321不銹鋼一般情況下具有良好的焊接性能，但由于其組織和成分的特殊性使其在某些操作條件下，會在焊接部位產生裂紋。浙江至德鋼業有限公司工作人員分析了321不銹鋼換熱器管在穩定化熱處理后產生裂紋的原因，提出了有針對性的改進措施，為解決321不銹鋼換熱器管在熱處理后出現裂紋的問題提供了一定的參考依據。

 321不銹鋼是在18％鉻鐵素體型不銹鋼中加入鎳、錳、氮等奧氏體形成元素而獲得的，其在焊態下具有較好的韌性和塑性，及良好的力學性能、高溫強度和優良的耐腐蝕性能，因而廣泛應用在石油化工等領域中。321不銹鋼換熱器管的性能雖好，但是由于其自身的組織和成分存在特殊性，也就會存在一定的不足，如會產生焊接熱裂紋、晶間及應力腐蝕，此外因導熱性能差、線膨脹系數大，會導致較大的焊接應力和焊接變形等。在制造過程中尤其是焊接環節，若操作不當，就會在焊接部位產生裂紋。如果處理不及時，就會給設備的安全運行帶來隱患。

一、裂紋產生原因分析

  2010年某公司為一煉油廠制造一臺公稱直徑ＤＮ400、主要材質為321的“Ｕ”形管換熱器，筒體采用鍛制筒節然后環向組焊的結構。在制造過程中，按照圖紙的要求對焊接接頭進行焊后穩定性處理，但熱處理后在插入式接管焊縫根部、管箱隔板角焊縫等部位發現多處縱向裂紋，而且在這些裂紋中，插入式接管焊縫根部的裂紋尤其嚴重。雖然對焊縫進行了仔細打磨精心返修，但對管箱再次進行穩定性處理后，仍然在焊縫的一些部位有裂紋產生。針對此種情況，公司領導立即組織相關技術人員對設備在制造過程中裂紋產生的原因展開了詳細的分析調查研究。

二、材料化學成分及焊縫金相組織因素

（１）母材化學成分

   0Cr18Ni10Ti板材和0Cr18Ni10TiⅢ鍛件的化學成分及力學性能經過檢驗，各項指標都滿足相應標準及圖紙技術條件中所提出的各項要求。

（２）焊條化學成分

   焊條化學成分檢測結果見表，從表可知，硅、硫、磷含量雖然在焊條熔敷金屬中沒有超出標準規定的范圍，但其含量已比較接近標準上限。硅是δ相形成元素，在焊接中還起脫氧的作用，少量硅有利于提高抗裂性能，還可提高焊縫強度，但其含量超過0.4％時，反而會因為形成硅酸鹽雜質而降低焊縫金屬的抗裂性能。硫和磷在各類鋼中幾乎都會增加結晶裂紋的傾向，硫和磷在γ相中的溶解度比在δ相中低得多；硫在鋼中主要以FeS形式存在，并與氧化鐵形成低熔點共晶體（熔點985℃）分布在晶界，而降低焊縫金屬的韌性和塑性。磷溶于奧氏體中，由于其原子直徑比鐵大很多，造成奧氏體晶格畸變嚴重，使韌性和塑性大大降低，脆性增大。另外，硫和磷在鋼中還易和其他元素形成低熔點共晶體Ｎi3S2、Ｎi3P等，這些物質在敏感區極易形成偏析。以上這些因素是造成焊縫裂紋的原因之一。

  焊縫金屬鐵素體含量和σ脆性相檢驗在封頭接管焊縫上取金相試樣，用金相割線法對10個視場進行鐵素體測定，鐵素體平均值為8.88％，最高值為10.68％。焊縫金相組織為奧氏體＋鐵素體，焊縫中沒有發現σ脆性相存在，但該焊縫金屬中存在非金屬夾雜物；對管箱接管焊縫裂紋處，在焊后經850℃×５小時穩定化處理后的金相組織進行檢驗基，試樣中裂紋產生在奧氏體＋鐵素體組織中。掃描電鏡對裂紋試樣進行檢測發現，焊縫金屬中有細小的ＮbC存在。

  圖紙對設備熱處理做如下要求：“所有奧氏體不銹鋼間的焊接接頭均應穩定化處理（在850℃下保溫５小時）”。西北工業大學陳祝年教授在其編寫的《焊接工程師手冊》一書中寫到“注意：進行這種熱處理應充分考慮鋼種、使用條件、過去經驗等因素，除非不得已必須進行的情況下，一般不進行為好。例如在注重耐蝕性的場合和像析出σ相的焊縫金屬（18-8Nb、18-8Ti等）這種處理往往反而有害”。

  很多資料也介紹說18-8Ti或Ｎb類不銹鋼焊縫經穩定化處理后會出現塑韌性下降的現象。為了驗證其說法，該公司通過試驗對E347-16和E347-15兩種焊條分別在850℃×５ｈ穩定化熱處理前、后兩種情況下的沖擊韌性值進行了比較。從圖可看出，E347兩種不銹鋼焊條在焊后穩定化前的焊縫金屬沖擊功均為49Ｊ；經穩定化處理后，E347-16焊縫金屬沖擊功為31J，下降36.7％，而E347-15焊縫金屬沖擊功為41J，下降16.3％。通過掃描電鏡對上述沖擊試樣斷口分析，焊態（穩定化處理前）的沖擊試樣為韌窩狀斷口，穩定化處理后試樣斷口韌窩明顯減少且出現解理斷裂。

 上述試驗說明，18-8Ti或Ｎb類焊縫金屬經穩定化處理后，焊縫金屬沖擊韌性會出現明顯下降的現象。對此現象一般認為，當對18-8Ti或Ｎb類焊縫金屬焊后再次加熱到500～700℃時，在熱影響區的過熱區內，由于特殊碳化物如ＮbＣ、Ｍ23Ｃ6等析出引起的晶內二次強化、一些弱化晶界的微量元素的析出、焊接應力和熱應力共同作用所產生的收縮應變集中于晶界，超出焊接接頭在此溫度下的變形能力，而導致沿晶開裂。這種裂紋主要發生在有嚴重應力集中的熱影響區的粗晶區內。

2. 焊接操作不規范

  由于奧氏體不銹鋼液固相區間較寬，結晶時間長，容易出現雜質偏析現象，另外奧氏體不銹鋼的導熱率小（約為碳鋼的1/3），而線膨脹系數大，焊后的焊接接頭會產生較大的焊接殘余應力。由于現場施工條件較差，造成焊縫表面成形不良，存在一定的應力集中，再加上焊接電流偏大導致的焊接線能量過大，晶間低熔點共晶物的熔化嚴重，晶界處于液態的時間較長。焊縫金屬及近縫區在高溫下承受較高的拉伸應力和拉伸應變，是產生熱裂紋的基本條件。

三、改進措施

1. 減小熔合比

  減小熔合比有利于減少母材有害雜質對焊縫的影響，有利于焊縫區化學成分的均勻化，從而保證按照防止熱裂紋出現所必須的凝固模式順利實施。

2. 加入鐵素體形成元素

  設備焊接時向焊縫熔入一定量的鐵素體形成元素，盡量使焊縫金屬呈雙相組織。同時控制鐵素體含量在3％～5％。鐵素體可以細化奧氏體組織，能大量溶解有害的硫、磷雜質，并在一定程度上打亂樹枝狀晶的方向性，使柱狀晶變細，晶界增多，將易熔共晶物分割在不連續晶界上，從而降低熱裂紋傾向。焊材改用Ｅ347-15型堿性焊條，因Ｅ347-15堿性焊條的焊縫具有良好的抗裂性能和力學性能，脫硫、脫磷能力強，焊接接頭含氫量低，同時藥皮有去氫作用，故又稱為低氫型焊條，其成分見表。

3. 消除應力熱處理

  經過與設計單位溝通協商，在征得設計方同意后，將321不銹鋼換熱器管焊后熱處理的溫度改為450～500℃，同時增加焊接接頭晶間腐蝕試驗。通過驗證，上述做法在消除一定殘余應力的同時亦能滿足抗晶間腐蝕要求。

4. 規范焊接工藝

  321不銹鋼換熱器管焊接坡口表面不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷，并進行100％PT檢測Ⅰ級合格。SMAW焊接時采取小線能量、短弧焊接、保持弧壓穩定、不擺動或輕微擺動（擺動不大于3倍焊條直徑），多層焊時各層焊道間接頭應錯開，每層焊后徹底清除焊渣和表面缺陷，合格后施焊下一層。施焊過程中確保收弧和引弧質量，發現缺陷應立即清除，確認無缺陷后再繼續施焊，盡量避免應力集中的發生；層間溫度控制在150℃以下。接管與殼體及封頭的焊縫，焊完第一層后進行100％PT檢測，焊接完成后對里外口焊縫進行修磨。焊接時的焊接參數見表，接管和筒體的焊接接頭形式見圖。