316L不锈钢容器打底焊接新工艺的开发研究

仲继彬 舒欣欣 刘斌 张剑利

海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津塘沽 300450

316L不锈钢容器打底焊接新工艺的开发研究

仲继彬 舒欣欣 刘斌 张剑利

海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津塘沽 300450

本文通过力学性能测试、显微组织分析和点蚀试验等方法，针对一种316L奥氏体不锈钢的打底焊工艺进行了研究。结果表明：采用设计的新工艺对316L不锈钢进行焊接，其焊接接头的力学性能、金相组织和抗腐蚀能力均可以达到设计要求，该工艺具有较好的推广应用价值。

316 L不锈钢；打底焊；焊接工艺；点蚀

引言

316 L (00Cr17Ni14Mo2) 钢属于超低碳奥氏体型不锈钢，因其具有优良的力学性能、焊接性能及耐腐蚀性能，近年来广泛应用于压力容器、化肥生产装置、海洋环境装置等领域。也是我公司不锈钢容器生产中的主要原材料。随着我公司不锈钢容器制造工作量的不断增加，原先所采用的常规打底焊工艺，由于必须采用惰性气体进行背部充氩保护，因此工序复杂，整个工作过程耗时长，成本高，因此成为提高不锈钢容器制造质量和效益的一个瓶颈问题。为了改变这种局面，我们决定对传统工艺进行改进，通过焊接材料的选择和工艺参数的调整，免去不锈钢容器制造过程中的背部充氩过程，显著提高焊接生产效率。

1、试验材料及方法

实验所用316L的化学成分及力学性能如表1、表2所示。

表1316 L的化学成分(质量分数，% )

表2316 L的力学性能

焊接规范参数如表3所示。

表3 焊接规范参数

2、实验结果及分析

2.1 拉伸性能

分别从焊接试件上按标准取出标准试样进行拉伸试验。试样测得的拉伸性能如表4所示。

表4 拉伸性能试验结果

从试验结果来看，所得抗拉强度和屈服强度均满足试验钢强度的要求，且具有较高的断后延伸率，这表明采用新工艺得到的焊接接头具有较好的强塑性配合。

2.2 显微硬度

通过对焊接接头进行的显微硬度实验表明，母材的显微硬度Hv10为195；焊缝的显微硬度Hv10为165；热影响区的显微硬度Hv10为188，均低于标准规定的上限值。

2.3 显微组织分析

实验所得焊接接头的SEM金相组织如图1所示。

图1 焊接接头的SEM组织

观察焊接接头的金相组织可以看出，焊缝组织组织为γ+δ的双相组织。在SEM照片中，黑色的是γ基体， 白色的是δ铁素体。铁素体以粒状为主，还有少量为蠕虫状。少量位于奥氏体的晶界上δ铁素体的产生与奥氏体共存，这样的焊缝组织具有强度和塑性良好的综合性能，缺口的敏感性较低。

通过观察我们还可以看到，几种类型的铁素体形态(蠕虫状、板条状的、骨架状的)共存于奥氏体不锈钢焊缝中，且不同位置处各种铁素体形态所占比例不同。在焊缝中心以骨架状铁素体为主，偏离中心处以板条状铁素体为主，而在熔合区附近则以蠕虫状铁素体为主。板条状铁素体由奥氏体晶界向奥氏体晶内生长，板条间相互平行。熔合区靠近焊缝一侧，由于冷速快而形成大量蠕虫状铁素体，δ铁素体含量很少，奥氏体晶粒较粗大。

2.4 点蚀试验

因为点蚀是不锈钢典型的腐蚀形式之一，不锈钢设备直接或者间接因点蚀而导致的破坏事故屡有发生，造成很大的损失，因此耐点蚀性能始终是不锈钢耐腐蚀性能研究工作中的重点内容。所以为了测定采用新工艺得到了焊接接头的耐蚀性，我们进行了点蚀试验。

试样采用线切割的方法从焊接接头上截取，对需要打磨的部位用水砂纸进行湿磨，用置于丙酮超声除油、干燥后。24小时后进行称重，并测量表面积。浸泡于白标准试验溶液中72小时，试验温度22℃。实验设备、腐蚀介质制备等均遵照G48要求严格执行。

试验结束后，先用水清洗，并在水龙头下用软刷子刷洗，丙酮浸泡，空气中干燥后称重，计算腐蚀速率，测量点蚀孔数量、深度。

点蚀实验前后的试样宏观照片如图2所示。

图2 点蚀实验前后的试样宏观照片

由图2可以看出，点蚀坑出现在焊接热影响区中的数量最多，其次在母材上也有少量的出现，而在焊缝上几乎没有，这表明，焊接热影响区是整个焊接接头耐点蚀性能最薄弱的一个区域。

任何金属材料都不同程度地存在非金属夹杂物，如硫化物或氧化物等，这些非金属化合物如存在于材料表面，在Cl-的作用下将很快形成坑点腐蚀。而一旦形成坑点以后，由于闭塞电池的作用，坑外的Cl-将向坑内迁移，而带正电荷的坑内金属离子将向坑外迁移，从而形成电化学腐蚀。由于Cl-的原子半径非常小，金属当中的任何非金属夹杂物以及焊接缺陷都将成为Cl-渗透的腐蚀源头，进而形成点腐蚀。已有的研究也表明：热影响区出现点蚀的条件是内部组织结构中存在应力，由于热影响区组织的不均匀性，导致焊接产生的应力易集中于热影响区，且不锈钢表面的钝化膜易受应力作用，导致破碎及滑移。在应力作用下，又同时具备腐蚀介质条件，致使热影响区点蚀的几率也比焊缝大得多，因此热影响区的点蚀现象较为严重。

通过观察还可以发现：焊接接头试样的正面较背面具有较高的抗点蚀能力。通过测量可知：焊接试样背面点蚀密度在3.54～5. 01个/cm2之间，正面点蚀密度在0.79～1.97个/cm2。试样背面最大点蚀深度在1.14～1. 73mm之间，10个最深蚀坑的平均深度在0. 69～1.20mm之间；试样正面10个最深蚀坑的深度在0.43～1.05mm之间，10个最深蚀坑的平均深度在0.31～0.46mm之间。分析认为：这主要是由焊接接头正面和背面的应力状态所决定的。焊接接头的正面在焊接前承受拉应力作用，而背面承受压应力作用，经过焊接热循环后，其正面和背面的应力状态刚好发生反转，正面承受压应力作用，而背面承受拉应力作用，因而正面的耐蚀性能要优于背面。

3 结论

采用失重法测得的焊接接头的腐蚀速率为1.1826mm/a，焊缝金属的耐点蚀能力比母材高，耐点蚀能力最薄弱处出现在焊缝热影响区。表明采用新工艺焊接得到的焊接接头具有较高的抗点蚀能力。

[1]魏星,刘德镇.奥氏体钢焊接区域的金相组织及扫描电镜分析[J].山东工业大学学报. 1999, 29(2):183

[2]郑日水.不锈钢焊缝和热影响区锈蚀的现象原因分析和措施[J].焊接技术.2003,32(6): 60

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.073