304L(D)雙牌號(hào)不銹鋼埋弧焊工藝及性能試驗(yàn)

張瑩瑩 崔巍 高磊

摘要：某公司制作的常減壓裝置材質(zhì)為304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼，為研究其焊接性能，分別對(duì)304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼、普通的304L不銹鋼和304不銹鋼進(jìn)行了埋弧焊試驗(yàn)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了宏觀檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)及組織性能等對(duì)比分析，得到了304L（D）鋼埋弧自動(dòng)焊工藝參數(shù)，并驗(yàn)證了其焊接性能優(yōu)勢(shì)，為304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞：304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼;埋弧焊;焊接試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG457.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0106-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.21

0? ? 前言

304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼是兼具304良好的力學(xué)性能和304L優(yōu)質(zhì)的耐晶間腐蝕性能的新牌號(hào)鋼種[1]，L代表低碳，D代表綜合304及304L兩個(gè)牌號(hào)的性能。304L（D）不銹鋼在高溫領(lǐng)域表現(xiàn)良好，是石化行業(yè)用鋼未來(lái)研究和推廣的熱點(diǎn)之一。某公司為中海石油煉化有限責(zé)任公司制作的常減壓裝置不銹鋼換熱器材質(zhì)選用304L（D）。為準(zhǔn)確掌握該不銹鋼的焊接工藝參數(shù)，避免在焊接過(guò)程中產(chǎn)生缺陷，對(duì)其進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。

1 焊接試驗(yàn)

1.1 母材及焊接材料

選用304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼、304L不銹鋼和304不銹鋼三種母材，其化學(xué)成分如表1所示。

可以看出，304L（D）的N含量較304L與304明顯增加。N作為固溶強(qiáng)化元素能夠提高奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，且并不降低其塑韌性[2]。此外，N會(huì)降低和阻礙Cr的碳化物在晶界析出，減緩Cr的擴(kuò)散速度，并且降低M23C6的晶格參數(shù)，增加界面位錯(cuò)，減緩碳化物的生長(zhǎng)速度，阻礙其形核與長(zhǎng)大[3-4]，從而提高不銹鋼的耐腐蝕性。

鑒于焊接材料的強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)“ 同成分、等強(qiáng)度 ”原則[5]。選用GWS-308LM焊絲（φ4.0 mm）、GWS-300焊劑進(jìn)行埋弧焊，焊絲化學(xué)成分如表2所示?？紤]到試驗(yàn)的可對(duì)比性，304L和304埋弧焊試驗(yàn)也采用相同的焊材。

1.2 焊接試件的制備

選取兩塊尺寸為500 mm×130 mm×58 mm的304L（D）不銹鋼試板，采用火焰切割方式開X型坡口，坡口角度60°，鈍邊5 mm，組對(duì)間隙1 mm，如圖1所示。焊接前對(duì)坡口進(jìn)行去油、去污徹底清理，并進(jìn)行點(diǎn)固焊。304L和304埋弧焊試件采用相同的制備與組對(duì)方式。

1.3 焊接工藝參數(shù)的選擇

制定304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼埋弧焊焊接參數(shù)如表3所示，焊接接頭如圖2所示，注意在每層焊接之前都要做好清根處理，嚴(yán)格控制雜質(zhì)，保證焊縫質(zhì)量。304L和304埋弧焊工藝參數(shù)與304L（D）相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀檢測(cè)

對(duì)試驗(yàn)的三種焊縫進(jìn)行目視檢測(cè)，焊縫成形良好，無(wú)裂紋，咬邊，氣孔夾渣等缺陷。

2.2 無(wú)損檢測(cè)

采用射線檢測(cè)方法，未發(fā)現(xiàn)缺陷，試驗(yàn)產(chǎn)品技術(shù)等級(jí)Ⅱ級(jí)合格，焊縫質(zhì)量符合NB/T47013.2-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》的規(guī)定[6]。

2.3 焊縫顯微組織

304L（D）、304L、304埋弧焊對(duì)接接頭金相形貌分別如圖3～圖5所示。

由圖可知：三種母材均為大小均勻的奧氏體等軸晶組織，且在晶界處分布有條狀鐵素體，但是304不銹鋼的母材晶粒尺寸相對(duì)較大;圖中均可觀察到明顯的熔合線，熔合線左側(cè)為母材及熱影響區(qū)，右側(cè)為焊縫，且焊縫與母材的晶粒形狀差異較大;焊縫的晶粒生長(zhǎng)方式具有相似規(guī)律，均是靠近熔合線處呈柱狀晶生長(zhǎng)，逐漸伸向焊縫中心，由于焊縫中心溫度較高，促進(jìn)焊縫晶粒加速長(zhǎng)大，晶粒數(shù)量也增多，大量晶粒還未長(zhǎng)大即互相接觸，從而阻礙生長(zhǎng)，所以焊縫中心處晶粒細(xì)小且數(shù)量多。304L和304焊縫晶粒組織的方向性相對(duì)較明顯，大大降低了其力學(xué)性能。304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼焊縫的晶粒組織更加細(xì)小、均勻，能有效保證焊縫強(qiáng)度。

2.4 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

已知304的強(qiáng)度高于304L。因此對(duì)304L（D）和304焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

2.4.1 室溫拉伸試驗(yàn)

根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》，使用WEW-1000D數(shù)顯液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)304L（D）不銹鋼焊接接頭和304不銹鋼焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在厚度方向上均勻分層取樣，試樣尺寸及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，304L（D）不銹鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度均高于BCEQ-9363/A1《低溫用雙牌號(hào)不銹鋼制壓力容器制造技術(shù)條件》中規(guī)定母材的最低抗拉強(qiáng)度520 MPa，304不銹鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度值均高于GB24511-2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》中規(guī)定母材的最低抗拉強(qiáng)度520 MPa。試樣斷裂部位于母材，可見(jiàn)304L（D）不銹鋼和304不銹鋼的焊接接頭強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 彎曲試驗(yàn)

根據(jù)NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》，當(dāng)母材厚度≥20 mm時(shí)，用2個(gè)橫向側(cè)彎試樣代替1個(gè)面彎試樣和1個(gè)背彎試樣。試驗(yàn)?zāi)覆暮穸葹?8 mm，故只進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)即可。試驗(yàn)結(jié)果無(wú)裂紋及其他缺陷出現(xiàn)，焊接接頭彎曲試驗(yàn)合格。

2.4.3 顯微硬度檢測(cè)

對(duì)304L（D）、304不銹鋼埋弧焊接頭進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖6所示，硬度變化趨勢(shì)分別如圖7、圖8所示。從整體來(lái)看，304L（D）不銹鋼對(duì)接接頭硬度明顯高于304不銹鋼。由圖3、圖5對(duì)比可知，304L（D）埋弧焊焊接接頭的晶粒小于304埋弧焊焊接接頭的晶粒，而晶粒越小，晶界越多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙越大，材料形變的阻力就越大，硬度也就越高。

2.5 晶間腐蝕試驗(yàn)

已知304L不銹鋼接頭的耐蝕性好于304，故在此對(duì)304L（D）不銹鋼與304L不銹鋼焊接接頭進(jìn)行了晶間腐蝕性能試驗(yàn)。根據(jù)公式：

式中 W前為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量（單位：g）;W后為試驗(yàn)后試樣質(zhì)量（單位：g）;S為試樣總面積（單位：m2）;t為試驗(yàn)時(shí)間（單位：h）。304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼與304L不銹鋼埋弧自動(dòng)焊接頭的晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9、圖10所示?？梢钥闯觯海?）兩種焊接接頭母材與焊縫的晶間腐蝕速率均隨腐蝕溶液濃度的增加而加快，母材的腐蝕速率明顯高于焊縫，且母材的腐蝕速度增加較快，但是焊縫的晶間腐蝕速率變化較為平穩(wěn)。證明焊縫的耐晶間腐蝕性優(yōu)于母材;（2）304L（D）不銹鋼埋弧焊對(duì)接接頭晶間腐蝕性優(yōu)于304L不銹鋼的。

3 結(jié)論

（1）焊接試驗(yàn)結(jié)果證明，304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼埋弧焊焊材及工藝合理，對(duì)接接頭性能滿足要求，工藝參數(shù)可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。

（2）304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼的N、Ni、Cr含量均高于304L不銹鋼和304不銹鋼，特別是N元素的含量增加了約50%，有效保證了304L（D）不銹鋼的耐腐蝕能力。

（3）304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼、304L不銹鋼和304不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能和抗腐蝕能力均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求。在同時(shí)要求有優(yōu)良的力學(xué)性能和腐蝕性能的特定介質(zhì)環(huán)境中，304L（D）雙牌號(hào)不銹鋼的應(yīng)用前景更廣。

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