在小型熱處理爐內(nèi)進(jìn)行570 ℃×1 h熱處理，控制570 ℃到400 ℃降溫區(qū)間內(nèi)降溫速度為60 ℃/h，冷卻到400 ℃后敞開(kāi)爐門冷卻。焊接過(guò)程中控制層間溫度≤150 ℃。

3.2 熔敷金屬化學(xué)成分及顯微金相分析

兩塊試板熔敷金屬化學(xué)成分如表5所示?？梢钥闯?，兩種焊材都通過(guò)提高鎳含量大幅降低了熔敷金屬鉻鎳當(dāng)量比，從而將鐵素體減少至1～2 FN，對(duì)照WRC-1992相組分圖可知，熔敷金屬合金元素比例位于AF凝固區(qū)域內(nèi)?？紤]到焊接過(guò)程中從空氣中進(jìn)入了少量N，推算出兩種焊材鐵素體設(shè)計(jì)約為3 FN。

對(duì)熱處理后的熔敷金屬進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，如圖1所示，1#和2#熔敷金屬金相組織均為奧氏體+少量鐵素體，其中1#奧氏體為樹(shù)枝狀和胞狀，2#奧氏體為樹(shù)枝狀，鐵素體存在于枝晶界和胞晶界，均為AF凝固模式，與表5分析結(jié)果一致。

3.3 -196 ℃沖擊試驗(yàn)

熔敷金屬-196 ℃夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)值見(jiàn)表6，均達(dá)到50 J以上，滿足項(xiàng)目技術(shù)要求。與常規(guī)308L焊條或埋弧焊絲相比，經(jīng)過(guò)改良后的焊材在焊后熱處理后-196 ℃沖擊值提高了100%以上，充分驗(yàn)證了鐵素體含量對(duì)低溫韌性的顯著影響。

對(duì)比上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過(guò)優(yōu)化308L類焊材中合金元素比例，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成分范圍內(nèi)降低鉻鎳當(dāng)量比值，保證鐵素體數(shù)在3 FN以內(nèi)，可以大幅提高308L焊材熔敷金屬的低溫韌性，經(jīng)570 ℃×1 h熱處理后-196 ℃沖擊功可達(dá)50 J以上。

4 結(jié)論

（1）308L類焊材鐵素體數(shù)通常為6～12 FN，SMAW、SAW、MIG焊熔敷金屬-196 ℃沖擊功為24～50 J，經(jīng)過(guò)570 ℃×1 h熱處理后，熔敷金屬低溫韌性顯著下降，-196 ℃沖擊功為10～25 J。

（2）焊縫金屬中鐵素體含量對(duì)低溫韌性具有顯著影響，鐵素體含量越低，低溫韌性越好，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成分范圍內(nèi)降低308L類焊材的鉻鎳當(dāng)量比值，控制鐵素體數(shù)在3 FN以內(nèi)，可使熔敷金屬在經(jīng)過(guò)570 ℃×1 h熱處理后-196 ℃沖擊功達(dá)50 J以上。

參考文獻(xiàn)：

[1] AWS A5.4/A5.4M：2012，Specification for Stainless Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding[S]. 2012.

[2] 陳勇，陸戴丁，孔韋海，等. 奧氏體不銹鋼深冷低溫沖擊試驗(yàn)方法研究[J]. 低溫與超導(dǎo)，2015（2）：47-50.

[3] 蔣國(guó)輝，李曉強(qiáng)，劉新儒，等. S30403不銹鋼焊縫金屬-196 ℃沖擊試驗(yàn)的探討[J]. 石油化工建設(shè)，2019，41（S1）：255-256.

[4] AWS A5.9/A5.9M：2017，Welding Consumables-Wire El-ectrodes，Strip Electrodes，Wires，and Rods for Arc Welding of Stainless and Heat Resisting Steels-Classification[S].

[5] Folkbard，E（德）. 不銹鋼焊接冶金[M]. 栗卓新，朱學(xué)軍，譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：102-154.

[6] John C.Lippold，Damian J.Kotecki（美）. 不銹鋼焊接冶金學(xué)及焊接性[M]. 陳劍虹，譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：157-158.

[7] 黃志紅，戴寶坤. 改善奧氏體不銹鋼焊縫低溫韌性的研究[J]. 航天制造技術(shù)，2002（5）：3-6.

[8] Graham Holloway，Adam Marshall，張筑耀. 液化天然氣（LNG）用超低溫不銹鋼的焊接及焊接材料[J]. 機(jī)械工人，2005（8）：35-40.