（06Cr25Ni20）310S耐热不锈钢氩弧焊焊接工艺研究

  浙江至德钢业有限公司通过分析（06Cr25Ni20）310S耐热不锈钢依据选定的焊接工艺参数，采用手工钨极氩弧焊(GTAW)获得的焊接接头的综合机械性能，证明该焊接接头的焊接工艺性是满足某反应釜的技术要求，形成焊接工艺评定，应用于该反应釜的制造过程。310S耐热不锈钢具有很高的热强性、耐蚀性及综合机械性能优良的特点，目前较广泛应用于锅炉、高温管道、及石化工艺。奥氏体耐热不锈钢在焊接过程中热输入量较大时，易引发焊接接头中产生热裂纹及脆化等现场，造成焊接接头焊接工艺性不能满足技术要求；氩弧焊热数量小，热量集中，热影响区小，氩气保护效果且对工件有冷却效果，因此氩弧焊是奥氏体耐热不锈钢焊接的重要方法之一。某高温反应釜的部件材质为奥氏体耐热不锈钢06Cr25Ni20，技术要求该反应釜在设计温度500℃时具有较好的耐蚀性和力学性能，为保证焊接接头质量，研究该材料的手工钨极氩弧焊(GTAW)的焊接工艺性。

一、试验材料和方法

1. 试验材料

  本试验的材料为310S不锈钢板，试板规格为600×160×10 mm，钢板质证的化学成分和拉伸强度如表所示；焊接材料为氩弧焊丝TGA310，焊丝规格Φ2.4mm，化学成分如表所示。

2. 试验方法

a. 焊接前，试板采用机加工的方式制备焊接坡口单侧30°，钝边15mm。

b. 焊接采用手工钨极氩弧焊(GTAW)的焊接方法，根据涂耀耀等的研究，制定GTAW焊接工艺参数如表所示。焊接1～2层时，背面通氩气保护；焊接采用氩气纯度为99.99%。

二、实验结果与分析

 1. 目视检验

  焊接过程中，对每一层填丝焊缝进行了目视检验，目测焊缝表面无气孔、弧坑、咬边等缺陷，焊缝成型良好，且没有未熔化的管头和焊丝，目视检查合格。

 2. 无损检测

  按照NB/T 47013.5—2015对焊缝表面进行渗透检测，检查结果为无表面气孔、表面裂纹、咬边等缺陷，试验结果合格；按照NB/T 47013.2—2015对焊接接头进行射线检测，质量等级AB级，评定结果I级，试验结果合格。

 3. 焊缝化学成分检测

  按GB/T11170-2008和GB/T2 0124-2006对焊缝区化学成分进行检测，检测结果如表所示。通过表1、表3、表5对比，焊缝区化学成分满足氩弧焊焊丝的标准要求，且与母材成分相近。

 4. 金相检查

  a. 宏观金相检查

   对垂直于焊道方向焊接接头横截面按照GB/T226-2015进行宏观金相检测，检测结果：试样经冷酸酸蚀法腐蚀后宏观检查，在10倍放大镜下观察，横向受检面未出现裂纹、孔穴、夹杂、未熔合、未焊透等焊接缺欠，试验结果合格。

  b. 金相组织检测

  按照《GB/T 13298-2015金属显微组织检验方法》对焊接接头进行金相组织检测，如图所示。通过图可知，焊接接头的母材、热影响区、焊缝区金相组织均为单一奥氏体组织；其中表明母材奥氏体组织逞规则的多边形；表明焊缝区为柱状树枝晶奥氏体组织，粒尺寸比母材大，且晶粒倾向去垂直熔合线生长。这是由于奥氏体不锈钢的热导率小，线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却条件下，焊缝金属结晶期间存在较大拉应力；并且在焊缝金属凝固过程中，在处置与熔合线方向温度梯度大，冷却速度快，焊缝中心温度高不利于自发形核，有利于柱状树枝晶的生长，晶粒字熔合线母材处向焊缝中心生长[2,5]。焊缝金相组织为柱状树枝晶，且晶粒尺寸较大，会造成降低焊缝区的力学性能。

 5. 力学性能试验

 a. 弯曲试验

  垂直于焊道方向制取焊接接头侧弯试样，按《GB/T2653-2008焊接接头弯曲试验方法》进行常温弯曲180°试验，试验后，焊接接头横截面上均无任何目视可见的开口缺陷和裂纹缺陷。

  b. 拉伸试样

  垂直于焊道方向制取焊接接头常温拉伸试样2件、高温拉伸1件，按照《GB/T228-2015金属材料拉伸试验》标准进行拉伸试验，试验结果如表所示。

  试验数据表明：该焊接接头在室温和500℃试验条件下，拉伸强度局满足技术要求值，断裂位置为焊缝区，表明焊缝拉伸强度不及其他区域，这由焊缝区的金相组织形态和晶粒尺寸较大造成的。

 c.硬度检测

  按GB/T4340-2009在宏观金相焊接接头横截面进行硬度HV10检测，检测值应HV10≤200。检测结果：焊缝区硬度值为198、194、95，热影响区硬度值为190、197、194，母材区硬度值156、158、155。焊缝区和热影响区硬度均高于母材，这是因为焊缝金属后形成柱状树枝晶的铸态组织，且局部加热和冷却过程造成焊缝和热影响区存在残余焊接应力。

 6. 晶间腐蚀试验

 按照ASME G28-2008(A法)对焊接接头试样进行晶间腐蚀试验，试验结果如表所示。试样结果表明，焊接接头的腐蚀率均＜0.6g/(㎡h)，满足标准要求。

三、结论

  1. （06Cr25Ni20）310S耐热不锈钢采用手工钨极氩弧焊按本文焊接工艺参数可获得满足反应釜技术要求的焊接接头。

  2. （06Cr25Ni20）310S耐热不锈钢在焊接过程易形成晶粒尺寸较大的柱状树枝晶奥氏体组织，因此焊接过程中应严格控制焊接热输入量，避免焊缝奥氏体晶粒尺寸过大，影响焊接接头质量。