打开文本图片集

摘要：随着低温工业的迅速发展，作为低温容器的主要材料——奥氏体不锈钢的使用也越来越多。本项目产品的焊接采用免充氩焊接保护剂和传统的管道内侧充氩气保护对S30403奥氏体不锈钢无缝钢管材进行氩弧TIG打底焊、焊缝填充，盖面后通过焊接无损检测、工艺评定：拉伸、冲击、侧弯、查看晶间腐蚀、金相试验等方法对比和研究了两种焊缝背面保护方法进行加工时奥氏体不锈钢材料S30403焊接接头工艺和性能的差异和影响。最后根据试验结果证实，使用免充氩焊接保护剂的方法能够满足标准规范NB/T47014—2011（承压设备焊接工艺评定）中规定的要求，焊缝表面保护使用免充氩保护剂与传统充氩效果基本一致，在实际生产中可完美替代传统的充氩气保护方法。

关键词：低温容器；奥氏体不锈钢；应变强化；数据分析；变形控制

一、研究背景

随着我国“双碳”目标的落实，在我国大力推进的绿色、低碳技术创新活动中，包括液氢（LH2）、液化天然气（LNG）、液氮（LN2）、液氧（LO2）、液氩（LAR）、液氦（LHE）等在内的低温液化气体在我国的应用越来越广泛，随着中国重工业的迅速发展，与其相配套的相关设备迅速增长。从而用于储存和运输液氢的高真空隔热双级低温容器，由于其主要材质奥氏体不锈钢其应用范围不断扩大。由于其优良的抗腐蚀性，机械性能好，容易焊接成形，采用应变强化技术，可在常温下进行一定的塑性贮存量与安全裕度，使其在常温下产生一定的塑性贮量，进而提高其许用应力值，充分发挥其承载力，因此使用奥氏体不锈钢容器，可以减轻容器重量，降低制造成本，减少贵金属和资源的浪费，为实现节能环保、绿色制造、降耗减排做出贡献。

虽然来自不同国家的标准、欧标、美标等都在材料的选择上、焊接的方式、容器的型式、盛装介质、容器材料厚度、使用温度、许用应力、强度计算、产品加工、制造和无损检测、压力实验等等方面提出了不同的要求，但在最终焊接前都要求当出现以下的相关变量时，例如材料材质、厚度、焊材、焊接方法、保护气体、电流、电源、焊接方向等必须对焊接试板进行焊接工艺评定测试机械性能检测。

二、项目概况

本文主要研究是为制造一种深冷压力容器（液氢的容器），用于储运的真空绝热深冷压力容器，不同的加工厂家对于该压力容器的设计和制造工艺有所不同，但基本结构大致一样：一般由容器外壳、中间真空绝热层（隔热装置）、内容器与外壳支撑装置以及管路附件装置构成。（主要用于存储和运输）

同样用于深冷压力容器的卸液系统中，要将容器的介质进行卸载排放和使用，卸液系统包括：小型容器、增压设备，大小容器之间的连接管路，和来自于大容器的深冷介质，整体原理是使用增压设备连接小容器，通过将深冷介质气化后注入小容器内而使小容器增压，从而使所述小容器内的深冷介质能够快速向外排放使用。（用于深冷卸液和转移）

我们这里主要阐述深冷压力容器中的内容器或小型容器连接管道管道加工过程中工艺改善。三、质量标准

低温使用环境是低温容器的主要设计工况，随着温度的降低，奥氏体不锈钢的材料应力应变曲线形状会逐渐改变，本文中，现行的压力容器设备设计制造标准是GB150.1～4-2011《压力容器》和ISO 15614-2017焊接工艺评定实验、GB/T18442-2011《固定式真空绝热深冷压力容器》NB-T 47014-2011 承压设备用焊接工艺评定。通过本文的制造工艺方法，可在现有的低温容器（包括常规的低温压力容器和深冷低温压力容器）制造方法的基础上，进一步提高深冷容器的强度值和屈服强度，因此降低材料厚度、减轻产品重量，达到更好的经济性和减少资源浪费、实现轻量化、高质量性能，使我国低温容器产品具备更强的国际竞争力。

四、液氢储运深冷容器焊接技术

公司拟定针对小型低温储罐进行加工，具体尺寸如下：几何体积为6m3尺寸（直径×高） φ1200mm×5500mm充装介质为液氢的低温储罐，充满率可达95%，即液相空间为5.7m3，气相空间为0.3m3的罐体，焊接方法采用钨极氩弧焊（TIG）为基体，以S30403不锈钢管或不锈钢板为原材料，其化学成分和机械性能满足国标要求。使用松下YC-400TX4直流氩弧焊机，使用ER308L型2.4mm氩弧焊丝作为焊接填充金属。焊接过程中，采用两种防护方法，分别是在焊缝处涂抹免充氩保护剂和持续充氩气进行保护。进行VT检查和RT探伤检测，两种方法的射线探伤效果均达到规定标准。机械性能测试结果显示，两种焊接方式对焊缝的影响很小，满足标准要求。金相组织观察显示焊缝金属基本一致，金相结构符合要求。晶间腐蚀性能测试表明两种焊接方法下焊缝晶间腐蚀能力相近。焊接接头的化学成分含量也满足规定要求。

同时在传统焊接中存在氩气消耗大、氧化气体未完全排出，焊缝质量不稳定、个别存在封闭口，无法充氩等情况、为解决这些问题，公司率先采用免充氩保护剂，通过比较两种后保护方法，寻找更优的后保护方式，

4.1焊缝性能要求

在产品加工过程中，严格按《固定式压力容器安全技术监察规程》TSC 21-2016特种设备安全技术规范执行，并根据《承压设备焊接工艺评定》NB/T 47014-2011的规定，对焊接样品进行机械性能测试和检验；测试范围包括用于液氢低温区的内罐及管路等（包括与液氢低温环境直接接触或间接接触仍然处于低温环境内的全部板材型材、毛坯或锻件等）及对应的试板焊缝、热影响区等，除了按以上规范对其进行焊接工艺评定检测之外，还要对其进行夏比（V形槽口）冲击实验，按标准GB150.1中7.2.3执行，设计温度低于-100摄氏度且不低于-192摄氏度的铬镍不锈钢制容器，不高于设计温度下的冲击吸收功（KV2）≥31J，横向膨胀率≥0.42mm，采样位置及样品取向均满足相关钢铁规范要求。

4.2焊缝无损检测要求

容器和管道上所有的A类和B类焊缝均应经过100%的射线检验，其技术水平应符合NB/T47013—2015二级标准，且不应低于AB级；C、D类焊接接头的颜色均为100%，焊接接头的颜色符合NB/T47013.5-2015I类标准。

五､S30403奥氏体不锈钢制作深冷容器的焊接工艺及试验

5.1研究工作

本实验旨在研究S30403奥氏体不锈钢制作深冷容器的焊接工艺及试验。在实验中，笔者将采用钨极氩弧焊（TIG）作为基础焊接工艺，并比较了传统的氩气保护与采用免充氩保护剂的两种后保护方法的效果。同时负责整理和解读了实验的详细步骤和数据，包括焊接工艺的选择、试验材料的准备、试验方法的设计，以及试验结果的分析和总结。最后，笔者利用实验数据撰写了一份详细的实验小结，对实验过程和结果进行了全面的总结和评价，具体如下：

5.2试验材料

测试用的材料是S30403不锈钢，长度为114.30毫米×12毫米，并在表a、b中显示了其化学组成及机械性能。钢材的端部和端部的坡口斜角应为60度，两个端部的间隙应为3.2毫米，钝边1毫米。焊接之前，先将不锈钢管的上下表面磨光20毫米，并将焊缝上的油渍等清理干净。选择了某工厂ER308L型2.4mm氩弧焊线作为焊接材料

5.3试验方法

对S30403不锈钢管进行了焊接实验，实验中采用了两种方法：一种方法是涂上了免充氩保护剂；第二种是在管道中充入氩气进行防护。该焊机采用松下YC-400TX4直流氩弧焊机，焊接前对钢管预焊缝的位置进行打磨，打磨距离单侧25mm，开双面45度V形坡口，气体选择纯氩气进行施焊，（要求氩气存度达到99.98%以上），选择焊接参数表格里面的电流和电压进行点焊，点焊后确认后进行打底焊、打底焊后使用角磨机进行清根，然后进行层间焊缝填充，过程中发现夹钨、或者杂质、气孔等、务必使用角磨机清根后重新焊接最后进行焊缝盖面。由于本项目采用的不锈钢材料厚度不是超大厚度的材料，焊道也不是许多道焊道叠加，因此焊接前无需进行预热，但在焊接之后需要在焊缝和热影响区固溶处理。

焊接工艺参数见表c，在焊缝收弧过程中，应尽可能地充满熔池，以防止焊缝处出现弧坑或焊缝。在灭弧室中，为了防止熔池中的金属发生氧化，应采用延迟停气法6～9秒的延迟停气法。此外，为了减少焊缝的数量，提高焊缝的质量，在打底焊的时候，要尽可能的避免停弧。

5.4检测方法

无损检测：根据《承压设备无损检测》NB/T 47013-2015要求，进行100%的PT渗透检测后，进行射线探伤检测。

金相分析：根据《金属显微组织检验方法》GB/T13298-2015，使用奥林巴斯倒置金相显微镜GX51对切开后处理好的试验件的微观结构进行了观察。

拉伸试验：根据《金属材料拉伸试验》GB/T228-2010中的要求，使用SHT4605微机控制电液伺服万能试验机，最大实验力600KN进行常温拉伸试验的方法；

冲击试验：根据标准GB/T 229-2007 《金属夏比缺口冲击试验方法》的要求，使用设备： ZBC系列金属摆锤式冲击试验机、对制作好的10mm，V型冲击试验件进行摆锤冲击试验；

弯曲试验：根据《焊接接头弯曲试验方法》GB/T2653-2008中的要求，采用微机屏显式液压万能试验机WEW-600D 型通用电液伺服试验机，最大实验力600KN对试验件其进行了弯曲试验；

晶间腐蚀实验：根据GB/T4334-2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》中的“E”法（不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法），对其进行了分析。

材质检测：根据标准GB/T111170-2008标准《不锈钢多元素含量的测定火花放电院子发射光谱法（常规法）》使用全光谱火花直读仪M5000CCD，对焊缝接头进行了分析。

六、试验检测结果与分析

6.1外观VT检查和射线探伤检测

整体焊接结束后，对两种工艺方法焊接的焊缝接头进行VT检测如图1图2所示。

图1中的a和b都是焊接正面照片，2个照片分别是涂抹了焊接保护剂和充氩气的正面照片，首先焊缝外形尺寸按《压力管道规范工业管道第5部分：检验和试验》标准要求进行检验，外观没有肉眼可见的气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷，两种焊接工艺方法的VT焊缝检查全部合格。但根据上面照片对比可以看出，照片图a中的焊缝外观均匀、美观，略优于图b中的焊缝表面成型情况。

图2中的照片都是焊接背面照片，经过外观VT检查，两个内部焊缝尺寸参数满足《压力管道规范工业管道第5部分：检验和试验》标准要求，外观没有肉眼可见的气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷、焊缝合格。

对2件焊接后的不锈钢管材分别做X光射线拍照，从管材的5个圆周方向分别进行拍照，使射线底片全覆盖于管材。经过射线后胶片进行标准比对，以上2件焊件焊缝全部合格，满足射线标准I级要求；

通过表面VT和X光射线检测结果表明，通过两种焊接防护措施工艺方法加工出的焊缝全部可满足焊缝外观和探伤质量标准要求。

6.2力学性能

根据《承压设备焊接工艺评定》NB/T47014-2011标准，对两种类型的焊缝各截取2个侧向拉伸试件，2个面弯和2个背弯试件，3个焊缝和3个HAZ冲击试件，测定了其机械性能，如表d所示。

其中，冲击样品的大小为55毫米×10毫米×10毫米，样品在45度角的V型凹槽上，凹槽的深度为2.00毫米±0.05毫米。由表d的数据可知，焊缝的拉伸强度值符合规范要求；焊接接头及热影响区的吸能率都符合规范要求，且有很大的剩余；正、背弯两种不同角度的弯头，弯头180度后，无论是热影响区还是焊接面，都无明显裂缝出现，达到了设计要求。通过力学性能检测确认，两种不同的焊接工艺加工出焊缝的力学性能基本一致。

6.3金相组织分析

使用奥林巴斯倒置金相显微镜GX51对切开后处理好的试验件的微观结构进行了观察两种焊缝接头经过焊缝切割、打磨等处理后的金相显微照片如图e。

在图e中，可以看到，涂抹了免充氩保护的打底焊缝组织看起来呈树枝样式的奥氏体和其他不规则的铁素体，有很清晰的晶粒样式取向；（详见a、d）而从图e中的填充焊接（b、e）和盖面焊缝（c、f）可见晶粒组织是大小等轴晶状的奥氏体加少量的铁素体晶粒，方向性杂乱无明显晶粒取向。

产生这一现象的主要原因，是因为在进行打底焊的时候，不锈钢管材的温度比较低，打底焊的焊缝不是很厚，焊缝的冷却时间也比较短，因此在晶粒固化的过程中、会伴随着温度差异比较大的方向（远离焊缝的方向）急速冷却固化。导致了晶粒生长方向一致的取向性，然而在填充焊的多层焊接和最后完成焊缝盖面焊接的时候，打底焊后的温度还没有完全冷却，填充焊接又再次输入了热量，最终保持了试验件的整体温度相对稳定，在焊缝成型的整个过程中，焊缝的热影响区温度差异在每个方向上变化不大，冷却时间比较充足并呈现均匀冷却，因此晶粒在各个方向均有长势，但并不明显，呈现出接近等轴的晶状体。根据照片和研究结果表明，两种焊接方法的焊缝底、中、面的金相结构基本一致。

6.4晶间腐蚀性能

根据《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》 GB/T4334-2008中的E法，对两种焊接方法试验件焊缝晶间腐蚀进行了测试：

经以上实验检查2个样件都没有发现任何裂缝，这两种焊接方法下加工的焊缝没有晶间腐蚀的趋势，说明两种焊接方法下焊缝的晶间腐蚀能力近同。

6.5焊接接头化学成分

使用全光谱火花直读仪M5000CCD，对两种不同的保护层的焊缝接头进行了读取，得到了2组焊缝的化学成分对照表：（表e）

在如下表格中可见，每一组数据的差异不大，基本一致，同时2种焊缝的化学成份均满足产品规定的质量要求，杂质元素磷和硫的含量都比较低，也降低了了由于杂质问题导致材料出现开裂的可能。

6.6焊后处理

奥氏体不锈钢的焊接技术在使用过程中也要注意焊后的质量，必须做到对焊缝进行实时监控，以保证焊接效果。

由于奥氏体不锈钢具有极好的焊接性，可以很轻松的和其他材料进行焊接，经过焊接后，本身不会显著损失机械性能，所以不需要进行去应力处理，利用其优良的成型能力和韧度，慢慢地消除残余应力，不会造成太大的伤害，也不会出现去应力处理造成的焊缝抗腐蚀性能下降的问题。

但在奥氏体不锈钢焊缝的区域和热影响区的部位，需要进行固溶处理，提高不锈钢的耐腐蚀性，这是由于在焊接过程中，焊缝位置区域由于冷却时间的延长，会有部分区域在450摄氏度到850摄氏度停留一段时间，从而导致奥氏体晶界处出现铬的碳化物，因此要把两种试验件加温到1010～1120摄氏度左右，保温3小时以上、使碳化物溶解到奥氏体里，然后快速水冷至室温。因此获得了比较稳定的奥氏体不锈钢组织，固溶主要消除焊缝区域和整个部件的贫铬问题，阻碍了晶间腐蚀的产生。固溶后对两种试验件后做三次弯曲试验，全部能够达到技术标准，没有发现晶间腐蚀现象，因此固溶处理2种试验件全部合格有效。

七、质量控制措施

为确保严格按焊接工艺执行并保证产品质量的稳定性，我们制定了一系列完整的质量控制措施。首先，在焊接前，对S30403不锈钢原材料进行了详细的检查，包括化学成分和机械性能的材料复验，确保材料符合标准要求。还包括填充材料、保护剂检查确认，人员确认、设备确认、加工平台、不锈钢防护措施等等，在焊接过程中，实施了严格的工艺参数控制，包括焊接电流、电压、速度、气体流量等，以确保每个焊接层次的质量稳定。

在深冷容器制造过程中，通常可能出现高温、焊缝氧化、气孔、气泡、焊缝裂纹等质量问题，这些问题可能是由于焊接过程中氩气或氩气中杂志的存在导致的。气体在焊接过程中可能引入焊缝，形成气孔或偏吹导致焊瘤等缺陷，影响焊接质量。另外在封口罐体进行焊接时，会导致无法对其内部进行充氩，导致保护失效等，为了解决这些问题，考虑其他的保护方式：选择了免充氩焊接剂。（这里经过实验选择、使用的是美国金帝国公司生产的“太阳”牌免充氩保护剂，type B本文简称“免充氩保护剂”）

采用免充氩保护剂的工艺中，需要再点焊前将免充氩保护剂涂在接头之间，起到表面清洁剂和防止点焊区域产生氧化的作用，在点焊后，把免充氩保护剂涂于焊缝的背面和焊口位置，以保护焊缝背面免于氧化，然后进行打底焊接，对于焊接过程的打底焊缝进行依托作用，使打底焊缝成型更加均匀，防止焊瘤产生，对免充氩保护剂的涂覆量、均匀性进行了监测和调整，以保证其有效性。在焊接完成后，进行了外观检查和X光探伤，确保焊缝表面光滑，无夹渣、气孔、裂纹等缺陷。机械性能测试、金相组织观察和晶间腐蚀性能测试的数据分析，均由专业技术人员进行，并进行多次验证，确保测试结果的准确性和可靠性。

此外，为防止焊后产生裂纹和提高耐腐蚀性，公司对奥氏体不锈钢焊接接头进行了必要的焊后处理，进行稳定化处理和固溶处理，稳定化处理是将奥氏体不锈钢焊接接头加热至高温，通常在800摄氏度左右，然后迅速冷却，以减少碳元素与铬结合，降低晶间腐蚀敏感性。固溶处理则是将焊接接头加热至约950摄氏度，保持一定时间，然后迅速冷却，以溶解合金元素并提高晶界均匀性。这两种处理方法有助于提高奥氏体不锈钢焊接接头的稳定性、耐腐蚀性和机械性能。通过上述措施，确保焊接接头在使用过程中能够实现长期稳定性和耐腐蚀性。

免充氩焊接剂的使用能够减少或消除氩气的需求，降低氩气的使用成本，同时能够有效防止氩气引入焊缝，减少焊接缺陷的发生。这种方法的应用可能在质量控制方面带来一系列的好处，包括提高焊接质量、减少焊接缺陷率，确保深冷容器的可靠性和安全性。因此，将这一改进写入质量控制中是合理的，可以在制定焊接工艺和规范时考虑免充氩焊接剂的应用，以提高整体质量水平。通过以上一系列的质量控制措施，公司确保了深冷容器焊接工艺的可靠性和产品的整体质量，为客户提供了高标准、高性能的焊接产品。

总而言之，奥氏体不锈钢的焊接技术在使用时，必须对其进行严格的检查，在生产深冷液氢容器的时候，必须根据根据产品的使用环境不同，焊缝的要求和工艺方法也不同、选择一种更为适合的焊接工艺，并从焊接人员、焊接材料、焊丝、焊机、加工环境、等进行固化，形成标准化管理，从而来保证产品的焊接质量。

八、结论

本次焊接实验旨在探讨S30403奥氏体不锈钢制作深冷容器的焊接工艺及试验效果。通过采用免充氩保护剂和氩气保护两种方法进行比较，我们发现免充氩保护剂在降低氩气消耗、提高焊缝质量稳定性以及适应特殊环境下的焊接难度方面具有明显的优势。根据以上实验结果表明，两种焊接方式在外观、X光探伤、力学性能、金相组织和晶间腐蚀性能等方面表现基本一致，但免充氩保护剂的使用能够更好地适应工业实际需求。综上所述，在使用免充氩焊接保护剂运用到液氢储运深冷容器的焊接技术是完全可行的。这一研究的成功应用为液氢储运深冷容器领域的工程实践提供了有力的支持。未来，我们将继续关注新兴技术的发展，不断完善焊接技术，提高深冷容器的性能，以更好地满足液氢储运的需求，为清洁能源领域的发展贡献力量。

本次实验为S30403不锈钢深冷容器焊接提供了可靠的工艺参数和质量控制方法，为实际生产中的焊接工作提供了重要的参考依据。

参考文献

[1]吴瑞萍，王天先，王文利，等．SA-240304/304L双牌号不锈钢与304/304L不锈钢性能对比分析[J]．焊接，2017（10）：51－55．

[2]王爱民，荆文．ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢不同比例保护气体焊接工艺研究[J]．焊接，2013（3）：55－57．

[3]LuSP，FujiiH，NogiK．Arcignitability，beadprotectionandweldshapevariationsforHe-Ar-O2shieldedGTAwel dingon SUS304 stainlesssteel [J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2009，209（3）：1231－1239．

[4]肖晓明，彭云，马成勇，等．保护气体对440MPaHSLA钢GMAW焊缝组织及韧性的影响[J]．焊接学报，2013，34（7）：101－104．