海水淡化設備用不銹鋼焊接接頭組織和性能的研究

辛偉++張艷

摘 要：該文采用H03Cr19Ni14Mo3焊絲+E317L-16焊條對海水淡化設備用317L不銹鋼進行焊接，經過試驗測得焊接接頭拉伸強度最低值為610 MPa，低溫沖擊值在35 J以上，彎曲及晶間腐蝕試驗合格，確定該焊接接頭具有良好的綜合性能，并結合顯微組織分析焊接組織與性能之間的關系，最終確定1 040 ℃為317L不銹鋼焊接接頭最佳固溶熱處理溫度。

關鍵詞：317L不銹鋼 焊接接頭 固溶處理

中圖分類號：TG441.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0063-04

Studies on Microstructures and Physical Properties of Stainless Steel Welding Joint applied in Saline Water Conversion Facilities

Xin Wei1 Zhang Yan2

（1.Special Equipment Safety Supervision Institute of Jiangsu Province（Zhangjiagang branch）；2.School of Materials Science and Eng.， Jiangsu University of Science and Technology， Zhangjiagang Jiangsu， 215600， China）

Abstract：Using H03Cr19Ni14Mo3 wire + E317L-16 electrode weld 317L stainless steel， by testing the tensile strength as measured minimum value 610 MPa， low-temperature impact value above 35 J， bending and crystallization corrosion， in order to be determined that the welded joint has a good overall performance， and combined with microstructure analysis of the relationship between microstructure and properties of the weld. Finally hardness by microstructure analysis identified that 1 040 ℃ is optimal solution heat treatment temperature of 317L stainless steel welded joint.

Key Words：317 stainless steel； Welding joints； Solution treatment

317L不銹鋼不僅具有良好的耐高溫性能和優良的力學性能，而且還具有優良的耐腐蝕性能[1-2]，因此被廣泛應用于海水凈化蒸發器的殼體、核電站、壓力容器等裝置中。焊接是這些裝置在生產過程中不可缺少的關鍵工藝過程，焊接接頭的性能直接影響裝置的服役壽命及可靠性[3]。文章通過對317L不銹鋼焊接接頭組織和性能進行研究，為317L不銹鋼在腐蝕環境下工藝裝置中的進一步應用提供理論依據。

1 實驗材料與方法

此實驗取用兩塊尺寸為650 mm×130 mm×10 mm的317L不銹鋼試塊，加工組成60°“V”型坡口，并采用焊絲為H03Cr19Ni14Mo3氬弧焊打底以及E317L-16焊條手工焊蓋面的工藝水平位置焊接制備一塊試板（其中焊接母材及焊材的化學成分分別如表1及表2所示；氬弧焊焊接參數為電流120～140 A，電壓16～17 V，焊接速度14～16 cm/min，焊絲直徑2.0 mm；手工焊焊接參數為電流130～150 A，電壓23～25 V，焊接速度16～18 cm/min，焊絲直徑4.0 mm）。按照承壓設備焊接工藝評定[4]流程，垂直于焊縫方向去除兩端頭各25 mm，再分別從兩端往中心依次各截取沖擊試樣（包含焊縫、熔合區及母材區域共9件）、拉伸試樣1件、面彎及背彎試樣各1件，試樣尺寸及數量符合承壓設備焊接工藝評定[4]要求，另外制備尺寸為100 mm×20 mm×4 mm的焊縫晶間腐蝕試樣2件。通過英斯特朗LX300液壓萬能試驗機、PTM4450型金屬擺錘式沖擊試驗機、HXD—1000TMSC型號顯微硬度計、蔡司Imager A2m金相顯微鏡等測試317L不銹鋼焊接接頭各項性能指標。再制備一組試樣，在1 020 ℃～1 060 ℃溫度范圍內進行固溶試驗（熱處理時間按照1h/25.4mm確定[5]），而后進行硬度測試及金相顯微組織分析。

2 實驗結果分析

2.1 焊接接頭性能與組織分析

2.1.1 性能測試

拉伸試驗測得焊接接頭室溫下抗拉強度分別為616 MPa、620 MPa，試樣均在焊縫熔合區發生塑性斷裂，抗拉強度均高于520 MPa（現行GB24511-2009材料標準規定值）。緊接著對焊接接頭進行彎曲試驗，試樣在室溫下彎曲半徑為40 mm，彎曲角度達180°，未見斷裂，焊縫凸表面未現裂紋現象，彎曲性能良好，由此可見，317L不銹鋼采用當前焊接工藝焊接接頭具有良好的力學性能，符合工程應用要求。

表3為-104 ℃溫度下焊接接頭的沖擊韌性試驗結果，由表3可以看出，低溫沖擊功焊縫區最低，熱影響區其次、母材區最高，焊縫區平均沖擊功為39 J，最低沖擊值為35 J，兩者均高于NB47014-2011標準規定值34 J，且測量的側向膨脹量均大于0.38 mm[5] 符合ASME標準規定，低溫使用性能良好。

2.1.2 顯微組織分析

圖1為焊接接頭顯微組織形貌，其中（a）為焊縫熔合區低倍組織形貌，可以看出圖片左側為母材，保留著晶粒清晰的原始奧氏體組織，熔合線明顯，往焊縫側區域顏色偏暗，呈現黑白顆粒相間分布。這可理解為熔合線隨著焊接輸入溫度升高，部分晶粒融化形成熔合線，母材碳等雜質元素向焊縫方向遷移，并與焊縫Cr、Mo、Ni、Si等元素形成碳化鉻、碳化鉬等各種化合物或金屬間化合物，隨著焊縫快速冷卻，熔合線率先形核凝固，由于導熱的方向性，晶粒優先垂直于焊縫生長，一般金屬焊縫會形成明顯粗大的柱狀晶，但結合圖（b）高倍組織形貌只發現有黑色的鐵素體或碳化物混合相間組織，其鐵素體或碳化物的分布呈現出與柱狀晶長大方向呈現一致性，由熔合區向焊縫區呈帶狀分布，但未呈現出明顯較大狹長的柱狀組織。出現這種情況可能是因母材及高鉬焊材導致焊縫Mo含量較高，Mo作為穩定擴大鐵素體區間元素，在奧氏體焊縫冷卻過程中，首先促進生成大量鐵素體，隨著溫度繼續降低，在C、Ni等奧氏體穩定元素作用下鐵素體轉變為室溫奧氏體，由于體積的限制轉變奧氏體比列有限，Mo元素在焊縫熔合線附近起到了細化晶粒作用，阻礙了柱狀晶的長大。圖（c）為焊縫區顯微組織，可以看到奧氏體基體呈現白色的骨狀或條狀，其間上均勻地分布著大量的黑色顆粒狀是鐵素體，或是碳化物，或是金屬相化合物。相比較圖（b）熔合區組織，可以看出焊縫區奧氏體含量較高，而熔合區鐵素體較多，其他雜質元素或化合物等偏聚，造成拉伸試驗中接頭試樣較易斷裂在焊縫邊緣熔合區；同時，比較兩者晶粒度發現，焊縫區較熔合區晶粒度顯著偏大，呈現柱條狀，這與實驗沖擊韌性值也較低相吻合。

2.1.3 耐晶間腐蝕試驗

按GB∕T4334中E法不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法進行焊縫晶間腐蝕試驗，試樣放置在硫酸銅溶液中保持微沸16 h后，并進行180°彎曲測試，焊縫表面在10倍放大鏡下無任何裂紋，證明焊縫具有良好的耐晶間腐蝕能力。

2.2 固溶熱處理

對焊接接頭進行固溶熱處理，實驗結果如圖2所示。圖2為不同固溶溫度下焊接接頭（包括焊縫區與熔合區）的金相顯微組織，白色奧氏體基體上分布點狀、線狀的鐵素體或碳化物及金屬化合物等，其中碳化物及其他金屬化合物硬而脆，容易腐蝕呈現黑色，黑色組織偏聚的區域顯微硬度變高，其分布情況也決定了硬度的分布，結合圖1焊態接頭組織形貌可以發現，固溶熱處理后焊縫及熔合區黑色鐵素體或碳化物等組織熔入基體，白色的奧氏體基體成分增大，硬度強度也將降低，隨著固溶熱處理溫度由1 020 ℃升高到1 060 ℃，這種現象也會越來越明顯。比較圖2（a）～（c）熔合區顯微組織可以看出，在1 020 ℃固溶熱處理后，熱影響區母材晶粒度較小，與焊態母材相當，隨著部分黑色碳化物等組織熔入基體，呈現細條狀相間方向性分布，隨著固溶溫度提高到1 040 ℃，黑色區域不斷縮小，絕大部分碳化物及其他金屬化合物等更多地溶解入奧氏體內，分布由條狀變成絲狀，熔合區碳化物呈彌散分布，在1 060 ℃時，方向性平行分布的碳化物等完全消失，呈現粗針狀鑲嵌在粗大的奧氏體晶粒上，碳化物彌散度降低，有可能減少組織均勻性，降低顯微硬度，并且母材的晶粒過分長大，又可能進一步增加材料軟化風險。圖2（d）～（f）中，焊縫的顯微組織中黑色碳化物或鐵素體等呈顆粒狀均勻分布在奧氏體基體上，隨著固溶溫度的提高，碳化物不斷熔入焊縫，奧氏體骨狀或柱狀結晶逐漸表小，碳化物彌散度分布均勻化。在1 040 ℃固溶處理相比1 020 ℃而言，焊縫組織晶粒較為細化，碳化物較細小等彌散度較高，當1 060 ℃固溶時由于溫度過高，碳化物等硬質相過分細小，彌散強化作用有所削弱，硬度也會體現出來。從金相組織看來，固溶熱處理溫度控制在1 040 ℃，焊接接頭應有較良好的綜合性能。

圖3為焊接接頭硬度試驗值，由其可以看出，焊縫區硬度最高（在180～206 HB），沿母材區方向逐漸平滑降低，幅度逐漸降低至130～170 HB之間波動，4條硬度曲線中，焊態接頭硬度最高，1 040 ℃固溶熱處理次之，1 060 ℃固溶熱處理最低。結合熱處理前后組織分析可以知道，焊態接頭碳化物等硬質相未發生熔解，整體硬度強度都較高，固溶熱處理后，硬質相逐漸熔入奧氏體基體，焊接接頭各部分硬度值也隨之降低。比較不同固溶溫度的硬度可以發現，固溶溫度為1 020 ℃時，母材及熔合區的硬度值均低于熱處理前的硬度，但離散度較大，熔合區的個別硬度值甚至高于未熱處理前硬度值，焊接組織應力有可能未完全消除，當固溶溫度在1 040 ℃時，母材硬度略有降低，幅度波動較小，熔合區硬度值降低，趨近于母材的硬度，焊接接頭表現出良好的力學性能；但固溶溫度為1 060 ℃時，整條曲線的硬度值遠低于未熱處理前的硬度，熔合區硬度值甚至低于母材硬度，焊接接頭有可能出現軟化的風險。

3 結論

（1）采用H03Cr19Ni14Mo3焊絲+E317L-16焊條焊接317L不銹鋼，其焊接接頭具有良好的綜合力學性能及耐腐蝕性能。

（2）固溶熱處理能改善317L不銹鋼焊縫性能，其中固溶溫度在1 040 ℃時焊接接頭具有最優良的綜合性能。

參考文獻

[1] （美）John C.Lippld，Damian J.Kotechi.Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels[M].機械工業出版社，2008：129-146.

[2] 于啟湛，丁成鋼，史春元，等.不銹鋼的焊接[M].機械工業出版社，2009：107-126.

[3] 霍更國.奧氏體不銹鋼316L與雙向不銹鋼2205焊接工藝及問題分析[J].河北電力技術，2007，26（3）：53-54.

[4] 承壓設備焊接工藝評定（NB/T47014—2011）[S].國家能源局，2011.

[5] ASME Boiler and Pressure Vessel Code II， VIII and IX[M].The American Society of Mechanical Engineers，2015.