S31035新型奥氏体耐热不锈钢管焊接工艺试验研究

 浙江至德钢业有限公司基于S31035新型奥氏体耐热不锈钢管成分特点，分析了原材料的焊接性;结合备选焊材性能对比完成了焊材选型及焊接工艺方案，据此完成了小口径管TIG焊接工艺试验，包括焊接接头室温力学性能、高温持久性能测试和显微组织特征分析。试验结果表明: S31035小口径耐热不锈钢管具有良好的焊接性，采用高匹配焊接材料可获得良好的接头性能及合格的显微组织。

一、概述

 S31035系欧洲为700℃超超临界锅炉开发的310系列新型奥氏体耐热不锈钢管。利用合金元素的合理配比，该钢在650℃左右具有非常优良的高温持久强度，同时成分中含有23%左右铬元素确保了其抗氧化、抗腐蚀性能优良，较低的钼、硅含量降低了σ相形成的可能性，确保了使用过程中有较高的组织稳定性。目前，该钢种已由ASME Code Case 2753(以下简称CC2753)批准确认、并列入ASME SA-213M(Tube)和ASTM A312/312M(Pipe)，其UNS标号为S31035。CC2753给出的700℃许用应力远高于TP310HCbN不锈钢管，其抗氧化腐蚀能力优于S30432，与TP310HCbN不锈耐热钢管相当。因此在620℃～700℃参数锅炉高温受热面有广阔的应用前景。

 由于奥氏体耐热钢热膨胀系数高，在锅炉制造中主要应用于受热面管屏而不适宜于集箱。受热面管屏系由小口径管焊接、弯管后组装而成，小口径管对接焊工序是其主要工序之一。为了推动S31035新型奥氏体耐热不锈钢管在工程中的应用，本文介绍了该不锈钢管焊接材料的选型、焊接工艺性分析、焊接工艺实践及接头性能验证等一系列工作。

二、试验材料

 试验所用材料φ38×8的S31035小口径不锈钢管材，供货状态为固溶处理，标准化学成分如表所示，标准力学性能如表所示。

三、焊材选型与焊接性分析

 1. 焊接材料选型

 S31035小口径耐热不锈钢管主要用于受热面，小口径管对接方法主要为钨极氩弧焊，焊接材料主要是氩弧焊丝。用于S31035的氩弧焊丝与HR3C相类似，包括同质(成分与母材相近)焊丝和高匹配焊接材料，后者即为CC2753中推荐的EＲNiCr-3、EＲNiCrMo-3、EＲNiCrCoMo-1三种焊材。同质焊丝为新开发焊丝，高温强度较母材有大幅下降，不能满足焊缝使用要求;因此首选焊丝应为高匹配镍基合金焊丝，三种镍基合金焊丝标准成分如表所示。

 三种焊丝典型性能比较如表所示。EＲNi-Cr-3焊丝大量应用于我公司异种钢接头焊接，工艺性最好，但其室温强度低于母材标准值，采用该焊丝作为填充金属存在室温强度不足的风险。EＲNiCrMo-3为625合金的同成分镍基焊丝，具有良好的抗腐蚀性能和低温塑性，但研究显示在700℃以上存在δ相脆化的问题，同时其抗裂性较差，对于存在一定拘束度的焊缝其自愈合作用将会失效，因此采用该焊丝亦存在一定劣势。EＲ-NiCrCoMo-1焊丝常用于高温强度材料焊接的填充材料，具有较好的高温强度，已常用于HR3C的焊接，虽然其流动性较差，在焊接中易产生焊缝夹杂、根部缩孔和内凹缺陷，但可以通过加强焊工技能和过程质量控制加以避免，因此该焊丝应作为S31035耐热不锈钢管焊接材料的首选。

 2. 焊接性分析

 S31035耐热不锈钢管组织是单一的奥氏体组织，具有奥氏体不锈钢高膨胀系数、低热导率的物理特性。采用EＲNiCrCoMo-1焊丝作为填充材料，其焊缝金属从结晶开始到凝固完成生成的组织始终是奥氏体形态，冷却过程中接头所有区域均不发生相变，考察其焊接性时主要考虑焊接热裂纹、使用过程中焊缝高温时效脆化及接头晶间腐蚀问题。如上文所述，采用EＲNiCrCoMo-1焊丝可有效避免使用过程中的焊缝时效脆化问题，火电站运行实践表明，同类奥氏体钢接头腐蚀失效案例极少，可不做重点考虑。

 焊接热裂纹包括焊缝凝固裂纹、液化裂纹及低塑性裂纹。浙江至德钢业有限公司通过可变拘束试验对617合金(EＲNiCrCoMo-1对应同成分原材料)SCTＲ(凝固裂纹温度范围)值进行测定，显示其值为85℃，判定其具有可接受的抗裂纹敏感程度，S31035耐热不锈钢管在锅炉制造过程中用于受热面小管，对接接头拘束度低，不采用强制装配条件下可以避免凝固裂纹。液化裂纹在接头部分熔化区内产生，(铌、钛)C组分液化及硫、磷杂质元素偏析是产生液化裂纹的两大主要原因，对于S31035耐热不锈钢管而言，低铌含量降低了组分液化发生的可能性，若在焊接过程中采用低热输入避免晶粒过分粗化则可以避免组分液化所致的液化裂纹发生。因此控制原材料杂质含量，提高原材料纯净度即可有效的控制S31035钢液化裂纹的产生。低塑性裂纹一般在厚壁部件中出现，在小口径管对接可不做考虑。

四、焊接接头性能研究

 1. 焊接工艺

  考虑到镍基焊丝EＲNiCrCoMo-1可焊性及S31035耐热不锈钢管焊接性的特点，较小的热输入和较低上限层间温度在制定工艺时重点考虑。焊接工艺采用手工钨极氩弧焊及热丝TIG焊焊接工艺，采用Ar99．99%作为保护气体，选用EＲNiCrCoMo-1作为焊接材料，焊后不做热处理，具体工艺规范如表所示。

 2. 接头室温力学性能

 室温拉伸性能试样从焊后接头上直接取样，取样标准按ASME IX相关要求，焊接方法及室温力学性能如表所示。室温拉伸试验结果显示接头均断于焊缝位置，其主要原因是填充材料选用EＲNiCrCoMo-1焊丝，该焊接材料在不进行焊后热处理室温强度约为710～740MPa，但低于该批次S31035管材室温强度740～780MPa;热丝TIG焊接头强度与手工钨极氩弧焊接头强度相当，各接头室温抗拉强度均高于母材标准655MPa，拉伸结果合格。弯曲试样采用两个面弯和两个背弯，弯曲宏观未发现裂纹，弯曲结果合格。

 3. 接头持久性能

  接头持久试样取自样管纵向，按GB/T 2039－2012《金属高温蠕变及持久强度试验方法》进行700℃持久试验，试验机型号RDJ30、负荷精度≤±1%，试验温度≤±3℃、温度梯度≤±3℃。对试验数据点进行双对数线性拟合，10万小时持久强度外推曲线如图(图中箭头标记为试样未断数据)所示，计算得出10万小时持久强度外推值为92.17MPa，与母材持久强度相当(按CC2753，700℃许用应力反推10万小时持久强度值为96.12MPa)。

 4. 接头显微组织

 两种焊接工艺焊接后，S31035耐热不锈钢管焊缝及热影响区组织分别如图所示。从图可知，焊缝组织为奥氏体组织，焊缝区域未见微观裂纹，验证了采用EＲNiCrCoMo-1焊接材料具有较好的冶金焊接性。热影响区未见晶粒明显长大，部分熔化区未见液化裂纹，验证了S31035耐热不锈钢管良好的焊接性。

 五、结论

 1. S31035耐热不锈钢管具有良好的冶金焊接性，采用手工钨极氩弧焊和热丝TIG焊两种焊接工艺方法制备焊接接头均未见热裂纹。

 2. 采用高匹配焊丝EＲNiCrCoMo-1可获得符合ASME标准要求的接头室温力学性能，同时可获得与母材相当的高温持久性能。