閔曉峰 潘伍覃 吳夢先 侯華東 祝強

摘要：結(jié)合試驗數(shù)據(jù)與文獻資料，分析出385、316LMn、316L、改良型308L四種焊材能夠用于超低溫304L奧氏體不銹鋼的焊接，并能滿足焊縫金屬-196 ℃沖擊功≥50 J的要求。對385、316LMn、改良型308L焊條及316L氬弧焊絲分別進行焊接工藝評定試驗，各項力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，對照焊縫化學(xué)成分及-196 ℃沖擊試驗數(shù)據(jù)，證明了隨焊縫金屬中鐵素體含量的增加，沖擊值明顯降低，鎢極氣體保護焊焊縫超低溫韌性優(yōu)于焊條電弧焊。通過控制四種焊材鐵素體數(shù)在2 FN以內(nèi)，可以使焊縫金屬-196 ℃沖擊功大于50 J。

關(guān)鍵詞：304L;超低溫;鐵素體;焊材;-196 ℃沖擊功

中圖分類號：TG457.11 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0108-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.22

0 前言

隨著國際化工及能源物流的快速發(fā)展，不銹鋼儲罐、船罐、集裝箱等被廣泛應(yīng)用于化工、軍工、能源等物資運輸與儲存中。304L奧氏體不銹鋼因其優(yōu)良的低溫韌性及良好的耐蝕性被廣泛應(yīng)用于液氮儲罐、LNG船罐及大型低溫設(shè)備的建造。

用于儲存液氮、液化天然氣或是運行介質(zhì)為氮氣的設(shè)備，其設(shè)計使用溫度為-196～-163 ℃，焊接接頭夏比V形缺口沖擊試驗溫度一般都規(guī)定在-196 ℃進行。雖然我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫金屬的-196 ℃沖擊吸收功（KV2）≥31 J[1]，但國內(nèi)外一些高、精、尖項目設(shè)計要求的焊縫金屬-196 ℃沖擊值遠遠大于該數(shù)值。例如，國內(nèi)某大型低溫容器設(shè)計要求焊接接頭在熱處理后-196 ℃沖擊值≥50 J，ITER國際熱核聚變實驗堆項目要求焊縫-196 ℃沖擊值≥60 J，這些都對配套焊材提出了更為嚴(yán)苛的要求，尤其是超低溫韌性。

文中通過對幾種不同型號的焊材進行焊接工藝評定試驗，研究焊接接頭的力學(xué)性能特別是超低溫韌性，以期選出幾種與304L不銹鋼配套的且焊縫金屬-196 ℃沖擊值≥50 J的超低溫焊材。

1 影響低溫韌性的因素

影響低溫韌性的因素有很多，如焊縫中組織的均勻性、焊絲表面處理、焊縫中非金屬夾雜物、焊條藥皮類型、焊縫中鐵素體含量等。其中鐵素體含量對于低溫韌性的影響是最重要、也是最顯著的。通常焊縫中鐵素體含量越低，焊縫低溫韌性越好[2]，這是由于鐵素體屬于體心立方結(jié)構(gòu)，韌性不如奧氏體，同時鐵素體對碳的溶解度比奧氏體低[3]，焊縫低溫脆性對鐵素體含量非常敏感。因此必須優(yōu)化焊材的鉻鎳當(dāng)量比，控制熔敷金屬的鐵素體含量，以滿足焊縫金屬低溫韌性的要求。

2 超低溫焊材選用分析

目前焊接304L最常用的焊材為308L，為確保焊縫金屬具有足夠的抗結(jié)晶裂紋能力，焊材在成分設(shè)計上會確保熔敷金屬中含有7～12 FN鐵素體。為驗證常規(guī)308L焊材熔敷金屬-196 ℃沖擊值能否達到50 J的要求，對國內(nèi)外知名品牌的308L焊材熔敷金屬進行-196 ℃沖擊測試，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，常規(guī)308L焊材完全無法滿足焊縫金屬-196 ℃沖擊功50 J的要求，特別是經(jīng)過570 ℃×1 h熱處理后，低溫韌性大幅度下降，對應(yīng)用于超低溫環(huán)境下的焊材，必須進一步減少熔敷金屬中的鐵素體含量。目前國標(biāo)對于不銹鋼焊材沒有鐵素體含量的相關(guān)規(guī)定，但部分國外標(biāo)準(zhǔn)對此有所規(guī)定，例如，API 582指導(dǎo)規(guī)范要求鐵素體必須高于3 FN，但同時該規(guī)范也指出，對于超低溫應(yīng)用，較低一些的鐵素體含量也許是必須的[4]。AWS A5.4標(biāo)準(zhǔn)附件中建議盡量減少焊縫金屬中的鐵素體，最大為3 FN，或不含鐵素體。按照如上標(biāo)準(zhǔn)的建議，可選的超低溫焊材有三種：鎳基焊材、超級奧氏體不銹鋼焊材、少量鐵素體含量焊材。

2.1 鎳基焊材

鎳基焊材的含鎳量基本在50%以上，因此焊縫組織為全奧氏體，鐵素體含量為0。筆者曾采用鎳基焊材進行了304L的焊接工藝評定，焊接接頭各項力學(xué)性能滿足NB/T 47014標(biāo)準(zhǔn)要求，-196 ℃沖擊功均大于50 J。但是由于鎳基焊材價格昂貴，同時屬于高匹配的填充材料，母材與焊縫之間會形成“電池腐蝕”效應(yīng)，對母材造成一定程度的腐蝕，因此不推薦采用鎳基焊材。

2.2 超級奧氏體不銹鋼焊材

超級奧氏體不銹鋼焊材即全奧氏體焊材，由于鐵素體含量為0或微量，理論上具有極好的超低溫韌性，焊縫金屬-196 ℃沖擊功會有極大的裕量。按照AWS A5.4不銹鋼電焊條標(biāo)準(zhǔn)，超級奧氏體不銹鋼焊材有如下幾種：310系列、316LMn、320系列、330、385、3155、31-33。其中310、330碳含量較高，不利于抗晶間腐蝕;383、320、33-31鎳含量太高，經(jīng)濟效益差;3155屬于高碳含鈮穩(wěn)定化焊材，也不適用于304L低碳不銹鋼的焊接。因此合適的焊材為316LMn與385。

2.3 含少量鐵素體焊材

除超級奧氏體不銹鋼焊材外，能夠控制合金成分、限制鐵素體含量在一定范圍內(nèi)的焊材理論上也能滿足-196 ℃沖擊功≥50 J的要求。這類焊材的鐵素體含量極低，能夠滿足超低溫韌性的要求，同時焊縫中又含有少量鐵素體，能夠保持一定的抗裂性，是最適合的焊材。這類焊材主要有：316L、改良型的308L。

根據(jù)WRC-1992相組分圖計算可知，316L理論上最高鐵素體含量為3 FN，可用于超低溫環(huán)境。AWS A5.4第9.3.3.4條中有說明：對于低溫環(huán)境有沖擊要求的產(chǎn)品，316L焊材是首選，因為它容易獲得不含鐵素體的焊縫，并保持抗裂性[5]。改良型的308L焊材即降低Cr含量的上限，提高Ni含量的下限，調(diào)整鉻鎳當(dāng)量比，從而降低鐵素體含量，提高超低溫韌性。例如，英國曼徹特焊接材料公司將專門用于LNG設(shè)施的不銹鋼焊材熔敷金屬鐵素體含量控制在2～5 FN，稱為控制鐵素體焊材，即CF焊材（controlled ferrite）。國內(nèi)武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司聯(lián)合昆山京群焊材聯(lián)合開發(fā)了一種限制鐵素體含量的改良型308L焊條，其熔敷金屬化學(xué)成分和沖擊性能如表2和表3所示。

3 焊接工藝評定試驗

3.1 試驗材料

焊接試驗?zāi)覆臑?04L，屬于18-8型鋼范圍，但在此基礎(chǔ)上對合金元素含量有所調(diào)整，與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)相比，降低了Si元素含量，以提高材料焊接性能，降低了雜質(zhì)元素S、P的含量，提高了奧氏體穩(wěn)定元素Ni的下限指標(biāo)，其主要化學(xué)成分見表4。焊接材料分別為E385-16、E316LMn-15、E308L-16、ER316L，熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合GB/T 983及GB/T 29713標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 試驗方法

分別采用焊條電弧焊及手工鎢極氣體保護焊焊接4塊試板，試板規(guī)格為500 mm×150 mm×40 mm，雙面X形坡口，坡口的根部間隙為3 mm，鈍邊為0 mm，試板采用多層多道焊，主要焊接工藝參數(shù)見表5。焊接位置為立焊，保護氣體為純度≥99.99%的氬氣，采用直磨機清根，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(yīng)力。

3.3 力學(xué)試驗結(jié)果

4塊試板焊接過程中沒有發(fā)現(xiàn)熱裂紋，熱處理后按照NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進行拉伸、彎曲、沖擊試驗，結(jié)果如表6、表7所示。

由表可知，焊接接頭的各項力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明這4種型號的焊材能夠用于304L奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備的焊接，且具有良好的超低溫韌性。焊縫金屬即使經(jīng)過熱處理其-196 ℃沖擊值也均大于50 J，其中焊條385和316LMn沖擊值相當(dāng)，約為101 J，焊絲316L沖擊值約為74 J，都具有較大的裕量，308L焊條沖擊值最低，約為56 J。

3.4 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)分析焊縫的化學(xué)成分，結(jié)果如表8所示。按照WRC-1992相組分圖計算出焊縫金屬的鐵素體含量，其中焊條385和316LMn近乎為全奧氏體焊材，焊絲316L和焊條308L的鐵素體數(shù)約為2 FN，與上述分析結(jié)果一致。

3.5 結(jié)果比照分析

對比表7和表8可知，焊縫金屬中的鐵素體含量直接影響其超低溫韌性，鐵素體含量越低，焊縫金屬的超低溫韌性越好，反映到量化的數(shù)值上就是

-196 ℃沖擊功越高。但鐵素體含量并不是唯一影響焊縫金屬超低溫韌性的因素，焊接方法也至關(guān)重要，雖然3#與4#試板焊縫金屬鐵素體含量相當(dāng)，但沖擊值相差約20 J，這是由于焊條電弧焊的藥皮會參與熔池冶金過程，焊縫中存在非金屬夾雜物，從而降低焊縫金屬的超低溫韌性，相對于鎢極氣體保護焊，焊條電弧焊線能量大，也會在一定程度上降低焊縫金屬的超低溫韌性。

對于304L奧氏體不銹鋼用超低溫焊材，可選用385、316LMn、316L、308L四種類型焊材，通過控制熔敷金屬鐵素體數(shù)在2 FN以內(nèi)，可以使焊縫金屬

-196 ℃沖擊功大于50 J，即使經(jīng)過570 ℃×1 h的去應(yīng)力熱處理，也能維持良好的超低溫韌性。

4 結(jié)論

（1）采用不同型號的焊材、相同的SMAW焊接工藝，40 mm厚304L不銹鋼焊接試板的焊縫-196 ℃沖擊值隨焊縫金屬中鐵素體含量的增加明顯降低。

（2）采用鐵素體含量相同的焊材進行焊接，鎢極氣體保護焊焊縫超低溫韌性優(yōu)于焊條電弧焊。

（3）對于超低溫304L奧氏體不銹鋼，可選用385、316LMn、316L、308L四種類型的焊條或焊絲進行焊接，通過控制其熔敷金屬鐵素體含量在2 FN以內(nèi)，可以使焊縫金屬-196 ℃沖擊功大于50 J。

參考文獻：

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[2] 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：機械工業(yè)出版社，2008：157-158.

[3] Folkbard E. 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.

[4] 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]. 機械工人，2005（8）：35-40.

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