TP304H不銹鋼管焊接工藝試驗研究

奧氏體304H不銹鋼管是日本住友金屬株式會社開發的鍋爐管，鋼型是通過添加適量的Cu、Nb、N，具有高溫強度和高溫塑性的鋼管基于ASTMSA213 TP304H。和高溫抗氧化腐蝕性能。最佳組合在650C的溫度下比ASTM SA213 TP347H的強度高約50%，在超臨界和超臨界爐的高溫受熱面方面具有巨大潛力。這種材料包含在ASME 規范CASE 2328 中，可用于鍋爐設計。日本相關資料顯示，304H不銹鋼管在650溫度下的抗氧化性優于ASTM SA213TP304H不銹鋼管和ASTM SA213 TP347H，而同等條件下的氧化腐蝕僅為其一半。這是因為與SA213 TP347H 相比，ASTM SA213 TP304H 不銹鋼管的晶粒尺寸更小。該鋼種在日本電廠鍋爐過熱器和再熱器部件中使用時間長達10年，用量達到6000多噸，綜合性能良好。因此，304H不銹鋼管的耐久性比SA-213TP347H好很多，即使經過5000hF老化，強度、塑性和硬度也沒有明顯變化。但是，當材料用于鍋爐時，在受熱面的情況下，為了獲得焊接工藝數據和選擇合理的焊接材料，必須對相同和異種鋼接頭的焊接性能進行測試，但有國內外相關資料不多。

為了解304H不銹鋼管的焊接性能，對45.1*4.8、304H、TP347H、T91標準304H小口徑鋼管與同種鋼材進行了焊接工藝試驗，并進行了正確焊接。工藝和熱處理規范已經確定。

2 試驗材料和方法

2.1 測試材料

根據常用銅鍋爐的鍋爐受熱面結構，受熱面采用304H不銹鋼管，必須焊接T91、TP347H等材料，所以必須焊接304H的三種母材。T91和TP347H進行測試。

據相關報道，304H不銹鋼管的氮含量上限控制在0.12%，這主要是由于在工作溫度下長期老化后塑性下降，適量的銅和鈮是添加到管道中。一種提高耐久性強度、耐久塑性和韌性以及耐腐蝕性能的鋼種。

2.2 焊接方法和開槽

為滿足公司生產需要，焊接方式采用熱絲TIG焊和手工鎢極電弧焊，開槽見如圖1。

2.2.1 焊接設備

熱絲TIG焊采用加拿大熱絲焊機，手工鎢極氬弧焊采用華北電焊機廠生產的氬弧焊機，電源極性為直流正極。由于母材和填充材料的Cr 含量非常高，在焊接過程中必須用99.99% 的氬氣保護背面以防止氧化。

2.2.2 焊接材料

同等級304H不銹鋼管焊接，采用304H+TP347H異種鋼焊接和異種鋼焊接。

2.3 焊接規范和熱處理規范焊接：

熱處理：考慮304H、TP347H等異種鋼的焊接，焊后采用高溫回火。

熱處理方法：爐內加熱，755保溫50分鐘，爐內空冷。具體流程見如圖2。

3 試驗檢驗

熔敷金屬的化學成分與母材接近，如表6所示。

3.1 拉伸試驗

對于焊接接頭的橫截面，在總厚度為4.8 mm的范圍內，取試樣共具有兩個室溫特性，結果見表7。

以上數據表明，焊縫金相組織為奧氏體和少量碳化物，接頭抗拉強度滿足母材技術要求，接近母材實測值。熱影響區304H+SA-213T91斷口單位值為焊縫區，焊縫區未發現缺陷，接頭質量良好。

3.2 彎曲試驗

彎曲試樣按《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》制作，兩面兩背面，彎曲軸徑D=3t，前后彎曲角度為90，按規定彎曲角度為50。 GB232 《金屬彎曲試驗方法》。未發現裂紋試驗結果良好，說明焊縫有足夠的塑性和韌性。

4 結果分析

304H不銹鋼管是以ASME SA-213TP304為基礎，降低Mn含量上限，添加約3%Cu，約0.45，是一種新型經濟型18-8奧氏體不銹鋼，結構穩定性好，抗蒸汽氧化性高。 %Nb 和微量N 形成細小的、分散的富銅相，在使用壽命期間沉淀在奧氏體基體中，增強了TP347H 鋼的增強效果和碳氮化合物，并實現了非常高的公差。應力，比當今常用的TP347H 鋼高約20%。從經濟的角度來看，首先這種鋼不含昂貴的Mo、W等貴金屬元素，其次應用于鍋爐時，可以減少鋼管的厚度，降低鍋爐制造成本。相對減少。

304H與珠光體鋼SA-213 T91焊接時，兩者的熱膨脹系數和導熱系數相差較大，使得接頭在焊縫局部加熱和冷卻條件下容易形成較大的拉應力。為了在冷卻時開裂，使用了鎳基焊絲ERNiCr-3（線膨脹系數和導熱系數與SA-213 T91幾乎相同）。

由于不銹鋼304H合金元素較多，更容易產生加工硬化，因此切削加工難度較大。焊接過程中溫度和熱影響面積大。母材和焊絲Ni含量高，熔融金屬流動性低，填充金屬懸浮在焊接面上，母材尺寸小，焊接形狀窄。尤其是304H+SA-213 T91手工鎢極電弧焊，不銹鋼304H的導熱系數低，所以焊接過程中熱量不易散失，304H側的溫度比SA-高。 213 由于T91 側的溫差導致焊接不良。解決的辦法是在焊接過程中人工將焊工偏向SA-213 T91，使焊縫金屬溫度均勻，保證焊縫成型美觀，焊縫質量穩定。

5 測試結論和建議

(1) 同種鋼接頭，焊絲匹配TP304H不銹鋼管，304H不銹鋼管+TP347H異種鋼接頭，焊絲匹配TP304H不銹鋼管，304H+TP347H異種鋼接頭，焊絲匹配ERNiCr-3、755焊后40-50分鐘高溫回火，空冷，焊縫性能符合《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》要求，焊接工藝評定按《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》合格。因此，對超臨界機組鍋爐的過熱器和再熱器等產品進行了匹配和焊接規范的焊接。

(2)控制坡口尺寸是保證焊接質量的關鍵，因此必須嚴格按圖1進行開槽。

(3)在焊接過程中，由于焊縫金屬粘度高，鐵水流動性差，在實際焊接操作中，應適當增大焊工的側擺幅寬，以提高鐵水的流動性。焊接金屬。用SA213 T91焊接時，由于兩種鋼的導熱系數不同，手工氬弧焊應人為偏向SA-213 T91，以保證外觀美觀，質量穩定。

(4)304H不銹鋼管的熱膨脹系數高，導熱系數低，因此在與異種鋼焊接并在高溫下使用時，必須考慮兩種材料的膨脹系數和高溫強度。

(5)在焊后高溫熱處理的情況下，可以提高焊接接頭的性能，保證焊接質量。

(6)從電廠鍋爐過熱器和再熱器各方面的綜合性能和日本10年的應用來看，304H不銹鋼管綜合性能優異，各方面優于常規的18-8奧地利?？捎米鞒R界鍋爐和超臨界鍋爐的過熱器和再熱器材料。