关于316H耐热不锈钢的焊接实践

刘晓旭 王 云 陈 罡

(辽阳石化分公司机械厂)

焊接技术

关于316H耐热不锈钢的焊接实践

刘晓旭*王 云 陈 罡

(辽阳石化分公司机械厂)

通过对316H奥氏体耐热不锈钢的焊接性分析，进行了焊接工艺评定；通过合理的焊接工艺保证了再生器的焊接质量。

焊接 焊接工艺 焊接工艺评定 316H 奥氏体 耐热不锈钢 再生器

0 前言

奥氏体耐热不锈钢在氧化环境中具有较高的热强性和优良的耐腐蚀性能，应用于化工装置有腐蚀介质的高温抗氧化设备中。奥氏体耐热不锈钢的金相组织一般是单一的奥氏体组织，焊接性能良好，但如果焊接规范不当，焊接接头容易出现热裂纹、铬的碳化物析出、接头脆化等问题，使焊接接头的使用性能恶化。

我厂承制的某石化公司连续重整-歧化装置催化剂连续再生部分再生器为316H材质奥氏体耐热不锈钢，其设计、制造、检验均按照GB 150—1998《钢制压力容器》、质技监局锅发(1999)《压力容器安全技术监察规程》进行。其结构简图如图1所示。

该设备设计压力0.45MPa，设计温度580℃，公称直径为2440 mm/1675 mm，壁厚28 mm/14 mm，不同直径筒体通过变径段相连，工作介质为氮气、氧气、二氧化碳、催化剂。

图1再生器结构

在分析316H奥氏体不锈钢焊接性的基础上，通过焊接工艺评定并结合生产实践，顺利完成了316H奥氏体耐热钢材质再生器的焊接。

1 316H奥氏体耐热不锈钢的焊接性分析及对策

1.1 316H奥氏体焊缝金属的热裂纹

316H奥氏体耐热不锈钢的化学成分如表1所示。

表1 316H化学成分（%）

奥氏体耐热不锈钢焊缝，易形成方向性很强的粗大柱状晶组织，一些杂质元素及合金元素如S、P、Si、Nb易于在晶间形成低熔点的液态膜，而奥氏体耐热不锈钢的热导率小且线膨胀系数大，在焊接过程的不均匀加热和冷却条件下，焊接接头在高温下停留时间较长，承受较高的拉伸应力与拉伸应变，容易在焊缝处产生热裂纹。产生热裂纹的倾向与一次结晶的类型和少量δ相铁素体的含量，合金元素和杂质，焊接材料、焊接工艺参数及接头的拘束度等因素有关。

1.1.1一次结晶的类型和δ相铁素体含量的影响

一次结晶的奥氏体组织的焊缝容易产生热裂纹，奥氏体组织中有适量的铁素体相可以提高抗裂性，因为适量的δ相打乱了奥氏体柱状晶的枝晶方向，阻碍晶粒粗化，阻碍引起热裂纹的低熔点杂质的聚集。焊缝金属中的δ相含量以3%～8%为宜，太多则引起焊缝耐腐蚀性能的下降。

1.1.2合金元素和杂质的影响

硫、磷等有害杂质是奥氏体耐热不锈钢焊接热裂纹形成的敏感元素，因为奥氏体对这些元素的溶解度比铁素体低，而含镍量越高，硫和磷的溶解度越小，焊缝中可能出现含硫、磷量高的低熔点共晶，这些低熔点杂质富集于奥氏体晶界，在枝晶间形成液态薄膜，增大热裂纹的倾向。而316H奥氏体耐热不锈钢含镍量很高，控制硫、磷含量是提高焊缝抗裂性能的有效办法，使焊缝形成奥氏体+铁素体双相组织，可以避免出现焊接热裂纹。

在焊缝熔敷金属中增加适量的锰，可以在焊接过程中优先形成高熔点的硫化锰共晶，减小低熔点硫化铁在焊缝中形成，从而降低硫的有害作用。

对含镍量较高的316H奥氏体耐热不锈钢，还可以通过适当提高焊缝的碳含量来提高抗裂性，这时的双相组织是奥氏体+一次碳化物，它们可以提高焊缝的抗裂性能而又能不降低其高温性能。

1.1.3 焊接工艺参数的影响

由于热裂纹与焊接接头的偏析及应力有关，为减少316H焊缝热裂纹倾向，焊接工艺参数应利于减小偏析和接头的应力。焊接时应避免层温过高，加快焊缝的冷却速度，以小的焊接线能量减少偏析，提高焊接接头的抗热裂纹能力。

1.1.4焊接接头的拘束度

较厚的母材焊接或者组装应力较大时，材料收缩和应力集中引起的内应力增大，焊接接头区域应力更为集中，更易产生裂纹。因此，应以适当的组装次序组装，以减小组装应力、控制焊接接头的刚度；应在保证焊接质量的前提下尽量以较小的规范参数施焊，以减小焊接接头的拘束度。

1.2晶界上铬的碳化物的析出

奥氏体钢焊接时接头处在温度500～800℃范围的时间越长，过饱和固溶的碳向晶粒间界的扩散比铬的扩散快，在晶界附近和铬结合成铬的碳化物并在晶界沉淀析出，形成了晶粒边界区域附近的贫铬层，在腐蚀环境下使用会引起晶间腐蚀。对316H高碳奥氏体不锈钢控制晶间腐蚀的方法有以下几种。

1.2.1采用双相组织

奥氏体焊缝中有少量的δ铁素体，δ铁素体分散在奥氏体晶间，能改善焊缝的抗晶间腐蚀能力，但是δ铁素体有利于σ相析出，δ铁素体数量越多，σ相析出机会越多，σ相的析出会降低焊缝的抗晶间腐蚀能力。奥氏体焊缝中含3%～8%的δ铁素体，能获得满意的抗晶间腐蚀性能，这与提高抗热裂性的要求一致。

1.2.2严格控制焊接热输入量

严格控制焊接热输入量，缩短接头在500～800℃温度区间的停留时间，以减少铬的碳化物析出。

1.3焊接接头的脆化

奥氏体钢焊接接头长期在特定温度区间下工作会产生脆化，主要有475℃脆化和σ相析出脆化。

1.3.1 475℃脆化

Fe-Cr合金在450～525℃之间长期加热，硬度提高，冲击韧性严重下降，这种脆性称作475℃脆性。475℃脆性主要发生在含δ铁素体的焊缝中，随着奥氏体焊缝组织中铁素体量的增加，发生475℃脆性的危险性增大。

316H焊接时采用在工艺评定合格范围内较小的焊接线能量，加快焊缝的冷却速度，可以减少475℃脆性。

1.3.2σ相析出脆化

Cr-Ni奥氏体钢和焊缝金属在650～850℃高温持续加热过程中会发生σ相析出脆化。σ相金属间化合物分布在晶粒边缘，硬且脆，使奥氏体钢焊接接头的冲击韧性大大降低，这在316H连续多层焊的焊接接头中容易出现。

在316H焊缝中严格控制Mo、Si等σ相形成元素，降低Cr含量并相应提高Ni含量；焊接时采用相对小的焊接线能量，加快焊缝的冷却速度，减少焊接接头在高温下的停留时间，可以防止或者消除σ相析出。

2 316H奥氏体耐热不锈钢的焊接工艺编制及实施

如上一节所述，奥氏体耐热不锈钢的焊接不仅要考虑焊接接头的强度，还要考虑奥氏体钢的热裂纹倾向；更重要的是要保证焊接接头具有特殊性能，如抗晶间腐蚀能力，高温强度及抗氧化性能。同时还要注意避免在高温下长时间工作的脆化问题。

2.1焊接材料的选择焊接材料应根据焊件的化学成分及使用要求进行选择。316H奥氏体耐热不锈钢焊缝，主要用于高温腐蚀条件下，希望焊缝组织是奥氏体+3%～8%铁素体双相组织，并考虑避免脆化组织的析出、控制相应元素的含量。

ER 316H焊丝和E316H焊条的熔敷金属化学成分如表2、表3所示。

表2 ER316H焊丝熔敷金属化学成分 （%）

表3 E316H焊条熔敷金属化学成分（%）

2.2奥氏体耐热不锈钢的焊接工艺要点

根据奥氏体耐热不锈钢的物理性能以及对其抗裂性和耐腐蚀性的要求，焊接时须注意以下几点：

奥氏体钢的导热系数小而线膨胀系数大，易产生焊接变形。由于奥氏体钢导热系数小，在同样的焊接电流下，可以得到比普通低合金钢更大的熔深，但容易使焊接接头过热，所以其焊接电流应当比焊普通低合金钢小一些。

我们依据JB 4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》及设计技术条件进行了焊接工艺评定：

ER 316HØ2mm焊丝，I=100～110 A，U=11～13 V，v焊=100～110mm/m in，氩气流量正/背7～9 L/min。

E316HØ3.2mm焊条，I=90～110 A，U=22～30 V，v焊=150～190mm/根。

E316HØ4mm焊条，I=120～140 A，U=22～30 V，v焊=250～300mm/根。

E316HØ5mm焊条，I=170～200 A，U=22～30 V，v焊=380～400mm/根。

拉伸试验：抗拉强度Rm=565MPa。

弯曲试验：侧弯180°，弯曲试样完好无裂纹。

按GB/T 1954进行了铁素体含量分析，其值为3%～8%。

焊接材料中含有容易氧化的合金元素，如Cr，为了防止焊接时烧损，必须尽可能采用短弧焊，焊接时不做过度的横向摆动。奥氏体耐热不锈钢焊缝的性能对熔敷金属中化学成分敏感，为了保证熔敷金属中化学成分的稳定，施焊时必须保证工艺参数的稳定。

多层焊时，每层焊缝的接头处要错开。

避免层温过高，控制层温≤120℃，必要时采用喷水或者使用压缩空气吹的方法强制冷却。

为避免焊缝过热，接触腐蚀介质的焊道应尽可能最后施焊。

为保证设备的耐腐蚀性能，要注意工件表面不得打样冲、使用划线针，不得使用碳钢工具锤击工件，工件表面除去油、锈、污物。接地电缆要牢固装夹在工件表面，避免松动产生电弧，击伤工件表面。不允许在工件坡口以外部位起弧以免击伤工件。接触介质的焊缝，必须焊透且表面平滑。

3 结论

316H奥氏体耐热不锈钢的焊接不仅要考虑焊接接头的强度，还要保证焊接接头具有耐腐蚀性能，避免在高温下长时间工作的脆化问题。针对以上几点，制定出合理的焊接工艺规范，即可得到符合使用性能要求的焊接接头。

[1]焊接手册：第二卷[M].北京：机械工业出版社，1992.

[2]焊接手册：第二卷[M].第2版.北京：机械工业出版社，2001.

[3]Eric Folkhard.不锈钢焊接冶金 [M].栗树新,朱学军译.北京：化学工业出版社，2004.

TG 441

2010-10-20)

*刘晓旭，男，1982年6月生，工程师。辽阳市，111003。