F316H焊接工艺及接头性能研究

□姜 玉 赵伟明 顾春刚 任利杰 陆建东

奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%。该类钢是一种十分优良的材料，有极好的抗腐蚀性和生物相容性，因而在化学工业、沿海、食品、生物医学、石油化工等领域中得到广泛应用[1]。根据ASME标准要求，奥氏体不锈钢F316H的含碳量为0.04%～0.08%，相较于304L、316L，F316H较高的碳含量可以提高不锈钢的耐高温性能和抗氧化性能，可用于高温结构，但是较高的含碳量会影响不锈钢的焊接性能和耐腐蚀性能[2]，焊接接头容易出现热裂纹、晶间腐蚀等问题。因此，研究F316H奥氏体不锈钢的焊接性能，制定合理的焊接工艺参数，确保焊接接头的质量和性能对于产品整体可靠性、质量是至关重要的。

一、试验材料及工艺

(一)试验材料。焊接工艺评定试验采用ASME SA-182/F316H试板，试板的规格为400mm*150mm*δ25mm，数量为4对。依据ASME BPVC第Ⅱ卷C篇SFA-5.9M标准要求，焊接填充材料选用ER316H，规格为Φ2.0mm。F316H试板和ER316H焊材的化学成分如表1所示。

表1 F316H试板和ER316H焊材化学成分(质量分数，W%)

(二)焊接工艺。SA-182/F316H试板焊接坡口形式为40°V型坡口，采用GTAW手工钨极氩弧焊单面焊双面成型，进行平焊位置对接焊。焊前预热温度不小于15℃。

具体焊接工艺参数如表2所示。在焊接过程中，严格控制较低的层间温度(≤150℃)，尽量减少焊接接头在敏化区的停留时间。

表2 焊接工艺参数

二、试验结果和分析

(一)力学性能试验结果和分析。焊接完成后，进行了RT和PT检测，均为I级合格。接着按照ASME标准要求加工力学试验试样，并进行了弯曲、拉伸(室温、400℃、450℃、550℃、650℃)、冲击(母材、焊缝、加速时效焊缝、热影响区)、晶间腐蚀、布氏硬度等力学性能试验。

1.硬度试验。对1#试样进行了母材区、热影响区、焊缝区的布氏硬度测量，试验结果如表3所示。

表3 布氏硬度试验结果

从表3试验结果可以看出，焊缝的硬度远远大于母材的硬度，并且试样的硬度值从母材到焊缝呈现逐步递增的趋势。

2.焊接接头拉伸试验。对焊接接头进行拉伸试验，试验温度为室温(2件)、400℃(1件)、450℃(1件)、550℃(1件)、650℃(1件)，焊接接头拉伸试验结果如表4所示。

表4 焊接接头拉伸试验结果

焊接接头室温拉伸试验按照GB/T 2651-2008的规定执行，试样均为全板厚(T25mm)拉伸试样。由表4可知，室温下试样2T、3T的抗拉强度和屈服强度都能满足F316H母材技术条件的Rm≥515MPa、Rp0.2≥205MPa的要求。拉伸试验断裂位置均在母材，说明热影响区未出现明显的软化。

按照GB/T228.2-2015要求对焊接接头进行高温拉伸试验，试验采用Φ10mm圆棒型试样。从表4可以看出，随着拉伸试验温度的升高，试样的抗拉强度和屈服强度反而在下降，并且拉伸断裂位置均在母材，说明高温条件下焊接接头的韧性有所增强，导致材料强度降低，但均大于母材技术条件的规定值。

3.熔敷金属拉伸试验。对熔敷金属进行拉伸试验，试验温度为室温(2件)、400℃(1件)、450℃(1件)、550℃(1件)、650℃(1件)，熔敷金属拉伸试验结果如表5所示。

表5 熔敷金属拉伸试验结果

熔敷金属室温拉伸试验按照GB/T 2652-2008的规定执行，试验采用Φ10mm圆棒型试样。由表5可知，室温下试样8T、9T的抗拉强度和屈服强度都能满足ER316H焊材技术条件的Rm≥520MPa、Rp0.2≥210MPa的要求。

按照GB/T228.2-2015要求对熔敷金属进行高温拉伸试验，从表5可以看出，随着拉伸试验温度的升高，试样的抗拉强度和屈服强度呈下降趋势，但均大于焊接材料技术条件的规定值。

4.弯曲试验。按GB/T2653-2008标准要求进行侧弯试验，侧弯试样厚度为10mm,宽度为试件厚度25mm，数量为4件。

侧弯试验合格指标：试样弯曲180°后，弯曲试样在弯后的拉面上，焊缝和热影响区不允许有超过1.5mm任何方向开裂缺陷。试验结果如表6所示。

表6 弯曲试验结果

5.冲击试验。按照GB/T 2650-2008标准要求，夏比V型缺口室温冲击试验在ZBC2302-C/FM05003设备上进行，取焊态(焊缝区、热影响区、母材区)、焊接接头加速时效后(750℃/100h)共计4组冲击试样，取样位置位于1/2试件厚度处。室温冲击试验结果如表7所示。

从表7试验结果可以看出，焊缝区的平均冲击吸收功218.7J，远大于合格指标，而热影响区、母材区的冲击吸收功均大于300J，说明从焊缝到母材的冲击韧性是在逐渐增强的。焊接接头经过加速时效后的平均冲击吸收功为181.7J，远远超过了合格指标25J，但与未经过加速时效的焊缝区的平均冲击吸收功218.7J相比较，还是大幅度下降了，说明加速时效会使得材料的韧性有所下降。

表7 冲击试验结果

(二)熔敷金属晶间腐蚀加速试验。熔敷金属晶间腐蚀加速试验按GB/T4334-2008 E法标准要求进行，试样规格为80mm×20mm×3mm,试样数量为3个，其中一个为焊态基准试样、1个是敏化试样、1个为对比试样。试样经650℃×2h敏化处理，腐蚀时间为16小时。试验后的晶间腐蚀弯曲试样显示：其拉伸面上无晶间腐蚀裂纹或开裂倾向。

(三)金相检验。

1.宏观检验。按照GB/T 226标准要求对试样进行宏观检验。在焊缝、熔合线、热影响区及两侧的母材中未检验出未熔合、未焊透、裂纹和尺寸超标的气孔及其他有害的焊接缺陷，试验结果合格。

2.微观检验。按照GB/T13298标准要求对试样进行微观金相检验。微观金相检验是在200倍放大镜下观察焊接接头的焊缝、熔合线、热影响区及两侧的母材组织。焊缝区、热影响区、母材区的200倍显微组织经微观金相检验未发现显微裂纹及影响接头性能的沉淀物，试验结果合格。

三、结语

该焊接工艺试验采用GTAW手工钨极氩弧焊的焊接方法，通过制定合理的焊接工艺参数，控制较低的层间温度，获得了力学性能优良、宏观微观组织无缺陷、耐晶间腐蚀性能优良的焊缝。因此F316H焊接接头性能能够满足ASME标准的要求，能够满足室温及高温工况下的工程应用要求。