奧氏體304H不銹鋼管是日本住友金屬株式會社開發(fā)的鍋爐鋼管，該鋼種是在ASTM SA213 TP304H的基礎(chǔ)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(shè)計中選用。據(jù)日本相關(guān)資料介紹，304H不銹鋼管在溫度650℃時的抗氧化性優(yōu)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(yīng)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(nèi)，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(jié)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(shù)據(jù)，選配合理的焊接材料，而這方面國內(nèi)外相關(guān)資料提供不多。

為了掌握304H不銹鋼管的焊接性能，進行了規(guī)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(guī)范。

2試驗材料及方法

2.1試驗材料

根據(jù)東鍋公司鍋爐受熱面常用結(jié)構(gòu)，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(jù)相關(guān)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(yīng)公司的生產(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(guī)范及熱處理規(guī)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(xué)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(nèi)取樣，共2個常溫性能，其結(jié)果見表7。

以上數(shù)據(jù)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(shù)條件要求，與母材的實測值較為接近，斷口位置在熱影響區(qū)304H+SA-213T91斷口位置在焊縫，焊縫區(qū)未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，接頭質(zhì)量良好。

3.2彎曲試驗

彎曲試樣按《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)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(guī)定進行，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，試驗結(jié)果良好，表明焊縫有足夠的塑性和韌性。

4結(jié)果分析

304H不銹鋼管是一種新型的、經(jīng)濟型的18-8奧氏體不銹鋼，具有良好的組織穩(wěn)定性，較高的抗蒸汽氧化性能，它是在ASME SA-213TP304的基礎(chǔ)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(chǎn)生細小而彌散的富銅相沉淀于奧氏體母相內(nèi)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(yīng)力，至少較目前常用的TP347H鋼要高約20%以上。從經(jīng)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(yīng)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(shù)、導(dǎo)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(yīng)力，從而形成裂紋，故選用鎳基焊絲ERNiCr-3，（線脹系數(shù)、導(dǎo)熱性能與SA-213 T91近同）。

由于不銹鋼304H合金元素較多，容易產(chǎn)生加工硬化，使切削加工較難進行；其熱膨脹系數(shù)高，導(dǎo)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(qū)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(guī)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(dǎo)熱性能差，焊接過程熱量不易散去，304H一側(cè)的溫度要比SA-213 T91側(cè)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(yīng)人為的將焊機偏向SA-213 T91一側(cè)，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(zhì)量穩(wěn)定。

5試驗結(jié)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(jīng)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(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求，按《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》進行焊接工藝評定合格，因此，可以將該匹配及焊接規(guī)范用于超臨界機組鍋爐中過熱器、再熱器等產(chǎn)品焊接。

（2）控制坡口尺寸是保證焊接質(zhì)量的關(guān)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(dāng)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(dǎo)熱性的不同，手工氬弧焊焊接時應(yīng)人為的將焊機偏向SA-213 T91一側(cè)，這樣可以保證焊縫成型美觀，質(zhì)量穩(wěn)定。

（4）304H不銹鋼管熱膨脹系數(shù)高，導(dǎo)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(shù)和高溫強度匹配問題。

（5）焊后在高溫?zé)崽幚淼那闆r下，可以改善焊縫接頭性能，確保焊接質(zhì)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(yīng)用情況來看，304H不銹鋼管表現(xiàn)出良好的綜合性能，各方面均優(yōu)于常規(guī)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。