不同热过程对Type 347H不锈钢焊接接头性能及组织的影响

柳云天，龚巍，孟繁禹

1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150046

2.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室 黑龙江哈尔滨 150046

1 序言

Type 347H是wC=0.04%～0.08%，且含Nb元素的奥氏体不锈钢，具有良好的高温使用性能及抗晶间腐蚀性能，因而在压力容器、石油化工及电站锅炉等领域有大量的应用。对于其焊接后的热处理要求没有统一的规定，一般情况下认为不锈钢焊后不必进行热处理。对于Type 347H不锈钢有标准及研究推荐焊后进行稳定化处理，将焊接熔合区的M23C6重新溶解，避免产生刀状腐蚀[1，2]。也有观点认为稳定化处理弊大于利[3，4]，在某些工况下会要求奥氏体不锈钢焊后进行固溶处理[5]。因此，有必要研究Type 347H不锈钢在不同热循环下焊接接头性能的变化。

2 试验方案

2.1 试验准备

选用ASME A240 S34709（Type 347H）不锈钢δ=42mm厚板材进行试验，单块试板规格长×宽为600mm×150mm，钢板固溶状态下供货；焊材选用不锈钢焊条CHS132R以及不锈钢埋弧焊焊丝GWS-347，匹配焊剂GXS-340；埋弧焊采用伊萨LAF 1251型直流焊接电源。

焊接坡口选用拘束度更小的根部圆弧形坡口，坡口分A、B两侧加工，采用不锈钢专用刀具刨削加工成形，坡口形式如图1所示。

图1 焊接坡口形式

本次试验主要研究焊接接头分别在焊态、稳定化处理以及固溶热处理3种热循环下性能的表现，对比原始母材，共4组试验。每组试验单独制备一副试板。试验类型及热处理制度见表1。

表1 热处理类型及制度

其中，根据石油化工行业标准推荐，并参考张力文等[5]的研究制定的稳定化处理制度；固溶热处理制度除参考ASME标准对于Type 347H不锈钢的最低要求外，还借鉴了李炯辉[6]对于高碳不锈钢应适当提高固溶热处理温度的建议。

2.2 试验过程

由于在室温至最大层间温度（150℃）区间内，奥氏体不锈钢平均线膨胀系数较低合金钢高出40%，因此试板焊接过程中应减小焊接变形。采用A、B侧交替换面的方式进行焊接，以变形抵消变形，焊道分布及试样宏观形貌如图2所示。

图2 试样断面

焊接工艺采用A侧焊条电弧焊打底，坡口其他部分采用埋弧焊填充的方法进行焊接，焊接顺序及焊接参数见表2。

表2 焊接顺序及焊接参数

3 试验结果及分析

3.1 无损检测

在完成相应热循环后，对AW、ST及SA试板按照NB/T 47013—2015检测标准进行RT检测，技术等级B级，Ⅰ级合格；按照NB/T 47013—2015进行PT检测，Ⅰ级合格。

3.2 力学性能

按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》中对于拉伸试样的要求制备焊接接头全厚度肩板形拉伸试样；按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》制备φ12.5mm母材室温拉伸试样。按照GB/T 228.2—2015《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》制备φ10mm焊接接头及母材的高温圆形拉伸试样，试验温度为580℃。试验结果如图3、图4所示。

图3 室温抗拉强度

图4 580℃抗拉、屈服强度及屈强比

室温环境下，经历3种热循环的拉伸试样抗拉强度均大于母材的最低要求值515MPa。焊态AW试样与母材BM试样结果最接近；固溶SA试样强度的裕度最小；稳定化处理ST试样强度有明显提升。580℃高温环境下，焊态AW试样、固溶SA试样均与母材BM试样的抗拉强度及屈服强度接近；稳定化处理ST试样强度最低，而屈服强度却最高，导致稳定化处理ST试样的高温屈强比最高，其抵抗高温破坏的储备能力相对最弱。

3.3 冲击韧度

制备AW、ST及SA焊缝，以及母材BM的横向冲击试样。按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行试样制备及冲击试验，V型缺口，试样尺寸为10mm×10mm×55mm。由于Type 347H不锈钢多用于高温工况，因此仅研究室温下的冲击韧度。冲击取样位置为先焊面及后焊面的焊缝位置，每个位置3个试样。每种热循环取6个试样进行冲击试验取平均值，试验结果如图5所示。

图5 室温冲击韧度

固溶SA试样焊缝两侧室温冲击韧度平均值最高，相对更接近母材BM性能；焊态AW试样较稳定化处理ST试样冲击韧度更好，6个冲击试样最大值与最小值之差仅为11J，冲击韧度表现更平均；稳定化处理ST试样平均冲击值最低。

3.4 硬度

在焊接接头上制取AW、ST及SA3种热循环条件下的硬度试样，每种热循环在焊缝两侧分别制备1个试样。每个硬度试样测量位置均包含母材、HAZ及焊缝，每个位置测试3点，点间距0.5mm，测量HV10硬度值。计算每个位置6个点硬度的平均值，试验结果如图6所示。

图6 硬度试验结果

焊接接头母材、HAZ及焊缝位置硬度值趋势相似，即焊态AW试样硬度值在焊缝、HAZ及母材平均值最低；固溶SA试样在各个位置上硬度较AW试样均有小幅升高；稳定化处理ST试样硬度最高，焊缝平均硬度233 HV10，HAZ平均硬度228 HV10，母材平均硬度230 HV10，均显著高于AW及SA试样。

3.5 微观形貌

在AW、ST及SA焊缝中心制取微观试样，规格为20mm×10mm×10mm。将盐酸、酒精、双氧水按5 : 5 : 1的比例进行混合后，对3组试样进行腐蚀。采用卡尔蔡司Axiovert 200型显微镜，对试样进行微观观察，结果如图7所示。

图7 三种热循环状态下的微观形貌

从微观形貌上看，焊态AW试样的焊缝区及稳定化处理ST试样的焊缝区为奥氏体和枝状晶δ铁素体呈柱状分布，采用磁性法测量AW及ST焊缝δ铁素体含量均为6%～7%，可见稳定化处理后，δ铁素体含量并未发生明显改变。但稳定化处理后，焊缝中有析出物从铁素体中产生。二者熔合区同样呈相似形貌，热影响区母材与焊缝熔合线清晰，母材晶粒度未出现明显长大情况。

由于固溶温度超过1100℃，焊缝中析出物溶解，δ铁素体基本消失，剩余的单项奥氏体内弥散分布着小颗粒铁素体。采用磁性法测量焊缝δ铁素体含量为0～0.2%，由于钉扎力减小，故晶粒长大明显。SA熔合区焊缝与母材熔合线模糊，母材晶粒度为4～5级，与原始母材相同。

4 结束语

1）Type 347H不锈钢厚板焊接接头在焊态、固溶处理及稳定化处理后性能，均可满足使用要求。

2）稳定化处理后Type 347H不锈钢室温抗拉强度最高，580℃环境下抗拉强度最低、屈强比最高，室温冲击韧度最差，焊缝、HAZ及母材硬度值最高。相比焊态和固溶处理，试样经稳定化处理后有明显的硬化倾向。

3）Type 347H奥氏体不锈钢厚壁产品在焊后不必进行稳定化处理，可在焊态下或固溶状态下使用。