TP304H不锈钢管焊接工艺试验研究

奥氏体304H不锈钢管是日本住友金属株式会社开发的锅炉管，钢型是通过添加适量的Cu、Nb、N，具有高温强度和高温塑性的钢管基于ASTMSA213 TP304H。和高温抗氧化腐蚀性能。最佳组合在650C的温度下比ASTM SA213 TP347H的强度高约50%，在超临界和超临界炉的高温受热面方面具有巨大潜力。这种材料包含在ASME 规范CASE 2328 中，可用于锅炉设计。日本相关资料显示，304H不锈钢管在650温度下的抗氧化性优于ASTM SA213TP304H不锈钢管和ASTM SA213 TP347H，而同等条件下的氧化腐蚀仅为其一半。这是因为与SA213 TP347H 相比，ASTM SA213 TP304H 不锈钢管的晶粒尺寸更小。该钢种在日本电厂锅炉过热器和再热器部件中使用时间长达10年，用量达到6000多吨，综合性能良好。因此，304H不锈钢管的耐久性比SA-213TP347H好很多，即使经过5000hF老化，强度、塑性和硬度也没有明显变化。但是，当材料用于锅炉时，在受热面的情况下，为了获得焊接工艺数据和选择合理的焊接材料，必须对相同和异种钢接头的焊接性能进行测试，但有国内外相关资料不多。

为了解304H不锈钢管的焊接性能，对45.1*4.8、304H、TP347H、T91标准304H小口径钢管与同种钢材进行了焊接工艺试验，并进行了正确焊接。工艺和热处理规范已经确定。

2 试验材料和方法

2.1 测试材料

根据常用铜锅炉的锅炉受热面结构，受热面采用304H不锈钢管，必须焊接T91、TP347H等材料，所以必须焊接304H的三种母材。T91和TP347H进行测试。

据相关报道，304H不锈钢管的氮含量上限控制在0.12%，这主要是由于在工作温度下长期老化后塑性下降，适量的铜和铌是添加到管道中。一种提高耐久性强度、耐久塑性和韧性以及耐腐蚀性能的钢种。

2.2 焊接方法和开槽

为满足公司生产需要，焊接方式采用热丝TIG焊和手工钨极电弧焊，开槽见如图1。

2.2.1 焊接设备

热丝TIG焊采用加拿大热丝焊机，手工钨极氩弧焊采用华北电焊机厂生产的氩弧焊机，电源极性为直流正极。由于母材和填充材料的Cr 含量非常高，在焊接过程中必须用99.99% 的氩气保护背面以防止氧化。

2.2.2 焊接材料

同等级304H不锈钢管焊接，采用304H+TP347H异种钢焊接和异种钢焊接。

2.3 焊接规范和热处理规范焊接：

热处理：考虑304H、TP347H等异种钢的焊接，焊后采用高温回火。

热处理方法：炉内加热，755保温50分钟，炉内空冷。具体流程见如图2。

3 试验检验

熔敷金属的化学成分与母材接近，如表6所示。

3.1 拉伸试验

对于焊接接头的横截面，在总厚度为4.8 mm的范围内，取试样共具有两个室温特性，结果见表7。

以上数据表明，焊缝金相组织为奥氏体和少量碳化物，接头抗拉强度满足母材技术要求，接近母材实测值。热影响区304H+SA-213T91断口单位值为焊缝区，焊缝区未发现缺陷，接头质量良好。

3.2 弯曲试验

弯曲试样按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》制作，两面两背面，弯曲轴径D=3t，前后弯曲角度为90，按规定弯曲角度为50。 GB232 《金属弯曲试验方法》。未发现裂纹试验结果良好，说明焊缝有足够的塑性和韧性。

4 结果分析

304H不锈钢管是以ASME SA-213TP304为基础，降低Mn含量上限，添加约3%Cu，约0.45，是一种新型经济型18-8奥氏体不锈钢，结构稳定性好，抗蒸汽氧化性高。 %Nb 和微量N 形成细小的、分散的富铜相，在使用寿命期间沉淀在奥氏体基体中，增强了TP347H 钢的增强效果和碳氮化合物，并实现了非常高的公差。应力，比当今常用的TP347H 钢高约20%。从经济的角度来看，首先这种钢不含昂贵的Mo、W等贵金属元素，其次应用于锅炉时，可以减少钢管的厚度，降低锅炉制造成本。相对减少。

304H与珠光体钢SA-213 T91焊接时，两者的热膨胀系数和导热系数相差较大，使得接头在焊缝局部加热和冷却条件下容易形成较大的拉应力。为了在冷却时开裂，使用了镍基焊丝ERNiCr-3（线膨胀系数和导热系数与SA-213 T91几乎相同）。

由于不锈钢304H合金元素较多，更容易产生加工硬化，因此切削加工难度较大。焊接过程中温度和热影响面积大。母材和焊丝Ni含量高，熔融金属流动性低，填充金属悬浮在焊接面上，母材尺寸小，焊接形状窄。尤其是304H+SA-213 T91手工钨极电弧焊，不锈钢304H的导热系数低，所以焊接过程中热量不易散失，304H侧的温度比SA-高。 213 由于T91 侧的温差导致焊接不良。解决的办法是在焊接过程中人工将焊工偏向SA-213 T91，使焊缝金属温度均匀，保证焊缝成型美观，焊缝质量稳定。

5 测试结论和建议

(1) 同种钢接头，焊丝匹配TP304H不锈钢管，304H不锈钢管+TP347H异种钢接头，焊丝匹配TP304H不锈钢管，304H+TP347H异种钢接头，焊丝匹配ERNiCr-3、755焊后40-50分钟高温回火，空冷，焊缝性能符合《蒸汽锅炉安全技术监察规程》要求，焊接工艺评定按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》合格。因此，对超临界机组锅炉的过热器和再热器等产品进行了匹配和焊接规范的焊接。

(2)控制坡口尺寸是保证焊接质量的关键，因此必须严格按图1进行开槽。

(3)在焊接过程中，由于焊缝金属粘度高，铁水流动性差，在实际焊接操作中，应适当增大焊工的侧摆幅宽，以提高铁水的流动性。焊接金属。用SA213 T91焊接时，由于两种钢的导热系数不同，手工氩弧焊应人为偏向SA-213 T91，以保证外观美观，质量稳定。

(4)304H不锈钢管的热膨胀系数高，导热系数低，因此在与异种钢焊接并在高温下使用时，必须考虑两种材料的膨胀系数和高温强度。

(5)在焊后高温热处理的情况下，可以提高焊接接头的性能，保证焊接质量。

(6)从电厂锅炉过热器和再热器各方面的综合性能和日本10年的应用来看，304H不锈钢管综合性能优异，各方面优于常规的18-8奥地利。可用作超临界锅炉和超临界锅炉的过热器和再热器材料。