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    304/304L和316/316L奧氏體不銹鋼焊接性能的對比與分析
    欄目:行業動態 發布時間:2021-05-27
    對比了304/304L和316/316L奧氏體不銹鋼鋼材的化學成分和力學性能,通過氬弧焊、藥芯氣保焊和埋弧焊三種焊接工藝比較了兩者的焊接材料、焊接參數、組織結構、焊縫力學性能。 304L和316L類低碳型奧氏體不銹鋼具有在低至-196℃的溫度下服役的

    對比了304/304L316/316L奧氏體不銹鋼鋼材的化學成分和力學性能,通過氬弧焊、藥芯氣保焊和埋弧焊三種焊接工藝比較了兩者的焊接材料、焊接參數、組織結構、焊縫力學性能。

    304L316L類低碳型奧氏體不銹鋼具有在低至-196℃的溫度下服役的獨特優勢。尤其是在近年來全球對液化天然氣(LNG)的持續增長需求,LNG設施的建造需要逐漸增加,304L316L奧氏體不銹鋼的使用也日漸廣泛。

    1化學成分與力學性能對比

    304304L、316316L主要區別在于含碳量的多少。含碳量高表示抗高溫性能和抗氧化性能更好;而含碳量低經過研究表明其抗晶間腐蝕能力更為優越。316304的主要差異在于Ni元素的含量有所增加,并且添加了Mo元素,具有良好的耐氯化物侵蝕的性能,所以更常用于海洋環境。 本文試驗中所使用的母材均為ASTM A358 304/304L,對于本應使用316/316L開展的試驗也使用304/304L母材進行了替代,它們的實際成分見表1。其它力學性能數據見表2E批號試驗中未曾使用,是本項目中的316/316L鋼材,用以對比)。

    2焊接工藝評定

    針對304/304L316/316L奧氏體不銹鋼,根據公司現場實際,綜合考慮后選用了GTAW、GTAW+FCAW、GTAW+SAW三種工藝。

    2.1坡口設計

    對于壁厚小于22mm的母材,采用常規單V坡口(a);對壁厚大于22mm的母材,參考ASME B31.32008,設計了復合坡口(b),見圖1。

    2.2焊接材料

    項目選用了三種工藝,使用焊材分別為GTS-308L、GFS-308LGWS-308L/GXS-300,而針對316/316L不銹鋼的壁厚,則選擇了GTAWGTAW+FCAW兩種工藝,使用焊材分別為TGS-316LGFS-316L。由表3可知,它們的化學成分與對應鋼材相似,且Cr、Ni含量比母材都稍微高一些,316/316L的焊材Mo含量達到2.18%。

    2.3焊接參數

    不銹鋼的焊接不宜使用大的熱輸入,所以應選擇小電流,快速焊。實際試驗中的焊接參數及其它工藝細節見表4。

    除下述參數外,施焊前將坡口處清理干凈,禁止油脂污染防止焊接時引起氣孔和滲碳。焊接過程中只允許使用不銹鋼鋼絲刷清理坡口和焊縫表面。每組試驗的預熱溫度都控制在10℃以上,層間溫度控制在175℃以下。焊槍保護氣和背部保護氣體均為Ar,純度為99.99%。氣體流量為15-25L/s。由于氬弧工藝一般使用的焊絲直徑為2.02.4mm,所以參數一般較小,電流集中在80-140A之間;二氧和埋弧工藝參數則相對依次增大。對于純氬弧焊工藝,熱輸入最高的地方一般出現在打底時,原因是為保證封底質量,剛開始焊接速度往往較慢。

    3焊接性能對比

    經過無損探傷檢測、組織結構分析和力學性能測試之后,上述試驗順利通過了焊接工藝評定,而且機械性能等試驗結果良好。

    3.1組織結構分析

    奧氏體不銹鋼中通常會有一定數量的鐵素體,由于鐵素體含碳量很低,有良好的塑性和韌性;對S、P、SiNb等元素溶解度較大,能防止這些元素的偏析和形成低熔點共晶,從而阻止凝固裂紋(熱裂紋)產生;同時鐵素體對提高焊縫耐晶間腐蝕和應力腐蝕的性能效果明顯。

    綜合匯總試驗的FN結果見表5。從表中可知,鐵素體含量總體在5.7左右,符合項目3-8的要求。由于試驗所使用母材均為ASTM A358 304/304L,更能看出316L系列焊材的熔覆金屬比308L系列焊材鐵素體含量略低。從焊接工藝上看,鐵素體含量與焊接工藝則沒有直接關系。

    3.2力學性能對比

    不銹鋼的彈性功比較小,其沖擊性能主要消耗在塑性變形及裂紋擴展和斷裂上。因此,單純以沖擊功作為衡量沖擊韌性的指標不合適。

    目前LNG項目普遍采用ASME B31.3標準的規定,對奧氏體不銹鋼要求-196℃下沖擊側向膨脹值大于0.38mm,甚至一些不要求按ASME規范的項目也采用這一規定。但是ASME標準對沖擊功沒有明確要求,當然,還是有不少歐洲的LNG項目對沖擊能量值有具體要求。例如TüV標準設計建造的項目常常要求沖擊功必須大于32J。

    不同的焊接細節對相應焊縫金屬的韌性有不同程度的影響,316/316L不銹鋼焊接試驗的-196℃的沖擊功和側向膨脹值如下圖2(a)。從圖中可見,沖擊功值越大,側向膨脹值越大,兩者之間存在一定的對應關系。值得一提的是同樣對于316/316L(實為304/304L)鋼材和316系列焊絲的試驗,沖擊功卻存在明顯差距:試驗1的側向膨脹值為0.87-1.43,試驗31.07-1.1.56;但是當試驗3的沖擊功為138-159J時,試驗1卻低至23-39J,差距原因后文將繼續分析。 對于每組試驗的取樣點1、2、3分別代表焊縫金屬、熔合線、熔合線+2三個位置。由圖2可知,焊縫金屬沖擊功和側向膨脹值最低,越靠近母材,沖擊功和側向膨脹值越高。試驗2和試驗3采用了相同批號的母材,但是分別采用的是純氬弧和氬弧+藥芯氣保焊的工藝,由此可見氬弧焊的沖擊功和側向膨脹值明顯高于藥芯氣保焊。

    304/304L不銹鋼,本文選取了編號為5、78的試驗作為分析依據,根據表6可知,試驗5、78分別采用的是氬弧、氬弧+藥芯氣保焊和氬弧+埋弧焊工藝。三者的沖擊值和側向膨脹值見圖2b),由圖可見,三種工藝的沖擊功依次減小,側向膨脹值的走向與沖擊功走向大體保持一致,但并不成線性關系。

    從總體來看,304/304L的側向膨脹值和沖擊值比316/316L都高;排除試驗1氬弧工藝沖擊值和側向膨脹值最高,埋弧工藝次之,二氧工藝表現最差。試驗1為氬弧工藝,按照上述分析沖擊值應該比較高,但實際卻相反。由于試驗1與試驗4使用的是相同批號的母材,圖3對兩者的沖擊和側向膨脹進行了對比。通過對比發現,兩者的沖擊和側向膨脹值都較低,但304/304L的試驗值略高一些,由此也印證了304/304L的側向膨脹值和沖擊值比316/316L高;同時還應證了沖擊功大,側向膨脹值不一定高的現象。而究其值較低的原因卻在母材,從表4可知,該批號的母材沖擊功只有30J。

    4結論

    304/304L316/316L同屬奧氏體不銹鋼,但兩者之間也存在一些差異,本文對其成分及焊接性能進行了對比,得出結論如下: 1316304的主要差異在于Ni元素的含量有所增加,并且添加了2-3%Mo元素;316/316L不銹鋼具有更高的耐蝕性。 2316/316L的熔覆金屬比304/304L鐵素體含量更低;鐵素體含量多少與焊接工藝則沒有直接關系。 3304/304L的側向膨脹值和沖擊值相比316/316L較高;側向膨脹值和沖擊功之間存在一定的對應關系,但沖擊功值增大,并不代表側向膨脹值也一定增大。

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