化學(xué)成分與各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，對(duì)奧氏體不銹鋼抗耐酸腐蝕性能是有取向性的：鉻，釩，硅等元素，對(duì)抗HNO3類氧化性酸的腐蝕性能是有利的；鎳，銅等元素，對(duì)抗HCl或硫酸類還原性酸的腐蝕性能是有利的；鉬含量在2%～3%，在各類酸中，特別是還原性酸中，能明顯地表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性能。根據(jù)奧氏體不銹鋼材料抗酸腐蝕性能的取向性，選取了適用于硫酸、亞硫酸及其鹽類腐蝕環(huán)境，有抗腐蝕性能的20合金材料作為試驗(yàn)材料，其試驗(yàn)過程如下。
一、試驗(yàn)?zāi)覆募耙?guī)格
20合金材料，在美國(guó)ASME—2010標(biāo)準(zhǔn)中的牌號(hào)為SA-351CN7M，公稱成分28Ni-19Cr-Cu-Mo，機(jī)加工時(shí)的鑄件為固溶熱處理狀態(tài)，其組織為純奧氏體，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表。試板加工及組對(duì)尺寸按圖的要求進(jìn)行，機(jī)加工后表面粗糙度要求達(dá)到6.3μm以上。
二、焊接方法
焊接方法采用常用的焊條電弧焊（SMAW）。
三、焊接材料的選擇
根據(jù)AWSD1.6/D1.6M：2007《不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的推薦，焊接材料選擇牌號(hào)為E320LR-16，規(guī)格為準(zhǔn)3.2mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表。
四、焊接性分析與工藝選擇
1. 焊接性分析
根據(jù)母材選定的焊接材料，以表中給出的化學(xué)成分，按下列公式（1）及公式（2）：w（Cr）eq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb（%），（1）w（Ni）eq=Ni+30C+30N+0.5Mn（%），（2）計(jì)算出選定焊材焊縫金屬的鉻當(dāng)量w（Cr）eq值為22.1%，鎳當(dāng)量w（Ni）eq值為35.0%，依據(jù)1973版“戴龍焊縫組織圖”可知：焊縫組織應(yīng)當(dāng)為純奧氏體。因此該焊縫具有一般奧氏體不銹鋼焊縫組織的特點(diǎn)：焊接接頭的晶間腐蝕傾向、使用過程中的應(yīng)力腐蝕開裂、接頭焊接過程中的熱裂等問題。由于此次評(píng)定選擇的焊接材料為E320LR-16，其w（C）0.013%，小于產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的下限w（C）0.03%，常溫下焊縫組織處于穩(wěn)定狀態(tài)，故焊接時(shí)焊縫金屬導(dǎo)致晶間腐蝕傾向的幾率是很小的，也就是說，焊縫金屬?gòu)倪x材時(shí)就不具備產(chǎn)生晶間腐蝕傾向應(yīng)同時(shí)滿足的3個(gè)條件，即晶粒粗大、腐蝕介質(zhì)環(huán)境及在450～850℃溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停留而導(dǎo)致碳化物（w（C）＞0.03%）析出。但因母材的w（C）0.055%，這就導(dǎo)致母材奧氏體組織在常溫下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在焊接時(shí)，應(yīng)采取避免焊縫及熱影響區(qū)組織的晶粒粗大和過熱或過燒的措施，來減少整個(gè)焊接接頭晶間腐蝕傾向的風(fēng)險(xiǎn)。20合金鑄件和E320LR-16的焊接材料中含有比普通奧氏體不銹鋼材料高出3～4倍含量的Ni及較高含量的Cr，Mo，Cu等元素，從而可以推斷：由于焊接接頭熱導(dǎo)率比普通奧氏體不銹鋼材料小、線膨脹系數(shù)比普通奧氏體不銹鋼材料大和較高的電阻率，因此焊接時(shí)很容易導(dǎo)致焊接接頭的過熱或過燒，從而導(dǎo)致焊縫金屬在凝固期間易形成方向性強(qiáng)的、晶粒粗大的樹枝狀?yuàn)W氏體結(jié)晶體，這就有利于Ni與S，P，Sn，Si，N，O之類元素，在樹枝晶之間形成低熔點(diǎn)共晶，即液態(tài)薄膜，促使焊接接頭產(chǎn)生焊縫凝固裂紋、近焊縫區(qū)液化裂紋等微熱裂紋的生成；同時(shí)又因焊接接頭的線膨脹系數(shù)比普通不銹鋼較大、熱導(dǎo)率小，導(dǎo)致焊接接頭殘留較大的焊接應(yīng)力，因此增大了焊接接頭在使用過程中應(yīng)力腐蝕開裂的傾向；同時(shí)20合金焊縫又具有鎳基合金焊縫組織的特點(diǎn)，焊接時(shí)金屬液體流動(dòng)性差，因此焊縫成形不易控制，在焊縫及熱影響區(qū)容易產(chǎn)生微熱裂紋等傾向。所以在選擇焊接工藝措施時(shí)，應(yīng)通過適當(dāng)途徑來避免因焊接接頭的過熱或過燒而導(dǎo)致的焊縫凝固裂紋、近焊縫區(qū)液化裂紋等微熱裂紋和晶粒粗大，以減少焊接接頭的晶間腐蝕傾向和降低殘余應(yīng)力，來規(guī)避焊接接頭晶間腐蝕、熱裂紋和應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)。
2.工藝措施選擇
（1）母材熔煉時(shí)，采取特定的工藝措施把C含量控制在不超過0.03%的范圍內(nèi)，或在熔煉過程中適當(dāng)?shù)丶尤胍恍┾壔蜮伒瓤靥荚兀鼓覆慕M織在常溫處于穩(wěn)定狀態(tài)。
（2）選擇焊接材料時(shí)，優(yōu)選超低碳的、低殘留元素的、并含鈮或鈦等控碳元素的焊接材料，使焊縫組織在常溫處于穩(wěn)定狀態(tài)。
（3）焊接時(shí)盡量保證焊縫金屬中的有益元素（鉻，鎳，鉬，銅等）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與母材匹配或略高于母材的，同時(shí)避免對(duì)“抗腐蝕性能”起負(fù)作用的其他雜質(zhì)元素滲入。
（4）在焊接方法及焊接材料確定的前提下，對(duì)于焊接工藝參數(shù)應(yīng)選擇“小電流、短弧焊、快速多層多道焊”的軟規(guī)范參數(shù)，即小熱輸入、多層多道焊技術(shù)。
（5）焊接前一般不需要預(yù)熱，但當(dāng)焊件母材的溫度低于15℃時(shí)，應(yīng)在始焊處兩側(cè)100mm左右寬度范圍內(nèi)加熱至15～20℃，以避免陰冷潮濕的環(huán)境氣體冷凝產(chǎn)生氣孔。
（6）焊接引弧時(shí)，應(yīng)采用回焊引弧或引弧板過渡焊接引弧技術(shù)；焊接到接頭處時(shí)，應(yīng)采用回焊引弧技術(shù)，以保證接頭處飽滿、光滑過渡；收弧時(shí)，應(yīng)采用來回繞弧技術(shù)填滿弧坑，以保證弧坑處飽滿，避免產(chǎn)生弧坑裂紋。
（7）應(yīng)嚴(yán)格控制層間和道間溫度在較低的溫度范圍，所推薦的層間和道間溫度均不超過100℃，以避免焊縫金屬和熱影響區(qū)過熱或過燒，保證焊縫金屬和熱影響區(qū)金屬在冷卻到室溫并清理干凈后，再進(jìn)行層間或道間的焊接，焊接結(jié)束后其焊縫金屬和熱影響區(qū)表面以呈現(xiàn)出銀白光亮色或金黃色為宜。（8）焊接結(jié)束時(shí)應(yīng)采取快速冷卻措施，盡量避免焊接接頭在450～850℃溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停留，必要時(shí)可以采取澆水，或其他強(qiáng)制冷卻的措施，來縮短焊接接頭在敏感溫度區(qū)間的停留時(shí)間。4.3輔助工藝措施及規(guī)范參數(shù)選擇焊接前，坡口表面及邊緣15～20mm范圍內(nèi)經(jīng)液體滲透（PT）檢測(cè)確認(rèn)無裂紋、氣孔、縮松等表面缺陷后，按圖1所示尺寸進(jìn)行組對(duì)。焊接時(shí)清.除坡口表面及其邊緣15～20mm范圍內(nèi)的油污、滲透劑等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，使其露出金屬光澤，并保證焊接接頭始焊處的預(yù)熱溫度在15℃以上。當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時(shí)，考慮采取措施在始焊處100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上，待充分排出滲透到母材內(nèi)的滲透劑、冷凝水等污物后隨即開始焊接。焊條使用前在320℃/h的條件下進(jìn)行烘干。用焊條保溫桶存放，在焊接現(xiàn)場(chǎng)，焊條保溫桶要求一直處于通電保溫關(guān)閉狀態(tài)，隨時(shí)取用，隨時(shí)關(guān)閉，嚴(yán)禁處于敞口儲(chǔ)存。對(duì)于在4h之內(nèi)未使用完的焊條，應(yīng)重新進(jìn)行烘干。然后按表5的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。焊接時(shí)，焊條不擺動(dòng)，且層間溫度及道間溫度均控制在100℃以下，每道焊接結(jié)束后，隨即采用吸水率大的棉質(zhì)濕抹布覆蓋其焊縫表面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，同時(shí)采取澆水措施使抹布始終保持濕漉漉狀態(tài)。每焊接3～5層后，進(jìn)行一次液體滲透（PT）檢測(cè)，一旦出現(xiàn)缺陷，只有修復(fù)合格后才能繼續(xù)焊接。層間和道間清理，采用專用工具清理，避免鐵離子污染。背面采用角磨機(jī)清根，按表5的工藝參數(shù)，采用焊接2層填滿坡口的工藝措施。5無損檢測(cè)焊件冷卻到室溫后，按ASME—2013第Ⅴ卷、第2章及第6章［7］的要求，分別進(jìn)行外觀目視（VT）、射線（RT）及液體滲透（PT）檢測(cè)，其結(jié)果符合ASME—2013第Ⅸ卷QW-194，QW-191.1.2.2及QW-195.2.2的要求；同時(shí)也滿足相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定。
五、力學(xué)性能及化學(xué)分析
對(duì)完成無損檢測(cè)的試板，按照相應(yīng)規(guī)范的要求進(jìn)行力學(xué)性能及化學(xué)分析試樣加工，其力學(xué)性能及化學(xué)分析檢驗(yàn)項(xiàng)目、數(shù)量、試樣加工檢驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表6。試樣加工完成后進(jìn)行外觀形狀幾何尺寸檢查，合格后進(jìn)行標(biāo)識(shí)移植。
1. 力學(xué)性能試驗(yàn)
在室內(nèi)溫度為19℃，空氣相對(duì)濕度為27%的環(huán)境條件下，力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表，試驗(yàn)結(jié)果全部合格，其中彎曲試樣拉伸表面完好，無缺陷。
2. 金相試驗(yàn)
按標(biāo)準(zhǔn)GB/T19869.1—2005的要求加工試樣，試樣包括焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材，其規(guī)格尺寸為70mm×20mm×18mm。
a.宏觀金相試驗(yàn)
試樣打磨拋光后經(jīng)王水溶液腐蝕，當(dāng)其觀察面清晰顯示出熔合線、熱影響區(qū)和各層焊道痕跡時(shí)，在正常光照條件下，用5～10倍放大鏡進(jìn)行宏觀金相觀察。如圖所示，焊縫金屬、熱影響區(qū)及母材區(qū)域均無裂紋、未焊透、氣孔，熔敷金屬與母材熔合良好，其結(jié)果符合QW-183的要求。
b.微觀金相試驗(yàn)
經(jīng)宏觀金相檢測(cè)完成后的觀察面上，在電子顯微鏡下至少放大200倍后，進(jìn)行微觀金相觀察，母材金相組織照片如圖3所示，其組織均為單相的、固熔狀態(tài)的彌散相奧氏體組織。焊縫組織如圖4所示，其組織為典型的單相奧氏體鑄態(tài)組織、Fe及Cr-Ni-Mo-Cu晶間化合物組成。熱影響區(qū)的組織如圖所示的該區(qū)域內(nèi)的組織與母材的組織基本一致。經(jīng)觀察，在整個(gè)焊接接頭區(qū)域內(nèi)：未發(fā)現(xiàn)有對(duì)焊接性能有影響的顯微裂紋、沉淀物出現(xiàn)及異常組織，其結(jié)果合格。
3.硬度試驗(yàn)
金相試驗(yàn)后按標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340—2009的要求進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)。在試驗(yàn)溫度為24℃，空氣相對(duì)濕度為24.2%室內(nèi)環(huán)境條件下，按圖所示的位置進(jìn)行檢測(cè)，維氏硬度（HV）檢測(cè)結(jié)果見表。結(jié)果顯示母材、熱影響區(qū)和焊縫金屬的硬度值均無異常分布，熱影響區(qū)寬度在6.0～8.5mm的范圍內(nèi)。
4. 晶間腐蝕試驗(yàn)
取自于稀釋區(qū)以外的焊縫金屬晶間腐蝕試樣，其規(guī)格尺寸為70mm×10mm×4mm，經(jīng)外觀及尺寸檢查合格后，按GB/T4334.5—2000標(biāo)準(zhǔn)的要求，φ（酸）10%電解浸蝕法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果為：拉伸表面均完好無損，試樣表面未發(fā)生晶間腐蝕現(xiàn)象。
5.化學(xué)分析
試驗(yàn)對(duì)未被稀釋的焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表，焊縫金屬化學(xué)成分滿足ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.4標(biāo)準(zhǔn)中E320LR的要求。
六、結(jié)論
1. 奧氏體不銹鋼材料的抗腐蝕性能，因所含化學(xué)成分及百分比含量的不同，其是有取向性的。
2. 焊接材料優(yōu)選超低碳焊條E320LR或焊絲ER320LR．以避免20臺(tái)金焊接的過程中產(chǎn)生焊縫凝固裂紋、近焊縫區(qū)液化裂紋等徽熱裂紋。
3. 在選擇工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)優(yōu)選軟規(guī)范，即熱輸入小的規(guī)范，以削弱焊縫及熱影響區(qū)金屬過熱或過燒，從而避免增大接頭的晶間和應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
4. 20合金的焊接接頭，只要工藝措施選擇合適，其一樣與母材具有同等抗強(qiáng)酸腐蝕的性能。
5. 20合金焊接易于產(chǎn)生微熱裂紋的內(nèi)因是母材和焊接材料化學(xué)成分中有高含量的鎳，以及較高含量的鉻，銅及鉬等元素；外因是由于工藝措施的選擇不當(dāng)而導(dǎo)致焊接接頭的過熱或過燒。