SUS304L用高韌性不銹鋼焊材選擇與性能研究

閔曉峰，王元興，吳夢先，潘伍覃，侯華東，蔣 杰

(1.武漢一冶鋼結構有限責任公司，武漢 430415；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000)

0 引言

SUS304L在深冷溫度下具有較高的強度和優(yōu)良的低溫韌性，常用于制作液氮、液氧、LNG等深冷壓力容器，是一種不可缺少的低溫工程材料[1-4]。SUS304L焊接接頭與母材相似，其抗拉強度和屈服強度隨著溫度的降低而提高，只要不誤用焊材，焊接接頭強度不是焊接的重點，但低溫韌性遠不如母材，屬于薄弱環(huán)節(jié)[5-7]。

與SUS304L配套的焊材熔敷金屬化學成分分類代號為308L(下面簡稱308L，其他類同)，常規(guī)308L類焊材熔敷金屬-196 ℃KV2約在24～50 J之間，經(jīng)去應力熱處理后，熔敷金屬低溫韌性會顯著下降[8]，難以達到GB/T 150—2011《壓力容器》中7.2.3條中規(guī)定的31 J。而國內(nèi)外一些項目設計要求產(chǎn)品去應力熱處理后，焊縫金屬-196 ℃，KV2大于50，60 J甚至80 J，采用常規(guī)308L類型焊材難以滿足要求。

本文以不同型號的配套焊材為對象，重點研究焊縫金屬-196 ℃，KV2及焊接工藝性能，以期選出幾種與SUS304L合理配套的高韌性不銹鋼焊材。

1 高韌性不銹鋼焊材選擇

影響不銹鋼沖擊韌性的因素有很多，但至關重要的是焊材熔敷金屬中鐵素體含量。采用熔敷金屬為超低碳全奧氏體或超低碳、少量鐵素體焊材是提高焊縫金屬低溫韌性最有效途徑。按照不銹鋼焊材熔敷金屬化學成分分類，3系列熔敷金屬為超低碳全奧氏體焊材有：316LMn，320，385，3155等，結合成本與焊接性考慮，焊接SUS304L高韌性焊縫最為合適的焊材為316LMn和385。高韌性熔敷金屬的焊材需通過合金化控制，優(yōu)化平衡Cr，Ni當量比，來降低鐵素體含量，同時又保持一定的抗熱裂紋敏感性，理論上最合適的不銹鋼焊材為308L，316L，317L。

2 試驗材料與方法

試驗母材為鞍鋼生產(chǎn)的SUS304L鋼板，試驗焊材選用大西洋E316LMn-15焊條、伊薩E385-16焊條、伯樂E317L-15(mod.)焊條、京雷E308L-16焊條、伊薩ER316L氬弧焊絲。鋼板和焊材熔敷金屬的化學成分見表1,2。根據(jù)化學成分計算Ni,Cr當量，按照WRC-1992相組分圖計算出的熔敷金屬中鐵素體數(shù)FN見表2。

表1 SUS304L鋼板化學成分Tab.1 Chemical composition of SUS304L steel plate %

表2 焊材熔敷金屬化學成分(%)及鐵素體數(shù)FNTab.2 Chemical composition (%) and number ferrite FN of deposited metal of welding consumables

使用上述焊材焊接5塊試板，試板規(guī)格為500 mm×300 mm×40 mm，對稱X形坡口，坡口角度為60°，焊接位置為立焊。焊條規(guī)格均為4.0 mm，ER316L焊絲規(guī)格為2.4 mm，多層多道焊，控制焊接線能量≤25 kJ/cm，控制層間溫度≤120 ℃。試板焊后經(jīng)無損檢測合格后,統(tǒng)一進行570 ℃×1 h熱處理，消除部分殘余應力。

3 焊縫金屬的組織

對5塊試板的焊縫金屬進行顯微組織評定，觀察位置為距離焊縫上表面1/4T處，如圖1所示。

圖1 焊縫金屬微觀組織Fig.1 Microstructure of weld metal

E316LMn-15和E317L-15(mod.)焊縫金屬的金相組織為枝晶狀奧氏體+微量鐵素體，微量的鐵素體存在于晶內(nèi)和晶界，為圖中黑色小點。E385-16焊縫金屬的金相組織為枝晶狀奧氏體+胞晶狀奧氏體，屬于典型的A凝固模式，由于在凝固時合金元素和雜質(zhì)的偏析，而在高溫時這些元素在奧氏體中的擴散能力又較弱，因而保留了在凝固時產(chǎn)生偏析的輪廓[9]，一般為鉻和鉬的碳化物，在晶界聚集，也有少量析出物在晶內(nèi)析出。E308L-16焊縫金屬組織與E316LMn-15相似，少量鐵素體分布在晶內(nèi)，為黑色小點。ER316L焊縫金屬為胞晶狀奧氏體+少量鐵素體，其中鐵素體分布在晶界上，為典型的AF凝固模式。

焊縫金屬的金相組織與計算出的鐵素體數(shù)基本吻合，根據(jù)WRC-1992相組分圖計算出的鐵素體數(shù)小于實際鐵素體含量，因此計算鐵素體數(shù)為0的焊縫金屬實際上仍可能含有微量鐵素體。

4 焊接接頭-196 ℃沖擊試驗

按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》對試板制取焊縫和熱影響區(qū)沖擊試樣，按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行-196 ℃沖擊試驗，結果如表3所示。

表3 焊縫和熱影響區(qū)沖擊吸收能量Tab.3 Impact energy absorption of weld and heataffected zone

熱處理狀態(tài)下，5種焊材焊縫金屬-196 ℃，KV2均大于50 J，沖擊吸收能量基本與鐵素體含量成反比。E385-16焊縫為全奧氏體組織，沖擊吸收能量最高。E316LMn-15和E317L-15(mod.)焊縫金屬-196 ℃，KV2在70 J以上，但E317L-15(mod.)焊縫金屬沖擊值比E316LMn-15低30 J以上，這可能是由于E317L-15(mod.)焊條中Mo含量較高所致，Mo在奧氏體中的偏析傾向相對較強，過多的Mo含量會增加焊縫金屬的低溫脆性[10]。

本次E308L-16焊條通過提高Ni含量，焊縫金屬低溫韌性大幅度提高，低溫性能優(yōu)于普通308L系列焊條。ER316L焊絲雖然鐵素體含量最高，但焊縫金屬-196 ℃沖擊值與E317L-15(mod.)焊條相當，這是由于TIG焊焊縫金屬比較純凈，含有最少量的顯微非金屬夾雜物，在各種溫度下均具有優(yōu)良的韌性[11]。

5塊試板熱影響區(qū)-196 ℃，KV2均在120 J以上，具有非常大的裕量，這與鋼板優(yōu)異的性能有關。同時，奧氏體不銹鋼與碳鋼相比，高溫熱影響區(qū)非常窄，不屬于焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。從圖2可以看出，SUS304L焊接接頭截面腐蝕后基本看不到熱影響區(qū)，而碳鋼十分明顯。

(a)SUS304L (b)Q345E

5 不銹鋼焊條的焊接工藝性能

5.1 脫渣性

按照GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》中第3.2.2條中的方法測試4種焊條的脫渣性，試板尺寸為400 mm×200 mm×16 mm，鈍邊為2 mm。采用2 kg的鐵球在離試板1.3 m高處以初速度為零的自由落體狀態(tài)錘擊試板中心，酸性焊條連續(xù)錘擊3次，堿性焊條連續(xù)錘擊5次，脫渣率見表4。2種國外焊條脫渣率很好，端頭都有引弧劑，不易黏條；E316LMn-15焊條脫渣率較好；E308L-16焊條脫渣率稍差，但不影響焊接操作，4種焊條焊道成型均良好。

表4 4種焊條焊縫金屬脫渣率Tab.4 Slag removal rate of four kinds of electrode weld metal

5.2 仰焊性能

采用規(guī)格為?3.2 mm的4種焊條進行仰焊試驗，試板尺寸為400 mm×300 mm×20 mm，仰焊前先采用氬弧焊進行雙面打底焊，焊道成型如圖3所示。

(a)E316LMn-15 (b)E385-16

從圖3可以看出，伊薩E385-16焊條焊道最為平整；其次是E317L-15(mod.)和E308L-16焊條，鐵水鋪展性較好，坡口兩側(cè)無深的溝槽，仰焊工藝性良好；大西洋E316LMn-15焊條，仰焊時容易黏條，對焊工技能要求高，如操作經(jīng)驗不足，容易出現(xiàn)夾渣缺陷。

6 壓板對接焊接裂紋試驗

為測試SUS304L采用4種焊條焊接時焊縫金屬熱裂紋敏感性，按照GB 4675.4—1984《焊接性試驗 壓板對接(FISCO)焊接裂紋試驗方法》進行試驗，試板尺寸為200 mm×240 mm×20 mm，組對間隙為3 mm，焊接線能量為30 kJ/cm，試驗結果如表5所示。

表5 壓板對接焊接裂紋試驗結果Tab.5 Crack test results of butt welding of pressure plate

4種焊條的焊縫金屬均未出現(xiàn)弧坑裂紋，但試板切割后斷面均有不同長度的熱裂紋。E316LMn-15焊條焊縫金屬由于具有較高的Mn含量，抗熱裂紋性能優(yōu)異，E308L-16焊條焊縫金屬含有一定量的鐵素體，裂紋率較低。E385-16和E317L-15(mod.)焊條焊縫金屬鐵素體含量極低，裂紋率相對較高，但均在7%以下，焊接熱裂紋傾向較小，但焊接過程中仍需要控制線能量，以免產(chǎn)生大量焊接熱裂紋。

7 應用情況

E316LMn-15焊材熔敷金屬為全奧氏體，低溫韌性很好，抗熱裂紋性能優(yōu)異，用于SUS304L焊接時對N含量可不做要求。大西洋E316LMn-15焊條除仰焊性稍差外，其他位置焊接工藝性能良好，目前應用于某SUS304L設備承壓殼體焊縫，效果良好。

E385-16焊條熔敷金屬為全奧氏體，低溫韌性優(yōu)異。伊薩E385-16焊條焊接工藝性能優(yōu)異，用于現(xiàn)場承壓殼體合攏焊縫全位置焊接，焊接一次合格率在95%以上。

市場上E308L-××焊條、E317L-××焊條、ER316L焊絲Ni含量一般靠近標準下限值，焊縫金屬-196 ℃，KV2難以達到50 J以上。京雷E308L-16焊條通過降低Cr，Ni當量的比值，減少焊縫金屬中鐵素體含量，焊縫金屬-196 ℃，KV2大幅度提高，每批焊材復驗結果均合格，但裕量不大，用于承壓殼體T型加強圈、支座、筋板等外附件的全位置焊接。伯樂E317L-15(mod.)焊條為改進型焊條，Ni，Mn,N含量均高于標準值，鐵素體含量極低，低溫韌性和焊接工藝性能良好，用于現(xiàn)場承壓殼體合攏焊縫全位置焊接。伊薩ER316L焊絲鎳含量在13%以上，低溫韌性良好，性能穩(wěn)定，用于SUS304L設備所有全熔透焊縫的打底焊接。

8 結論

(1)在570 ℃×1 h的熱處理條件下，化學成分分類代號為385和316LMn焊條，焊縫金屬為全奧氏體，低溫韌性優(yōu)異且穩(wěn)定性好，可用于SUS304L焊接接頭要求較高的設備焊接?；瘜W成分分類代號為308L，317L和316L的焊條和焊絲，通過優(yōu)化平衡Cr，Ni當量的比率，降低鐵素體含量，可以大幅度提高低溫韌性，當控制鐵素體數(shù)小于3時，焊縫金屬-196 ℃，KV2穩(wěn)定在50 J以上。

(2)焊縫金屬為全奧氏體焊材焊接時，需要嚴格控制線能量，防止出現(xiàn)熱裂紋，當焊材中Mn含量較高時，可以有效減少熱裂紋的產(chǎn)生。

(3)SUS304L焊縫金屬韌性要求較高，選用焊材時，需要對焊材低溫性能、焊接工藝性能、焊材成本、設計要求及運行工況進行綜合考慮，合理選用國內(nèi)外熔敷金屬為超低碳全奧氏體或超低碳、少量鐵素體焊材，在保證質(zhì)量的前提下，避免對焊材性能要求過高而增加成本。