厚壁高碳奥氏体不锈钢347H 的焊接技术

朱小燕 王喜平 朱生萍 程仔微 王 晏

（新疆兰石重装能源工程有限公司）

近年来，国内压力容器产品冷氢化反应器在工艺和技术上不断优化，已经打破了国外市场的垄断。 目前以347H 为主体材料的冷氢化反应器逐步流向市场，其主要特点是降低了原材料的制造成本， 并且国内可自行生产厚壁347H 奥氏体不锈钢板材， 打破了长期采用进口厚壁800H 材料的局面。 由于厚壁347H 奥氏体不锈钢能在高温状态下运行，所以使用该材料制造的冷氢化反应器具有良好的机械强度，而且其他各项性能也均能满足操作工况要求。

1 347H 的化学成分和性能特点

347H 属于奥氏体不锈钢， 具有良好的耐腐蚀性能、耐高温性能、耐氧化性能、焊接性能和热强性能。 347H 钢板的化学成分、力学性能［1］和高温性能［2］均符合SA-240 标准要求，具体数值见表1、2。

表1 347H 钢板的化学成分 %

表2 347H 钢板的力学性能和高温性能

347H 若要满足一定要求的耐腐蚀性， 就必须严格控制晶粒尺寸，细晶粒的奥氏体组织能加快铬在晶界的扩散迁移，并与氧形成一层致密富铬氧化层（Cr2O3），这个富铬氧化层能阻止高温下347H 的氧化。 固溶处理有利于奥氏体不锈钢的高温强度，但固溶处理的温度必会导致晶粒尺寸变大，所以必须严格控制晶粒度为ASME No7 号或更粗的平均晶粒度。

2 焊接工艺评定试板的制作

为了保证产品制造过程中焊接工艺评定达到100%的覆盖率，根据NB/T 47014—2011［3］的要求，在合理控制焊接热输入量的同时保证焊接效率， 故产品焊接时焊条的直径采用4.0mm 规格， 筒体纵环缝的埋弧焊焊丝直径采用3.2mm，封头拼接完成后需热成型和固溶处理，故氩弧焊丝和埋弧焊丝均采用2.4mm 规格。需制作的评定试板如下：

a. 制作一对手工钨极氩弧焊评定试板，厚度为13mm，焊丝为ER347H（φ2.4mm）；

b. 制作一对焊条电弧焊评定试板， 厚度为48mm，焊条为E347H（φ4.0mm）；

c. 制作一对埋弧焊评定试板，厚度为48mm，焊材为ER347H（φ3.2mm）+JWF641；

d. 制作一对手工钨极氩弧焊+埋弧焊组合评定试板，厚度为66mm（其中手工钨极氩弧焊焊接厚度为13mm，其余的采用埋弧焊焊接），焊材为GTS-347（φ2.4mm）/GWS-347（φ2.4mm）+GXS340，焊后需进行固溶处理， 热处理条件为1150℃×66min。

另外，奥氏体不锈钢的焊接一般不需要预热和后热［4］，预热温度不小于15℃，层间温度范围为15～100℃，不需要后热。 焊接过程中严格控制温度，保证焊缝的最优性能。

试板的焊接规范见表3。

表3 试板的焊接规范

焊接工艺评定的化学分析、力学性能和硬度腐蚀均满足技术要求。 4 种焊接方式的焊缝及热影响区金相组织如图1 所示，焊缝区为少量的铁素体+奥氏体，热影响区和母材均为奥氏体组织。

图1 4 种焊接方式的焊缝及热影响区金相组织

3 产品的焊接

3.1 筒体纵缝的焊接

单节筒体是由两张板拼接而成的，因筒体厚度较厚，需合理控制焊后变形，所以筒体拼缝需采用双面坡口，筒体合口缝采用单面坡口。 焊接采用埋弧焊，焊材为ER347H（φ3.2mm）+JWF641，采用等离子清根并打磨，焊接过程中严格按照焊接工艺评定规范执行， 尤其是焊接层温的控制。筒体拼缝（图2）、合口缝焊后（图3）焊缝表面成型美观，焊接质量高。

图2 筒体拼缝

图3 筒体合口缝焊后

3.2 筒体环缝的焊接

筒体环缝的坡口采用单面坡口， 如图4 所示，环缝内坡口可防止因焊缝收缩而导致的环缝处塌腰现象， 但内坡口的存在也增加了焊接难度。 筒体环缝采用埋弧焊焊接， 焊材为ER347H（φ3.2mm）+JWF641， 采用等离子清根并打磨，焊接过程中严格按照焊接规范控制焊接层温。

图4 筒体环缝坡口示意图

筒体环缝的焊接过程中出现了气孔缺陷，经分析，气孔的产生主要是因为焊接过程中存在氢气未及时溢出焊缝，而氢气的直接来源是焊接过程中的水，所以针对环缝焊接对埋弧焊焊材进行二次烘干，烘干后继续焊接，仍出现气孔缺陷；随后又更改了焊接工艺， 先采用焊条电弧焊打底，再进行埋弧焊焊接，气孔仍然存在。 因此，通过以上操作排除了焊接材料中水分的影响因素。

图5 渣壳照片

笔者通过对比纵缝焊接后渣壳（图5），发现纵缝和环缝第1 遍焊接之后渣壳的表面均存在大量孔洞，纵缝焊接多层后和盖面焊后渣壳不存在孔洞，说明母材存在受潮的情况。 而在奥氏体不锈钢的焊接过程中没有预热，导致焊接过程中存在大量的水从而形成氢气，在熔池凝固过程中无法及时溢出，导致水的产生。 而纵缝的结构不存在曲率，渣壳容易脱渣，有利于氢气的溢出，故纵缝的焊接过程中没有出现气孔缺陷。 奥氏体不锈钢的焊接一般不需要预热，焊前只需要保证焊件温度不小于15℃即可，但若存在母材受潮的情况，则会导致焊接过程中出现氢气孔。 为此，在环缝焊前对环缝部位进行预热烘干，预热温度不超过100℃，预热烘干2h 后开始焊接，焊接后取掉预热工装，保证在层间温度15～100℃之间进行焊接，焊接过程中再没有出现氢气孔。

3.3 封头拼缝的焊接及固溶处理

封头厚度为48mm， 所以封头拼缝的焊接采用钨极氩弧焊+埋弧焊焊接， 焊接坡口为双V 形坡口。 焊接过程中不需要清根，背面砂轮打磨即可。 焊材为：钨极氩弧焊焊丝GTS-347（φ2.4mm），埋弧焊焊丝GWS-347 （φ2.4mm）+焊剂GXS340。焊后进行热冲压成型， 因封头厚度较厚， 故分3次冲压成型（表4），第1 次冲压将封头加热到热成型温度后保温48min， 其余两次冲压均在达到热成型温度后保温15min， 这主要是因为前次冲压后封头中心部位温度较高，故相应地缩短了保温时间。3 次冲压过程均需连续作业。在实际冲压过程中多张封头板进行冲压时，需保证最后一张进炉的封头板具有最短保温时间。

表4 封头冲压成型温度及时间

冲压成型后封头（图6）需进行固溶处理：固溶条件为（1150℃±20℃）×45min， 冷却方式为水冷。 固溶处理后还需进行表面酸洗钝化。

4 焊接要点

为了保证厚壁高碳奥氏体不锈钢347H 的焊接质量，需注意以下几点：

a. 采用碳含量不小于0.04%的焊接材料，保证焊后焊缝的耐高温性能；

图6 3 次冲压成型后封头

b. 焊缝中需存在少量的铁素体，使奥氏体晶粒尺寸受到阻碍，打乱柱状晶方向，细化晶粒，促进杂质均匀分布，减少焊接热裂纹的产生［5］；

c. 347H 的焊接熔敷金属中存在Nb 元素，在焊接过程中易于烧损， 使得焊缝表面易于发蓝，所以在焊后待焊缝金属冷却后需清理焊渣，防止焊缝金属氧化；

d. 焊接时焊缝的收缩量较大，开制坡口时较以往产品的坡口在宽度和角度方面要更大一些，以提高焊接质量减少夹渣缺陷的产生；

e. 采用小规格的焊材，严格控制焊接热输入量；

f. 焊缝的清根不能使用碳弧气刨清根， 防止焊缝渗碳，影响焊接质量；

g. 焊前需对母材进行烘干处理，避免产生气孔缺陷。

5 结束语

厚壁高碳奥氏体不锈钢347H 的焊接相比普通的奥氏体不锈钢难度系数大，焊接过程中容易出现热裂纹、气孔等焊接缺陷。 实际产品的焊接首先要严格遵循焊材使用规范、合理开制坡口以及严格按照焊接规范控制预热层间温度等，并在焊接过程中出现焊接缺陷时要分析焊接缺陷产生的原因，不断总结经验，才能保证产品的焊接质量，提高生产效率并降低制造成本。