奥氏体不锈钢304焊接性评定实验报告

奥氏体不锈钢304焊接性评定试验报告奥氏体不锈钢304具有非常好的塑性和韧性,这决定了它具有良好的弯折、卷曲和冲压成型性，因而便于制成各种形状的构件、容器或管道；奥氏体型不锈钢304的耐腐蚀性能特别优良，是它获得最为广泛应用的根本原因。

也正是这样，在评价焊接质量时必然特别强调焊接接头的开裂倾向、焊接缺陷敏感性和耐晶间腐蚀等的能力。

本报告结合奥氏体不锈钢304的焊接特点，进行了手工钨极氩弧焊评定性试验，现就试验结果作一介绍一、奥氏体不锈钢的焊接特点：奥氏体不锈钢韧性、塑性好，焊接时不会发生淬火硬化，尽管其线膨胀系数比碳钢大得多，焊接过程中的弹塑性应力应变量很大，却极少出现冷裂纹；尽管有很强的加工硬化能力，由于焊接接头不存在淬火硬化区，所以，即使受焊接热影响而软化的区域，其抗拉强度仍然不低。

304钢的热胀冷缩特别大所带来的焊接性的问题，主要有两个：一是焊接热裂纹，这与奥氏体不锈钢的晶界特性和对某些微量杂质如硫、磷等敏感有关；二是焊接变形大。

1、焊接接头的热裂纹及其对策1.1焊接接头产生热裂纹的原因单相奥氏体组织的奥氏体型不锈钢焊接接头易发生焊接热裂纹，这种裂纹是在高温状态下形成的。

常见的裂纹形式有弧坑裂纹、热影响区裂纹、焊缝横向和纵向裂纹。

就裂纹的物理本质上讲，有凝固裂纹、液化裂纹和高温低塑性裂纹等多种。

奥氏体型不锈钢易产生焊接接头热裂纹的主要原因有以下几点：1）焊缝金属凝固期间存在较大的拉应力，这是产生凝固裂纹的必要条件。

由于奥氏体型不锈钢的热导率小，线膨胀系数大，在焊接区降温（收缩）期焊接接头必然要承受较大的拉应力，这也促成各种类型热裂纹的产生。

2）方向性强的焊缝柱状晶组织的存在，有利于有害杂质的偏析及晶间液态夹层的形成。

3）奥氏体不锈钢的品种多，母材及焊缝的合金组成比较复杂。

含镍量高的合金对硫和磷形成易熔共晶更为敏感，在某些钢中硅和铌等元素，也能形成有害的易熔晶间层。

1.2避免奥氏体型不锈钢焊接热裂纹的途径。

（1）冶金措施1）焊缝金属中增添一定数量的铁素体组织，使焊缝成为奥氏体-铁素体双相组织，能很有效地防止焊缝热裂纹的产生。

这是由于铁素体能够溶解较多的硫、磷等微量元素，使其在晶界上数量大大减少；同时由于奥氏体晶界上的低熔点杂质被铁素体分散和隔开，避免了低熔点杂质呈连续网状分布，从而阻碍热裂纹的扩展和延伸。

常用以促成铁素体的元素有铬、钼、钒等。

2）控制焊缝金属中的铬镍比，对于304型不锈钢来说，当焊接材料的铬镍比小于1.61时，就易产生热裂纹；而铬镍比达到2.3～3.2时，就可以防止热裂纹的产生。

这一措施的实质也是保证有一定量的铁素体的存在。

3）在焊缝金属中严格限制硼、硫、磷、硒等有害元素的含量，以防止热裂纹的产生。

对于不允许存在铁素体的纯奥氏体焊缝，可以加入适当的锰，少许的碳、氮，同时减少硅的含量。

（2）工艺措施1）采用适当的焊接坡口或焊接方法，使母材金属在焊缝金属中所占的分量减少（即小的熔合比）。

与此同时，在焊接材料的化学成分中加入抗裂元素，且其有害杂质硫、磷的含量比母材金属中的少，既化学成分优于母材金属，故应尽量减少母材金属熔入焊接熔池的数量。

2）尽量选用低氢型焊条和无氧焊剂，以防止热裂纹的产生。

3）焊接参数应选用小的热输入（即小电流快速焊）。

在多层焊时，要等前一层焊缝冷却后再焊接次一层焊缝，层间温度不宜高，以避免焊缝过热。

施焊过程中焊条不允许摆动，采用窄焊缝的操作技能。

4）选择合理的焊接结构、焊接接头形式和焊接顺序，尽量减少焊接应力，可以减少热裂纹的产生。

5）在焊接过程结束和中途断弧前，收弧要慢且要设法填满弧坑，以防止弧坑裂纹的形成。

2、焊接变形与收缩奥氏体型不锈钢与碳钢相比，在物理性能上有很大差异，前者在焊接过程中会产生较大的变形和焊后收缩。

304不锈钢焊后产生很大变形和收缩的原因：与碳钢相比，其电阻是碳钢的5倍，在同样的焊接电流、电弧电压条件下的热输入要多；其热导率低，约为碳钢的1/3，导致热量传递速度缓慢，热变形增大；再则304型不锈钢的线膨胀系数又比碳钢大40%左右，更引起加热时热膨胀量和冷却时收缩量的增加，当然焊后的变形量就显得更加突出了。

焊接变形量的大小与焊接参数的选择、焊接次序的正确性、操作的合理性都有一定的关系。

二、焊前准备基于以上的种种考虑，所采取的焊接设备、焊接评定用材料、试板坡口形式等如下.1、焊接设备设备选用日本产（OTC）P—300交直流氩弧焊机，焊接电源为直流陡降外特性，由两只流量计来控制正面和背面的保护气体。

2、焊接评定用材料对厚度为4毫米的304板进行焊接工艺试验。

其化学成份和机械性能列于表1；填充金属用ER308L的焊丝，其化学成份见表2；焊接用保护气体分析见表3：表1 304 化学成份（％）和机械性能表2 ER308L的化学成份（％）和机械性能表3 保护气体分析（升）由于焊接层数的增多，在焊接过程中会产生较大的变形和焊后收缩。

因此，坡口尺寸的制定原则为尽量减少焊接层数和焊缝金属填充量。

具体坡口形式见图3：坡口两侧各20mm范围内应打磨呈现金属光泽，以上范围内及坡口表面上的水、锈和油污等有害物质应清理干净；焊丝表面应清除油锈。

三、焊接工艺评定试板试验对焊接工艺规范参数进行认真选择，是保证304板焊接质量的前提。

影响因素主要有保护条件和焊接规范。

1、焊接保护效果1.1 喷嘴流量选择由于喷嘴的气流直接对焊接熔池进行保护。

因此它的保护效果是影响焊缝质量的重要因素。

在焊枪结构固定以后，涉及保护效果的主要有喷嘴距工件距离和喷嘴流量。

由于喷嘴距工件的距离增大会使空气侵入熔池的可能性增加，因此在不影响焊接可见度和方便填充焊丝的情况下，这个距离应尽量小，图4为焊丝与焊接熔池的相对位置。

1.2 喷嘴及背面保护气流的匹配当正面焊第一道时，背面氩气如果很大，会对正面的保护有影响。

因此喷嘴、背面保护气流要有很好地匹配，背面的气流不能太大。

2、焊接规范参数选择手工钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢板，焊接规范参数主要考虑焊接电流和焊接速度。

电流太小熔深浅，焊工操作疲劳。

电流太大，高温停留时间长，焊缝晶粒粗大，热影响区保护变差；由于焊接时既要顾及板材背面的保护效果，还要填充焊丝，因此焊速不能太快。

3、工艺评定试板的焊接通过大量的工艺试验，确定了如下焊接工艺规范参数（表4），并进行了工艺评定试板的焊接。

工艺评定试板焊接区颜色亮白，证明（氩气）保护效果良好。

图4 焊丝与焊接熔池的相对位置四、焊接质量检验按照相关标准，进行了以下项目的焊接接头工艺评定。

1、工艺评定试板焊接接头的无损检测工艺评定试板焊接接头按JB4730/T-2005《承压设备无损检测》第二篇JB4730.2-2005《承压设备无损检测：射线检测》的要求进行了RT（射线检测）100％检测，检测设备为X 光射线仪XXQ2515（管电压250KV，管电流15mA）。

评片结果为Ⅰ级（对接接头内不允许存在裂纹、未熔合、未焊透、和条形缺陷）。

2、焊接接头机械性能依据JB4708-2000《钢制压力容器工艺评定》要求，分别进行了拉伸及弯曲试验。

2.1 焊接接头拉伸试验2.1.1 取样和加工要求试样的焊缝余高应以机械方法去除，使之与母材齐平，采用全厚度试样进行试验。

2.1.2 试样形式紧凑型板接头带肩板形试样（见图5）2.1.3 试验方法拉伸试验按GB/T228-1987《金属材料室温拉伸试验方法》规定的试验方法在电液伺服万能试验机上测定焊接接头的抗拉强度。

2.1.4 合格指标每个试样的抗拉强度应不低于母材钢号标准规定。

2.2 焊接接头弯曲试验2.2.1 试样加工要求试样的焊缝余高应采用机械方法去除，面弯、背弯试样的拉伸表面应齐平。

2.2.2 试样形式面弯和背弯试样见图62.2.3 试验方法弯曲试验按GB/T232-1999《金属材料弯曲试验方法》和表5规定的试验方法在液压万能试验机上测定焊接接头的完好性和塑性。

表5 弯曲试验尺寸规定2.2.4 合格指标按GB/T4334.5-2000要求制备试样二件，将试样置入盛有硫酸-硫酸铜腐蚀溶液的烧瓶中，将烧瓶放在加热装置，通以冷却水，加热试验溶液，使之保持微沸状态，试验连续16hr。

试验后取出试，洗净、干燥、弯曲180°后，在10倍放大镜下观察弯曲试样外表面，无因晶间腐蚀而产生的裂纹，证明制定的焊接工艺是合理可行的。

4、焊缝及母材δ铁素体数量的测量按JB/T7853-1995《铬镍奥氏体不锈钢焊缝金属中铁素体数测量》要求，用瑞士产MP30铁素体检测仪测量焊缝及母材δ铁素体Fe％（体积百分含量）及FN（铁素体个数，Ferrite Number）数值如下见表6。

由表6可以看出，焊缝及母材δ铁素体（Fe％）及（FN）数值均5、焊接接头宏观及微观组织检查：图7 母材显微组织400×图8热影响区+焊缝显微组织400×按GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》制备试样，经5％弱酸电解溶液腐蚀后，进行焊接接头宏观检查，受检面焊缝均未发现焊接缺陷，在400×放大镜下观察焊缝、热影响区、母材，三区显微组织均为奥氏体+碳化物+铁素体（图7、图8），焊缝中铁素体含量较高，组织有所粗化，但未出现明显的粗大（贯通）柱状晶，另外热影响区比较窄。

母材显微组织均匀（图7）。

五、结论本报告结合奥氏体不锈钢304的焊接特点，进行了手工钨极氩弧焊评定性试验，试验结果表明，在选定的工艺规范参数条件下，焊接接头（母材、焊缝、热影响区）力学性能满足要求、耐晶间腐蚀能力强、铁素体含量稳定、宏观检查未发现焊接缺陷、母材显微组织均匀，评定结果合格，可应用于实际生产。

奥氏体不锈钢304焊接性评定试验报告编制审核批准。