您所在的位置:首页 > 不锈钢知识 > 304不锈钢管 > 正文

304/304L和316/316L奥氏体不锈钢焊接性能的对比与分析

作者:admin 来源:原创 日期:2018/12/3 23:05:04 人气:622

对比了304/304L316/316L奥氏体不锈钢钢材的化学成分和力学性能,通过氩弧焊、药芯气保焊和埋弧焊三种焊接工艺比较了两者的焊接材料、焊接参数、组织结构、焊缝力学性能。

304L316L类低碳型奥氏体不锈钢具有在低至-196℃的温度下服役的独特优势。尤其是在近年来全球对液化天然气(LNG)的持续增长需求,LNG设施的建造需要逐渐增加,304L316L奥氏体不锈钢的使用也日渐广泛。

1化学成分与力学性能对比

304304L316316L主要区别在于含碳量的多少。含碳量高表示抗高温性能和抗氧化性能更好;而含碳量低经过研究表明其抗晶间腐蚀能力更为优越。316304的主要差异在于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蚀的性能,所以更常用于海洋环境。 本文试验中所使用的母材均为ASTM A358 304/304L,对于本应使用316/316L开展的试验也使用304/304L母材进行了替代,它们的实际成分见表1。其它力学性能数据见表2E批号试验中未曾使用,是本项目中的316/316L钢材,用以对比)。

2焊接工艺评定

针对304/304L316/316L奥氏体不锈钢,根据公司现场实际,综合考虑后选用了GTAWGTAW+FCAWGTAW+SAW三种工艺。

2.1坡口设计

对于壁厚小于22mm的母材,采用常规单V坡口(a);对壁厚大于22mm的母材,参考ASME B31.32008,设计了复合坡口(b),见图1

2.2焊接材料

项目选用了三种工艺,使用焊材分别为GTS-308LGFS-308LGWS-308L/GXS-300,而针对316/316L不锈钢的壁厚,则选择了GTAWGTAW+FCAW两种工艺,使用焊材分别为TGS-316LGFS-316L。由表3可知,它们的化学成分与对应钢材相似,且CrNi含量比母材都稍微高一些,316/316L的焊材Mo含量达到2.18%

2.3焊接参数

不锈钢的焊接不宜使用大的热输入,所以应选择小电流,快速焊。实际试验中的焊接参数及其它工艺细节见表4

除下述参数外,施焊前将坡口处清理干净,禁止油脂污染防止焊接时引起气孔和渗碳。焊接过程中只允许使用不锈钢钢丝刷清理坡口和焊缝表面。每组试验的预热温度都控制在10℃以上,层间温度控制在175℃以下。焊枪保护气和背部保护气体均为Ar,纯度为99.99%。气体流量为15-25L/s。由于氩弧工艺一般使用的焊丝直径为2.02.4mm,所以参数一般较小,电流集中在80-140A之间;二氧和埋弧工艺参数则相对依次增大。对于纯氩弧焊工艺,热输入最高的地方一般出现在打底时,原因是为保证封底质量,刚开始焊接速度往往较慢。

3焊接性能对比

经过无损探伤检测、组织结构分析和力学性能测试之后,上述试验顺利通过了焊接工艺评定,而且机械性能等试验结果良好。

3.1组织结构分析

奥氏体不锈钢中通常会有一定数量的铁素体,由于铁素体含碳量很低,有良好的塑性和韧性;对SPSiNb等元素溶解度较大,能防止这些元素的偏析和形成低熔点共晶,从而阻止凝固裂纹(热裂纹)产生;同时铁素体对提高焊缝耐晶间腐蚀和应力腐蚀的性能效果明显。

综合汇总试验的FN结果见表5。从表中可知,铁素体含量总体在5.7左右,符合项目3-8的要求。由于试验所使用母材均为ASTM A358 304/304L,更能看出316L系列焊材的熔覆金属比308L系列焊材铁素体含量略低。从焊接工艺上看,铁素体含量与焊接工艺则没有直接关系。

3.2力学性能对比

不锈钢的弹性功比较小,其冲击性能主要消耗在塑性变形及裂纹扩展和断裂上。因此,单纯以冲击功作为衡量冲击韧性的指标不合适。

目前LNG项目普遍采用ASME B31.3标准的规定,对奥氏体不锈钢要求-196℃下冲击侧向膨胀值大于0.38mm,甚至一些不要求按ASME规范的项目也采用这一规定。但是ASME标准对冲击功没有明确要求,当然,还是有不少欧洲的LNG项目对冲击能量值有具体要求。例如TÜV标准设计建造的项目常常要求冲击功必须大于32J

不同的焊接细节对相应焊缝金属的韧性有不同程度的影响,316/316L不锈钢焊接试验的-196℃的冲击功和侧向膨胀值如下图2(a)。从图中可见,冲击功值越大,侧向膨胀值越大,两者之间存在一定的对应关系。值得一提的是同样对于316/316L(实为304/304L)钢材和316系列焊丝的试验,冲击功却存在明显差距:试验1的侧向膨胀值为0.87-1.43,试验31.07-1.1.56;但是当试验3的冲击功为138-159J时,试验1却低至23-39J,差距原因后文将继续分析。 对于每组试验的取样点123分别代表焊缝金属、熔合线、熔合线+2三个位置。由图2可知,焊缝金属冲击功和侧向膨胀值最低,越靠近母材,冲击功和侧向膨胀值越高。试验2和试验3采用了相同批号的母材,但是分别采用的是纯氩弧和氩弧+药芯气保焊的工艺,由此可见氩弧焊的冲击功和侧向膨胀值明显高于药芯气保焊。

304/304L不锈钢,本文选取了编号为578的试验作为分析依据,根据表6可知,试验578分别采用的是氩弧、氩弧+药芯气保焊和氩弧+埋弧焊工艺。三者的冲击值和侧向膨胀值见图2b),由图可见,三种工艺的冲击功依次减小,侧向膨胀值的走向与冲击功走向大体保持一致,但并不成线性关系。

从总体来看,304/304L的侧向膨胀值和冲击值比316/316L都高;排除试验1氩弧工艺冲击值和侧向膨胀值最高,埋弧工艺次之,二氧工艺表现最差。试验1为氩弧工艺,按照上述分析冲击值应该比较高,但实际却相反。由于试验1与试验4使用的是相同批号的母材,图3对两者的冲击和侧向膨胀进行了对比。通过对比发现,两者的冲击和侧向膨胀值都较低,但304/304L的试验值略高一些,由此也印证了304/304L的侧向膨胀值和冲击值比316/316L高;同时还应证了冲击功大,侧向膨胀值不一定高的现象。而究其值较低的原因却在母材,从表4可知,该批号的母材冲击功只有30J

4结论

304/304L316/316L同属奥氏体不锈钢,但两者之间也存在一些差异,本文对其成分及焊接性能进行了对比,得出结论如下: 1316304的主要差异在于Ni元素的含量有所增加,并且添加了2-3%Mo元素;316/316L不锈钢具有更高的耐蚀性。 2316/316L的熔覆金属比304/304L铁素体含量更低;铁素体含量多少与焊接工艺则没有直接关系。 3304/304L的侧向膨胀值和冲击值相比316/316L较高;侧向膨胀值和冲击功之间存在一定的对应关系,但冲击功值增大,并不代表侧向膨胀值也一定增大。