海水淡化设备用不锈钢焊接接头组织和性能的研究

辛伟++张艳

摘 要：该文采用H03Cr19Ni14Mo3焊丝+E317L-16焊条对海水淡化设备用317L不锈钢进行焊接，经过试验测得焊接接头拉伸强度最低值为610 MPa，低温冲击值在35 J以上，弯曲及晶间腐蚀试验合格，确定该焊接接头具有良好的综合性能，并结合显微组织分析焊接组织与性能之间的关系，最终确定1 040 ℃为317L不锈钢焊接接头最佳固溶热处理温度。

关键词：317L不锈钢 焊接接头 固溶处理

中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：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不锈钢不仅具有良好的耐高温性能和优良的力学性能，而且还具有优良的耐腐蚀性能[1-2]，因此被广泛应用于海水净化蒸发器的壳体、核电站、压力容器等装置中。焊接是这些装置在生产过程中不可缺少的关键工艺过程，焊接接头的性能直接影响装置的服役寿命及可靠性[3]。文章通过对317L不锈钢焊接接头组织和性能进行研究，为317L不锈钢在腐蚀环境下工艺装置中的进一步应用提供理论依据。

1 实验材料与方法

此实验取用两块尺寸为650 mm×130 mm×10 mm的317L不锈钢试块，加工组成60°“V”型坡口，并采用焊丝为H03Cr19Ni14Mo3氩弧焊打底以及E317L-16焊条手工焊盖面的工艺水平位置焊接制备一块试板（其中焊接母材及焊材的化学成分分别如表1及表2所示；氩弧焊焊接参数为电流120～140 A，电压16～17 V，焊接速度14～16 cm/min，焊丝直径2.0 mm；手工焊焊接参数为电流130～150 A，电压23～25 V，焊接速度16～18 cm/min，焊丝直径4.0 mm）。按照承压设备焊接工艺评定[4]流程，垂直于焊缝方向去除两端头各25 mm，再分别从两端往中心依次各截取冲击试样（包含焊缝、熔合区及母材区域共9件）、拉伸试样1件、面弯及背弯试样各1件，试样尺寸及数量符合承压设备焊接工艺评定[4]要求，另外制备尺寸为100 mm×20 mm×4 mm的焊缝晶间腐蚀试样2件。通过英斯特朗LX300液压万能试验机、PTM4450型金属摆锤式冲击试验机、HXD—1000TMSC型号显微硬度计、蔡司Imager A2m金相显微镜等测试317L不锈钢焊接接頭各项性能指标。再制备一组试样，在1 020 ℃～1 060 ℃温度范围内进行固溶试验（热处理时间按照1h/25.4mm确定[5]），而后进行硬度测试及金相显微组织分析。

2 实验结果分析

2.1 焊接接头性能与组织分析

2.1.1 性能测试

拉伸试验测得焊接接头室温下抗拉强度分别为616 MPa、620 MPa，试样均在焊缝熔合区发生塑性断裂，抗拉强度均高于520 MPa（现行GB24511-2009材料标准规定值）。紧接着对焊接接头进行弯曲试验，试样在室温下弯曲半径为40 mm，弯曲角度达180°，未见断裂，焊缝凸表面未现裂纹现象，弯曲性能良好，由此可见，317L不锈钢采用当前焊接工艺焊接接头具有良好的力学性能，符合工程应用要求。

表3为-104 ℃温度下焊接接头的冲击韧性试验结果，由表3可以看出，低温冲击功焊缝区最低，热影响区其次、母材区最高，焊缝区平均冲击功为39 J，最低冲击值为35 J，两者均高于NB47014-2011标准规定值34 J，且测量的侧向膨胀量均大于0.38 mm[5] 符合ASME标准规定，低温使用性能良好。

2.1.2 显微组织分析

图1为焊接接头显微组织形貌，其中（a）为焊缝熔合区低倍组织形貌，可以看出图片左侧为母材，保留着晶粒清晰的原始奥氏体组织，熔合线明显，往焊缝侧区域颜色偏暗，呈现黑白颗粒相间分布。这可理解为熔合线随着焊接输入温度升高，部分晶粒融化形成熔合线，母材碳等杂质元素向焊缝方向迁移，并与焊缝Cr、Mo、Ni、Si等元素形成碳化铬、碳化钼等各种化合物或金属间化合物，随着焊缝快速冷却，熔合线率先形核凝固，由于导热的方向性，晶粒优先垂直于焊缝生长，一般金属焊缝会形成明显粗大的柱状晶，但结合图（b）高倍组织形貌只发现有黑色的铁素体或碳化物混合相间组织，其铁素体或碳化物的分布呈现出与柱状晶长大方向呈现一致性，由熔合区向焊缝区呈带状分布，但未呈现出明显较大狭长的柱状组织。出现这种情况可能是因母材及高钼焊材导致焊缝Mo含量较高，Mo作为稳定扩大铁素体区间元素，在奥氏体焊缝冷却过程中，首先促进生成大量铁素体，随着温度继续降低，在C、Ni等奥氏体稳定元素作用下铁素体转变为室温奥氏体，由于体积的限制转变奥氏体比列有限，Mo元素在焊缝熔合线附近起到了细化晶粒作用，阻碍了柱状晶的长大。图（c）为焊缝区显微组织，可以看到奥氏体基体呈现白色的骨状或条状，其间上均匀地分布着大量的黑色颗粒状是铁素体，或是碳化物，或是金属相化合物。相比较图（b）熔合区组织，可以看出焊缝区奥氏体含量较高，而熔合区铁素体较多，其他杂质元素或化合物等偏聚，造成拉伸试验中接头试样较易断裂在焊缝边缘熔合区；同时，比较两者晶粒度发现，焊缝区较熔合区晶粒度显著偏大，呈现柱条状，这与实验冲击韧性值也较低相吻合。

2.1.3 耐晶间腐蚀试验

按GB∕T4334中E法不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法进行焊缝晶间腐蚀试验，试样放置在硫酸铜溶液中保持微沸16 h后，并进行180°弯曲测试，焊缝表面在10倍放大镜下无任何裂纹，证明焊缝具有良好的耐晶间腐蚀能力。

2.2 固溶热处理

对焊接接头进行固溶热处理，实验结果如图2所示。图2为不同固溶温度下焊接接头（包括焊缝区与熔合区）的金相显微组织，白色奥氏体基体上分布点状、线状的铁素体或碳化物及金属化合物等，其中碳化物及其他金属化合物硬而脆，容易腐蚀呈现黑色，黑色组织偏聚的区域显微硬度变高，其分布情况也决定了硬度的分布，结合图1焊态接头组织形貌可以发现，固溶热处理后焊缝及熔合区黑色铁素体或碳化物等组织熔入基体，白色的奥氏体基体成分增大，硬度强度也将降低，随着固溶热处理温度由1 020 ℃升高到1 060 ℃，这种现象也会越来越明显。比较图2（a）～（c）熔合区显微组织可以看出，在1 020 ℃固溶热处理后，热影响区母材晶粒度较小，与焊态母材相当，随着部分黑色碳化物等组织熔入基体，呈现细条状相间方向性分布，随着固溶温度提高到1 040 ℃，黑色区域不断缩小，绝大部分碳化物及其他金属化合物等更多地溶解入奥氏体内，分布由条状变成丝状，熔合区碳化物呈弥散分布，在1 060 ℃时，方向性平行分布的碳化物等完全消失，呈现粗针状镶嵌在粗大的奥氏体晶粒上，碳化物弥散度降低，有可能减少组织均匀性，降低显微硬度，并且母材的晶粒过分长大，又可能进一步增加材料软化风险。图2（d）～（f）中，焊缝的显微组织中黑色碳化物或铁素体等呈颗粒状均匀分布在奥氏体基体上，随着固溶温度的提高，碳化物不断熔入焊缝，奥氏体骨状或柱状结晶逐渐表小，碳化物弥散度分布均匀化。在1 040 ℃固溶处理相比1 020 ℃而言，焊缝组织晶粒较为细化，碳化物较细小等弥散度较高，当1 060 ℃固溶时由于温度过高，碳化物等硬质相过分细小，弥散强化作用有所削弱，硬度也会体现出来。从金相组织看来，固溶热处理温度控制在1 040 ℃，焊接接头应有较良好的综合性能。

图3为焊接接头硬度试验值，由其可以看出，焊缝区硬度最高（在180～206 HB），沿母材区方向逐渐平滑降低，幅度逐渐降低至130～170 HB之间波动，4条硬度曲线中，焊态接头硬度最高，1 040 ℃固溶热处理次之，1 060 ℃固溶热处理最低。结合热处理前后组织分析可以知道，焊态接头碳化物等硬质相未发生熔解，整体硬度强度都较高，固溶热处理后，硬质相逐渐熔入奥氏体基体，焊接接头各部分硬度值也随之降低。比较不同固溶温度的硬度可以发现，固溶温度为1 020 ℃时，母材及熔合区的硬度值均低于热处理前的硬度，但离散度较大，熔合区的个别硬度值甚至高于未热处理前硬度值，焊接组织应力有可能未完全消除，当固溶温度在1 040 ℃时，母材硬度略有降低，幅度波动较小，熔合区硬度值降低，趋近于母材的硬度，焊接接头表现出良好的力学性能；但固溶温度为1 060 ℃时，整条曲线的硬度值远低于未热处理前的硬度，熔合区硬度值甚至低于母材硬度，焊接接头有可能出现软化的风险。

3 结论

（1）采用H03Cr19Ni14Mo3焊丝+E317L-16焊条焊接317L不锈鋼，其焊接接头具有良好的综合力学性能及耐腐蚀性能。

（2）固溶热处理能改善317L不锈钢焊缝性能，其中固溶温度在1 040 ℃时焊接接头具有最优良的综合性能。

参考文献

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

[2] 于启湛，丁成钢，史春元，等.不锈钢的焊接[M].机械工业出版社，2009：107-126.

[3] 霍更国.奥氏体不锈钢316L与双向不锈钢2205焊接工艺及问题分析[J].河北电力技术，2007，26（3）：53-54.

[4] 承压设备焊接工艺评定（NB/T47014—2011）[S].国家能源局，2011.

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