Application and Research for K-TIG Welding Technology in S30408 Stainless Steel Pressure Vessels

K-TIG焊在应变强化S30408不锈钢压力容器上的试验研究 Application and Research for K-TIG Welding Technology in S30408 Stainless Steel Pressure Vessels 1 first-author 陈日昱（1986—），男，学士，国际焊接工程师，主要从事压力容器质保体系管理及产品质量控制、先进焊接工艺的研究。 陈日昱（1986—），男，学士，国际焊接工程师，主要从事压力容器质保体系管理及产品质量控制、先进焊接工艺的研究。 2 corresp 严晓君（1972—），男，学士，高级工程师，主要从事特种设备检验及无损检测的研究。 严晓君（1972—），男，学士，高级工程师，主要从事特种设备检验及无损检测的研究。 1 1 1 2 中船澄西(泰州)装备科技有限公司,江苏 泰州 214514 中船澄西(泰州)装备科技有限公司,江苏 泰州 214514 Chengxi (Taizhou) Equipment Technology Co., Ltd., Taizhou 214514, China Chengxi (Taizhou) Equipment Technology Co., Ltd., Taizhou 214514, China 江苏省特种设备安全监督检验研究院 泰州分院,江苏 泰州 214500 江苏省特种设备安全监督检验研究院 泰州分院,江苏 泰州 214500 Taizhou Branch of Jiangsu Provincial Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection, Taizhou 214500, China Taizhou Branch of Jiangsu Provincial Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection, Taizhou 214500, China 降低重容比、实现轻量化对“双碳”目标下的焊接技术提出了更高的应用要求。针对高效深熔氩弧焊（以下简称K-TIG）技术在应变强化容器上的应用开展试验研究，分析对比采用K-TIG工艺焊接国产奥氏体不锈钢S30408在0%预拉伸（方案A）、采用应力控制法对产品焊接试板进行预拉伸（方案B），以及对容器进行应变强化试验后（方案C）焊接接头的强度、断口形貌、塑性、韧性、金相组织、晶粒度、夹渣等的变化。结果表明，K-TIG焊接头质量稳定，焊缝成形美观，生产效率大幅提升，方案A、B、C三种不同条件下的试样各项性能指标均满足标准要求。经过应变强化后，接头屈服强度显著增加，激发了塑性储备，有效提高了屈强比，可更大程度地发挥材料的承载能力，进而提高材料实际的许用应力，实现了轻量化的绿色设计与制造，可用于低温压力容器的制造。 To reduce the ratio of weight to volume and realize the lightweight, the welding technology under the “Double carbon”target has put forward higher application requirements.In this paper, the application of high efficiency deep penetration Argon arc welding technology in strain-strengthened vessel is studied, the changes of strength, fracture morphology, plasticity, toughness, microstructure, grain size and slag inclusion of the welded joint of domestic austenitic stainless steel S30408 welded by K-TIG process under 0% pre-stretched, welding seam specimen made from the product welding test plate after pre-stretched by stress control method and the specimen made from the strain-strengthened vessels were analyzed and compared. The results show that welding joint quality is stable, the weld appearance is beautiful, and the production efficiency is greatly improved. The properties of the samples under different conditions of A,B and C all meet the standard requirements. After strain strengthening, the yield strength increases significantly, which stimulates the plasticity reserve, effectively improves the ratio of yield to strength, and brings into full play the bearing capacity of the material to a greater extent, thus increasing the practical allowable stress of the material, it can be used in the manufacture of low temperature pressure vessel. K-TIG工艺 应变强化 S30408不锈钢 压力容器 轻量化 K-TIG strain-strengthening S30408 austenitic stainless steel pressure vessel lightweight 前言 1 奥氏体不锈钢屈服强度低、抗拉强度高，塑性裕量较大，通过牺牲其部分塑性来提高屈服强度，进而降低奥氏体不锈钢压力容器的设计壁厚，已成为节约制造成本及运输成本、提高经济效益的重要手段，这一过程通常被称为奥氏体不锈钢的应变强化 ［ 1 1 ］ 。采用奥氏体不锈钢应变强化技术制造压力容器是低温压力容器轻量化的重要技术手段，但应变强化也会使不锈钢材料的组织和力学性能发生改变。 K-TIG焊是在传统TIG焊基础上采用大电流（＞300 A）并配合高效冷却作用的特制焊枪实现大熔深的一种焊接方法 ［ 2 2 ］ 。与传统TIG焊相比，K-TIG焊热源能量密度高、电弧集中，在热输入相同的情况下，电弧中较多的热量传导到工件内部，减小焊接接头软化程度，特别在中厚板焊接方面，K-TIG焊接能实现单面焊双面成形且无需进行坡口加工处理，生产效率高、成本低 ［ 3 3 ］ 。K-TIG焊适用于热导率低、表面张力大和液态金属密度高的材料。 降低重容比、实现轻量化对“双碳”目标下的焊接技术与生产工艺提出了更高的应用要求。本文以按照GB150—2011《压力容器》（合订本） ［ 4 4 ］ 、TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》 ［ 5 5 ］ 、T/CATSI 05001—2018《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》 ［ 6 6 ］ 设计制造的应变强化容器为研究对象，针对K-TIG焊接技术在示范容器纵缝A1、A2的应用情况开展了相关试验研究，分析对比K-TIG工艺焊接国产奥氏体不锈钢S30408在0%预拉伸、采用应力控制法预拉伸焊接试板以及应变强化试验三种不同条件下焊接接头的形貌、组织和力学性能，进一步验证K-TIG焊技术在应变强化压力容器上应用的可靠性与稳定性，以期为低温压力容器制造提供参考。 试验材料 1 试验母材为国内某厂生产的8 mm厚度S30408不锈钢，供货状态为固溶、酸洗、不切边，执行标准为GB/T24511—2017，其金相分析如 图1 图1 所示。母材由奥氏体和铁素体组成，奥氏体平均晶粒度为7.5级，夹杂物级别为D0.5，其力学性能和化学成分分别如 表1 表1 、 表2 表2 所示。焊丝采用国内某厂生产的不锈钢应变强化专用焊材GMS-308 LM（H03CrNi10Si），直径1.2 mm，执行标准为NB/T47018.3—2017， 化学成分如 表2 表2 所示。 1,2,3; 抗拉强度 R m /MPa 屈服强度 R p0.2 /MPa 伸长率 A /% 520~720 ≥220 ≥45 材质 C Si Mn P S Cr Ni Mo S30408 不锈钢 0.03 0.46 1.14 0.022 0.001 18.19 8.01 — GMS-308 LM 焊丝 0.021 0.49 0.64 0.018 0.012 19.99 9.71 0.16 试验方案 1 焊接工艺要求 2 焊接试件使用与容器相同炉批号的原材料制备，规格DN1800 mm× δ 8 mm，并将其定位在筒节纵向焊缝的延长部位。焊缝采用I型坡口，组对间隙0~0.5 mm，对口错边量控制在0~0.8 mm，焊前将坡口两侧油污等污染物打磨清理干净，并用丙酮溶液清洗。采用HTIG-1000型高效深熔弧焊机对容器纵缝及产品试件进行焊接，使用相同的焊接工艺参数、焊材与筒节同时施焊，焊接工艺参数如 表3 表3 所示。焊枪尾部采用拖罩通气保护，焊缝背面采用工装进行气体保护，使用纯氩气作为保护气体，气体流量为 20 L/min， 保证气体有足够的挺度，以提高其抗干扰的能力。 层数 焊接 电流 I /A 焊接 电压 U /V 焊接速度 v /（mm·min -1 ） 钨棒 直径 <math id="M1"><mi mathvariant="normal">ϕ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=36034090&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=36034086&type= 1.43933344 2.45533323 /mm 摆动 宽度 B /mm 摆动速度 v /（mm·min -1 ） 1 380 15~18 380 6.4 — — 2 250 13~16 250 4.0 6 900 方案设计 2 按照设计要求制作如 图2 图2 所示的试验容器，罐体直径1 800 mm，厚度8 mm，几何容积9.28 m 3 ，设计压力2.1 MPa。容器焊缝标识如 图3 图3 所示，开展A、B、C三种试验方案研究，如 表4 表4 所示。 方案 取样来源 试板状态描述 A A1纵缝产品焊接试件 0%预拉伸 B A2纵缝产品焊接试件 应力法预拉伸后 C A1纵缝最大变形区域 应变强化试验后 方案A 3 对于A1纵缝产品焊接试件，在0%预拉伸条件下开展试验。试验项目详见 表5 表5 。 序号 试验项目 试验设备 设备型号 试验标准 1 室温拉伸 电子万能试验机 ETM305D GB/T 228.1—2010 ［ 7 7 ］ 2 室温弯曲 电液控制冷弯试验机 DYZ-200ZN-DFZ GB/T 2653—2008 ［ 8 8 ］ 3 -196 ℃低温冲击，侧向膨胀量 微机控制金属摆锤冲击试验机 PIT452D-3 GB/T 229—2020 ［ 9 9 ］ 4 金相组织 金相显微镜/电解抛光腐蚀仪 GX41/EP-06 GB/T 13298—2015 ［ 10 10 ］ 5 夹杂物 金相显微镜 GX41 GB/T 10561—2005 ［ 11 11 ］ 6 晶粒度 金相显微镜 GX41 GB/T6394—2017 ［ 12 12 ］ 方案B 3 对于A2纵缝产品焊接试件，预拉伸试样的切取和试样数量依据NB/T47016 ［ 13 13 ］ 规定执行，按照T/CATSI 05001—2018《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》 ［ 6 6 ］ D.2.2.2条款， 采用应力控制法进行预拉伸，预拉伸后制样并按照 表5 表5 所列项目开展试验。预拉伸时满足如下要求：保证预拉伸试样与试验机的同轴度；平均应力加载速率不大于1 MPa/s；达到预拉伸终止应力值（410 MPa）后保持载荷不变、时间不少于15 min后卸载。焊接试件预拉伸加载的应力-时间和位移-时间的关系曲线如 图4 图4 所示。 1;2; 方案C 3 将容器进行应变强化试验处理，满足T/CATSI 05001-2018 ［ 6 6 ］ 附录E要求。强化试验压力3.383 MPa，强化压力控制精度±1%，设计压力阶段升压速率为0.5 MPa/min，强化压力阶段升压速率为0.1 MPa/min，按照试验大纲要求对内容器的焊接接头进行形状尺寸、密性及异常声响检查。测量每个可能产生最大变形截面的周长和轴向长度，并计算该截面的周长变化率。应变强化压力-时间曲线如 图5 图5 所示。试验后在容器纵缝A1最大变形截面区域进行破坏性取样，并按照 表5 表5 所列项目开展试验。 试验结果及其分析 1 力学性能 2 强度变化 3 方案A、B、C试验结果显示，焊接接头室温拉伸抗拉强度 R m ≥520 MPa，断后伸长率 A ≥25%，均满足T/CATSI 05001—2018 ［ 6 6 ］ 的指标要求。应力法预拉伸对抗拉强度变化影响并不明显（平均应力加载速率不大于1 MPa/s；达到预拉伸终止应力值410 MPa后保持载荷不变，时间不少于15 min后卸载，试板形变量为35 mm），但能有效提高屈服强度。对于低温奥氏体不锈钢容器的设计与制造，应变强化试验后，无需或仅需较小的预应变便可达到预期的材料强度，更具经济性和节能性。 冲击韧性变化 3 衡量焊接接头低温韧性好坏的指标为夏比V型缺口冲击功（ KV 2 ）和侧向膨胀量 LE 。低温夏比摆锤冲击试验主要是测定材料在低温环境下的冲击韧性，即材料抵抗变形和断裂的能力，这是低温容器设计和验收时考虑的重要力学指标 ［ 15 15 ］ 。方案A、B、C试验结果显示，-196 ℃下的夏比冲击吸收能量 KV 2 ≥31 J（以标准试样为依据），侧膨胀值 LE ≥0.53 mm，均满足T/CATSI 05001—2018 ［ 6 6 ］ 中 表4 表4 的合格指标要求。室温应变强化虽然使奥氏体不锈钢材料损失了一部分塑性，焊缝及热影响区的冲击力和侧向膨胀率有下降趋势，但是材料的韧性仍然优良。冲击吸收能量和侧向膨胀量对比如 图7 图7 、 图8 图8 所示。 弯曲试验 3 按照GB/T2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》进行面弯和背弯，弯曲试样轴向垂直于焊缝，焊缝中心对准弯芯轴线，弯曲角度为180°，焊接接头弯曲试验的弯头直径为试件厚度的4倍，且焊缝应位于变形最大处。3种方案的弯曲试样拉伸面均未发现裂纹。 室温拉伸断口形貌 2 按照JY/T 0584—2020《扫描电子显微镜分析方法通则》 ［ 14 14 ］ 要求，通过扫描电镜观察拉伸试样的断口，发现断裂位置均在母材，如 图9 图9 所示。可以看出，断口上分布着大量的韧窝和撕裂棱，韧窝密集均匀，韧窝底部未发现第二相颗粒，表现出明显的韧性断裂，预拉伸和应变强化试验的拉伸试样断口形貌未产生明显变化。 1;2; 金相试验 2 微观组织 3 按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对试样进行磨制、抛光、电解抛光腐蚀，并在金相显微镜下观察接头组织，如 图10 图10 所示。由图可知，3种方案试样的焊缝及热影响区都呈现出奥氏体和铁素体的混合组织。由于母材与焊丝化学成分相似，其熔池中Cr、Ni元素比值大于18∶12，焊缝凝固初析相为σ铁素体，且铁素体呈现骨架状和部分板条状，凝固模式为FA模式，奥氏体晶粒被铁素体枝晶分割为柱状和胞状，铁素体存在于奥氏体晶界处，在一定程度上限制了奥氏体晶粒的长大，铁素体的枝晶沿着母材的厚度方向生长。骨架状铁素体形成与焊缝中心的冷却速度较缓有关，奥氏体消耗铁素体而不断生长，随着相变进行，残留在铁素体中的Cr、Mo等铁素体生成元素逐渐富集，奥氏体生成元素Ni、N、C等元素逐渐贫化，直到这个过程使得铁素体在一个扩散受到限制的较低温度下稳定为止。部分板条状铁素体的形成与Creq/Nieq值靠近FA范围上限以及K-TIG焊接速度较快，尤其是远离焊缝中心的区域焊接冷却速率较快有关。冷却速率过快导致铁素体-奥氏体相变扩散时受限，扩散距离减少，致使生成紧密排列的板条状形态更加有效，使得残留铁素体转变为横切过原始枝状晶或胞状晶生长方向的板条状。 1;2; 夹杂物 3 按照GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定-标准评级图显微检验法》A法对焊接接头进行非金属夹杂物检测，对照图谱得出：3种方案的试样焊缝及热影响区非金属夹杂物级别为D0.5，应变强化对此无影响，如 图11 图11 所示。 晶粒度 3 按照标准GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》检查焊缝热影响区的晶粒度。结果发现，A、B、C三种方案的奥氏体晶粒度分别为7级、7.5级、6.5级，说明热影响区的晶粒并未出现明显的晶粒粗化现象，这是因为K-TIG焊接速度快，只在焊缝局部区域加热，母材受到的热作用较小，见 图12 图12 。 1,2,3; 应用前景及实施案例 1 K-TIG焊接技术大幅提高了电弧穿透力，能够实现中厚板单面焊双面成型，弥补了传统TIG焊熔深浅的缺点，已成功应用于食品、医疗器械等行业。同时，其焊接速度快、质量稳定、接头强度高、焊材用量小、制造成本低的特点得到了压力容器制造厂家的青睐，中船澄西（泰州）装备科技有限公司通过对样品压力容器开展破坏性的取样试验，进一步验证了K-TIG焊接技术在应变强化压力容器上应用的可靠性与稳定性。目前已在不锈钢制罐式集装箱、船用LNG储罐项目上取得了良好的工程应用效果，具有较大的发展潜力，K-TIG焊接技术的推广与应用将为我国制造业水平的提升和产品升级换代提供有力的技术保障，其关键在于焊接其他材料时如何保证小孔的稳定性，即保证焊接过程电弧压力、熔池重力及表面张力的动态平衡。 结论 1 （1）K-TIG焊接技术的接头质量稳定，在方案A、B、C三种不同条件下的拉伸断口均在母材，表现出明显的韧性断裂特征；弯曲试样拉伸面均未发现裂纹；-196 ℃下的夏比冲击吸收能量以及侧膨胀值均满足标准要求。 （2）K-TIG焊接技术的接头热影响区并未出现晶粒粗化现象，焊缝及热影响区都呈现出奥氏体和铁素体的混合组织，应变强化对焊缝及热影响区非金属夹杂物无影响。 （3）K-TIG焊接技术成功应用于应变强化压力容器的制造。焊接接头经过应变强化后，屈服强度显著增加，激发了塑性储备，有效提高了屈强比，更大程度地发挥材料的承载能力，进而提高材料实际的许用应力，实现轻量化的绿色设计与制造。 （4）K-TIG焊接技术无飞溅、气孔、夹杂等缺陷，降低了高技能焊工资源稀缺的影响，助力我国焊接制造技术的精细化发展和自动化水平的提升。 参考文献 惠志全 . 应力控制和应变控制模式下304奥氏体不锈钢的应变强化 ［J］. 理化检验：物理分册 ， 2018 ， 54 （ 7 ）： 496 - 498，518 . 应力控制和应变控制模式下304奥氏体不锈钢的应变强化 Hui Z Q . 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