奧氏體304H不銹鋼管是日本住友金屬株式會社開發的鍋爐鋼管，該鋼種是在ASTM SA213 TP304H的基礎上加入適量的Cu，Nb，N，從而達到高溫強度、高溫塑性以及抗高溫氧化腐蝕性能的最佳組合，其強度在溫度為650℃高出ASTM SA213 TP347H 50%左右，用于超臨界爐和超超臨界爐的高溫段受熱面具有較大潛力。該材料已納入ASME code CASE 2328，可以在鍋爐設計中選用。據日本相關資料介紹，304H不銹鋼管在溫度650℃時的抗氧化性優于ASTM SA213 TP304H不銹鋼管和ASTM SA213 TP347H，相同條件下的氧化腐蝕僅為ASTM SA213 TP304H不銹鋼管的一半，稍遜于SA213 TP347H ，其主要原因是晶粒度細小。該鋼種在日本的電站鍋爐過熱器、再熱器部件上的應用時間長達10a，用量已達6000余t，顯示出良好的綜合性能；國內，上海鍋爐廠1999年完成了其在650℃下的高溫持久強度試驗、長期時效試驗等等，結果表明304H不銹鋼管的持久強度明顯好于SA-213TP347H，且5000hF時效后，強度、塑性和硬度均變化不大，但該材料如果用于鍋爐受熱面，需對同種鋼、異種鋼接頭的焊接性能進行試驗，以取得焊接工藝數據，選配合理的焊接材料，而這方面國內外相關資料提供不多。

為了掌握304H不銹鋼管的焊接性能，進行了規格為45.1*4.8的304H小口徑鋼管同種鋼以及304H、TP347H、T91焊接工藝試驗，并確定合適的焊接工藝及熱處理規范。

2試驗材料及方法

2.1試驗材料

根據東鍋公司鍋爐受熱面常用結構，304H不銹鋼管用于受熱面，必然與T91、TP347H等材料相焊接，因此，選用304H、T91、、TP347H三種母材進行試驗。

據相關資料報道，304H不銹鋼管氮含量上限控制在0.12%，主要是考慮到運行溫度下長期時效后塑性下降；鋼種中加入適量的銅和鈮，是為了提高其持久強度、持久塑性、韌性及抗腐蝕性。

2.2焊接方法及坡口加工

為適應公司的生產需要，焊接方法采用熱絲TIG焊和手工鎢極氬弧焊，坡口加工如圖1所示。

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上海華北電焊機廠生產的氬弧焊機，電源極性均為直流正接。因為母材與填充材料的Cr含量很高，為防止氧化，焊接過程中背面須通99.99%氬氣保護。

2.2.2焊接材料

采用304H不銹鋼管同種鋼焊接，304H+TP347H異種鋼焊接，異種鋼焊接。

2.3焊接規范及熱處理規范焊接：

熱處理：考慮304H與TP347H等的異種鋼焊接，焊后采用高溫回火。

熱處理方法：隨爐升溫，755℃條件下保溫50min，然后出爐空冷的形式。具體工藝如圖2所示。

3試驗檢驗

熔敷金屬化學成分接近于母材，如表6。

3.1拉伸試驗

焊接接頭橫向試樣在全厚度4.8mm范圍內取樣，共2個常溫性能，其結果見表7。

以上數據表明：焊縫金相組織為奧氏體及少量碳化物，接頭的抗拉強度滿足母材的技術條件要求，與母材的實測值較為接近，斷口位置在熱影響區304H+SA-213T91斷口位置在焊縫，焊縫區未發現任何缺陷，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》制備面、背各2個，彎軸直徑D=3t，面、背彎曲角度90°彎曲角度50°按GB232《金屬彎曲試驗方法》規定進行，未發現任何裂紋，試驗結果良好，表明焊縫有足夠的塑性和韌性。

4結果分析

304H不銹鋼管是一種新型的、經濟型的18-8奧氏體不銹鋼，具有良好的組織穩定性，較高的抗蒸汽氧化性能，它是在ASME SA-213TP304的基礎上通過降低Mn含量上限，加入約3%的Cu、約0.45%的Nb和微量的N，使該鋼在服役期運行時產生細小而彌散的富銅相沉淀于奧氏體母相內的沉淀強化以及碳、氮化合物的強化作用，而得到很高的許用應力，至少較目前常用的TP347H鋼要高約20%以上。從經濟觀點看，首先這種鋼不含昂貴的Mo，W等貴重金屬元素，其次，其在鍋爐上的應用能減薄鋼管壁厚，相對的能降低鍋爐制造成本。

304H與珠光體鋼SA-213 T91焊接時，由于二者的熱膨脹系數、導熱性能等相差很大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，接頭在冷卻過程中易形成較大的拉應力，從而形成裂紋，故選用鎳基焊絲ERNiCr-3，（線脹系數、導熱性能與SA-213 T91近同）。

由于不銹鋼304H合金元素較多，容易產生加工硬化，使切削加工較難進行；其熱膨脹系數高，導熱性差，熱量不容易擴散，致使焊接過程中，溫度很高，熱影響區很大。母材及焊絲中Ni含量較高，鐵水流動性差，填充金屬懸浮于焊縫表面，母材規格小，焊縫成型較窄。特別是304H+SA-213 T91手工鎢極氬弧焊焊接，由于不銹鋼304H的導熱性能差，焊接過程熱量不易散去，304H一側的溫度要比SA-213 T91側高，因為溫度差的存在，焊縫成型差。解決的辦法是：焊接過程中，應人為的將焊機偏向SA-213 T91一側，使焊縫金屬溫度均勻化，這樣可以保證焊縫成型美觀，焊接質量穩定。

5試驗結論及建議

（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，焊后經40-50min的755℃高溫回火，然后空冷的熱處理方式，其焊縫接頭性能滿足《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》要求，按《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》進行焊接工藝評定合格，因此，可以將該匹配及焊接規范用于超臨界機組鍋爐中過熱器、再熱器等產品焊接。

（2）控制坡口尺寸是保證焊接質量的關鍵，因此要求坡口加工嚴格按圖1進行。

（3）在焊接過程中，由于焊縫金屬粘度大，鐵水流動性差，故實際焊接操作時適當增大焊機橫向擺動寬度，以提高焊縫金屬的流動性。在與SA213 T91焊接時，因為兩種鋼導熱性的不同，手工氬弧焊焊接時應人為的將焊機偏向SA-213 T91一側，這樣可以保證焊縫成型美觀，質量穩定。

（4）304H不銹鋼管熱膨脹系數高，導熱性差，故在與異種鋼焊接并在高溫下使用時，須考慮兩種材料的膨脹系數和高溫強度匹配問題。

（5）焊后在高溫熱處理的情況下，可以改善焊縫接頭性能，確保焊接質量。

（6）綜合各方面性能及日本在電站鍋爐過熱器和再熱器上長達10年的應用情況來看，304H不銹鋼管表現出良好的綜合性能，各方面均優于常規的18-8奧氏體不銹鋼，可用做為超臨界鍋爐及超超臨界鍋爐的過熱器和再熱器材料。