304／304L和316／316L奥氏体不锈钢焊接性能的对比与分析

对比了304/304L和316/316L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。

304L和316L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，304L和316L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

304和304L、316和316L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。316与304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2（E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304/304L和316/316L奥氏体不锈钢，根据公司现场实际，综合考虑后选用了GTAW、GTAW+FCAW、GTAW+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 B31.3‐2008，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-308L、GFS-308L和GWS-308L/GXS-300，而针对316/316L不锈钢的壁厚，则选择了GTAW和GTAW+FCAW两种工艺，使用焊材分别为TGS-316L和GFS-316L。由表3可知，它们的化学成分与对应钢材相似，且Cr、Ni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2.0和2.4mm，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S、P、Si和Nb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3为1.07-1.1.56；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1、2、3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。

对304/304L不锈钢，本文选取了编号为5、7和8的试验作为分析依据，根据表6可知，试验5、7和8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2（b），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。