S31254超级奥氏体不锈钢焊接与热处理对焊缝组织与性能的影响★

邬莉华

（中钢不锈钢管业科技山西有限公司，山西 晋中 030600）

S31254不锈钢作为超级奥氏体不锈钢，是一种低碳、高钼含氮奥氏体不锈钢。化学成分及综合性能介于奥氏体不锈钢与镍基合金之间，N、Mo、Cu等合金元素的加入使得奥氏体组织稳定及耐腐蚀性提高[1-3]。当使用环境的耐腐蚀要求高于普通奥氏体不锈钢而低于镍基合金的要求时，中钢不锈钢管业科技山西有限公司可采用S31254超级奥氏体不锈钢材料，这样既满足了使用要求，同时节约了成本。目前，已被广泛应用在造纸、海水、化工等一些对腐蚀要求较高的使用环境中。

1 试验材料及方法

1.1 试验用母材及试板尺寸

本次试验用母材为日本冶金工业珠式会社川崎制造所生产的S31254超级奥氏体不锈钢钢板，尺寸为：500 mm（长）×300 mm（宽）×6 mm（厚），数量2块。

1.2 母材化学成分及力学性能

本次试验用S31254超级奥氏体不锈钢板执行标准ASTM A240，其化学成分及力学性能见表1和表2。

表1 S31254超级奥氏体不锈钢板化学成分 %

表2 S31254奥氏体不锈钢的力学性能

2 试验方案

本次试验采用两种试验方案，方案一为焊接态，方案二为焊接+热处理态，两种方案的焊接工艺一致。热处理工艺方案为：加热温度为1 180℃，保温时间为10 min，然后出炉入水速冷。

2.1 试验用焊接材料及设备

焊接采用镍基实芯焊丝，牌号ERNiCrMo-13，规格Ф1.2 mm，执行标准AWS A5.14化学成分见表3。

表3 ERNiCrMo-13Φ1.2 mm焊丝化学成分 %

焊接设备使用边梁双枪P+T纵环缝焊接系统TETRIX 522D-P、TETRIX 521 TIG，电源AC/DC 1 000。平焊位置。

2.2 工艺及检验要求

2.2.1 焊接坡口型式

本次试验焊接坡口采用I型坡口，坡口形式及焊接道次详见图1所示。

图1 S31254超奥焊接坡口及焊道分布示意图（T=6 mm）

2.2.2超级奥氏体S31254不锈钢焊接性分析

S31254钢属于超级奥氏体不锈钢，镍含量较高，容易与硫和磷形成低熔点共晶物；另焊缝为单相奥氏体柱状晶组织（见图2），容易造成镍的低熔点共晶的偏聚，在焊接应力的作用下产生裂纹，一般为弧坑裂纹[4-6]。

2.2.3 焊接方法、工艺要求及参数

为了尽量避免弧坑裂纹，在引熄弧时提前和延迟保护气氛，减小应力作用，严格控制层间温度≤60℃，同时控制焊接线能量≤1.5 kJ/mm改善焊缝组织形态（见图3）。

图2 S31254超奥焊缝柱状晶组织

图3 控制焊接线能量后焊缝组织

焊接方法采用PAW不填丝打底焊接+TIG填丝盖面焊接；焊接及保护气体均为纯Ar。焊接工艺参数如表4所示。

表4 PAW+TIG焊接工艺参数

焊前检查焊丝牌号的正确性、焊接设备正常运行，焊前及层间使用角磨机或丙酮清理焊缝及两侧25 mm范围内的油污及铁锈；检查焊材牌号及规格，确保正确。

2.2.4 焊缝X射线无损检测：

试板焊接完成后，焊缝进行无损检测。按照标准NB/T 47013.7要求进行目视检测，按照标准NB/T 47013.2进行RT实时成像检测。未发现有咬边、气孔、未熔合、裂纹等任何缺陷（见图4），符合标准要求。

3 焊后热处理

焊缝检测无缺陷后，取其中1块试板进行焊后热处理，热处理加热温度为1 180℃，保温时间为10 min，然后出炉入水速冷。热处理后的组织形貌见图5。

4 焊缝性能检验及结果分析

焊缝的横向拉伸、弯曲、硬度、冲击试验均按照ASTM A370标准执行，试验尺寸、具体要求及试验结果如下。

图4 焊缝RT实时成像检测

图5 热处理后焊缝组织

4.1 焊缝横向拉伸试验

焊缝横向拉伸试验，试样宽度20 mm，标距50 mm，要求机械去除焊缝内外余高与母材，试验加载速率5 mm/min，加载载荷10 kN，试样及试验结果见图6和表5。6-1焊接态拉伸试样 6-2热处理态拉伸试样图6焊缝拉伸试样

表5 焊接接头力学性能测试结果

根据美标ASME A240中表2机械试验要求可知，以上焊接态和热处理态抗拉强度均满足要求，大于标准要求655 MPa最低值；标准要求屈服强度Rp0.2≥310 MPa，表5显示焊接态屈服强度值低于标准值，不满足要求，热处理态焊缝屈服强度值为416 MPa，满足要求；延伸率44.0%大于35.0%，均满足要求。拉伸试样断裂位置均在焊缝外的母材处。

4.2 焊缝弯曲试验

本次试验对焊缝进行面弯和背弯试验，试样尺寸20 mm×6 mm×160 mm（宽×厚×长），弯曲直径20 mm，弯曲角度180°，试验执行标准ASTM A370，试验后显微镜下放大10倍观察焊缝外表面无裂纹，试验合格。式样详见图7。

图7 焊缝弯曲试样

4.3 焊缝冲击试验

试验执行标准ASTM A370，试验温度为室温，试样尺寸：55 mm×10 mm×5 mm（长×宽×厚），缺口类型V型。试验结果见下页表6。

试验类型试样状态 试验位置 试验温度/℃吸收功/J 结果焊缝78.6 V型缺口冲击试验 焊接态熔合线 122.7熔合区+5 mm 187.4母材区 146.7室温（23℃）满足ASME第Ⅸ卷要求≥31 J焊缝110.7 V型缺口冲击试验热处理态熔合线 187.6熔合区+5 mm 181.5母材区 156.1室温（23℃）满足ASME第Ⅸ卷要求≥31 J

4.4 晶间腐蚀试验

本次试验用试样尺寸75 mm×25 mm×3 mm（长×宽×厚），试验执行标准ASTM A262 E法-检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的铜-硫酸铜-硫酸试验，试样敏化温度675℃，时间1 h；试验方法及参数详见表7。

测试方法 标准 试样尺/mm 溶液配方 侵蚀参数弯曲参数长宽厚硫酸-硫酸铜-铜屑法ASTM A262 E法75 25 3 100 g CuSO4·5H2O+700 mL蒸馏水+100 mL H2SO4+蒸馏水稀释至1 000 mL沸腾15 h d=5 mm α=180°注：该溶液约含6%质量的无水CuSO4和16%质量的H2SO4。

按照表7所列试样尺寸及配比溶液，煮沸15 h后弯曲。弯曲试验用弯芯直径5 mm，弯曲角度180°，弯曲后采用20倍放大镜观察焊缝外表面均无裂纹，试验合格。煮沸并弯曲后的试样详见图8。

5 结论

本文通过试验研究S31254超级奥氏体不锈钢焊接及焊后热处理工艺对焊缝组织与性能的影响。结果表明：采用PAW+TIG纯氩焊接方法，以ERNi－CrMo-13、规格为Ф1.2 mm的镍基实芯焊丝为填充材料的焊接工艺，在此基础上，焊后热处理采用1 180℃的加热、10 min/6 mm的保温、然后出炉入水速冷，能够获得优异的焊缝接头性能，很好地满足ASME第Ⅸ卷的标准要求。