奧氏體不銹鋼焊條焊縫金屬低溫韌性試驗(yàn)

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(chǔ)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(huì)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(duì)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(duì)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?zèng)_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(duì)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(duì)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(cè)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(hào)1～5不銹鋼焊條焊縫金屬鐵素體含量對(duì)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(chǔ)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(cè)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(duì)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(duì)比試驗(yàn)，分析成分對(duì)低溫沖擊韌性的影響。圖3示出對(duì)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(duì)比

(4)第4組試驗(yàn)：對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?zèng)_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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)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(huì)提高δ鐵素體相和σ相析出，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(huì)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(huì)有σ脆性相的析出，當(dāng)存在鐵素體相，σ相的形成溫度會(huì)更低(500～800 ℃)，這些有害相的析出將會(huì)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(duì)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(duì)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。