304L不锈钢管／304LL和316／316L奥氏体不锈钢焊接性能的比照与剖析

比照了304L/304LL和316/316L奥氏体不锈钢钢材的化学成分和力学性能，经过氩弧焊、药芯气保焊和埋弧焊三种焊接工艺比拟了两者的焊接资料、焊接参数、组织构造、焊缝力学性能。

304LL和316L类低碳型奥氏体不锈钢具有在低至-196℃的温度下退役的共同优势。特别是在近年来全球对液化自然气（LNG）的持续增长需求，LNG设备的建造需求逐步增加，304LL和316L奥氏体不锈钢的运用也日渐普遍。

1化学成分与力学性能比照

304L和304LL、316和316L主要区别在于含碳量的几。含碳量高表示抗高温性能和抗氧化性能更好；而含碳量低经过研讨标明其抗晶间腐蚀才能更为优越。316与304L的主要差别在于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腐蚀的性能，所以更常用于海洋环境。 本文实验中所运用的母材均为ASTM A358 304L/304LL，关于本应运用316/316L展开的实验也运用304L/304LL母材停止了替代，它们的实践成分见表1。其它力学性能数据见表2（E批号实验中不曾运用，是本项目中的316/316L钢材，用以比照）。

2焊接工艺评定

针对304L/304LL和316/316L奥氏体不锈钢，依据公司现场实践，综合思索后选用了GTAW、GTAW+FCAW、GTAW+SAW三种工艺。

2.1坡口设计

关于壁厚小于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焊接资料

项目选用了三种工艺，运用焊材分别为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，运用焊材分别为TGS-316L和GFS-316L。由表3可知，它们的化学成分与对应钢材类似，且Cr、Ni含量比母材都略微高一些，316/316L的焊材Mo含量到达2.18%。

2.3焊接参数

不锈钢的焊接不宜运用大的热输入，所以应选择小电流，快速焊。实践实验中的焊接参数及其它工艺细节见表4。

除下述参数外，施焊前将坡口处清算洁净，制止油脂污染避免焊接时惹起气孔和渗碳。焊接过程中只允许运用不锈钢钢丝刷清算坡口和焊缝外表。每组实验的预热温度都控制在10℃以上，层间温度控制在175℃以下。焊枪维护气和背部维护气体均为Ar，纯度为99.99%。气体流量为15-25L/s。由于氩弧工艺普通运用的焊丝直径为2.0和2.4mm，所以参数普通较小，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。关于纯氩弧焊工艺，热输入最高的中央普通出如今打底时，缘由是为保证封底质量，刚开端焊接速度常常较慢。

3焊接性能比照

经过无损探伤检测、组织构造剖析和力学性能测试之后，上述实验顺利经过了焊接工艺评定，而且机械性能等实验结果良好。

3.1组织构造剖析

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，能避免这些元素的偏析和构成低熔点共晶，从而阻止凝固裂纹（热裂纹）产生；同时铁素体对进步焊缝耐晶间腐蚀和应力腐蚀的性能效果明显。

综合汇总实验的FN结果见表5。从表中可知，铁素体含量总体在5.7左右，契合项目3-8的请求。由于实验所运用母材均为ASTM A358 304L/304LL，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力学性能比照

不锈钢的弹性功比拟小，其冲击性能主要耗费在塑性变形及裂纹扩展和断裂上。因而，单纯以冲击功作为权衡冲击韧性的指标不适宜。

目前LNG项目普遍采用ASME B31.3规范的规则，对奥氏体不锈钢请求-196℃下冲击侧向收缩值大于0.38mm，以至一些不请求按ASME标准的项目也采用这一规则。但是ASME规范对冲击功没有明白请求，当然，还是有不少欧洲的LNG项目对冲击能量值有详细请求。例如TÜV规范设计建造的项目常常请求冲击功必需大于32J。

不同的焊接细节对相应焊缝金属的韧性有不同水平的影响，316/316L不锈钢焊接实验的-196℃的冲击功和侧向收缩值如下图2(a)。从图中可见，冲击功值越大，侧向收缩值越大，两者之间存在一定的对应关系。值得一提的是同样关于316/316L（实为304L/304LL）钢材和316系列焊丝的实验，冲击功却存在明显差距：实验1的侧向收缩值为0.87-1.43，实验3为1.07-1.1.56；但是当实验3的冲击功为138-159J时，实验1却低至23-39J，差距缘由后文将继续剖析。 关于每组实验的取样点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收缩值最低，越靠近母材，冲击功和侧向收缩值越高。实验2和实验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收缩值明显高于药芯气保焊。

对304L/304LL不锈钢，本文选取了编号为5、7和8的实验作为剖析根据，依据表6可知，实验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收缩值见图2（b），由图可见，三种工艺的冲击功依次减小，侧向收缩值的走向与冲击功走向大致坚持分歧，但并不成线性关系。

从总体来看，304L/304LL的侧向收缩值和冲击值比316/316L都高；扫除实验1氩弧工艺冲击值和侧向收缩值最高，埋弧工艺次之，二氧工艺表现最差。实验1为氩弧工艺，依照上述剖析冲击值应该比拟高，但实践却相反。由于实验1与|57外表56|的是相同批号的母材，图3对两者的冲击和侧向收缩停止了比照。经过比照发现，两者的冲击和侧向收缩值都较低，但304L/304LL的实验值略高一些，由此也印证了304L/304LL的侧向收缩值和冲击值比316/316L高；同时还应证了冲击功大，侧向收缩值不一定高的现象。而究其值较低的缘由却在母材，从表4可知，该批号的母材冲击功只要30J。

4结论

304L/304LL和316/316L同属奥氏体不锈钢，但两者之间也存在一些差别，本文对其成分及焊接性能停止了比照，得出结论如下： 1）316与304L的主要差别在于Ni元素的含量有所增加，并且添加了2-3%的Mo元素；316/316L不锈钢具有更高的耐蚀性。 2）316/316L的熔覆金属比304L/304LL铁素体含量更低；铁素体含量几与焊接工艺则没有直接关系。 3）304L/304LL的侧向收缩值和冲击值相比316/316L较高；侧向收缩值和冲击功之间存在一定的对应关系，但冲击功值增大，并不代表侧向收缩值也一定增大。