304奥氏体不锈钢管焊接接头出现开裂的原因

在常温下奥氏体不锈钢的显微组织为稳定的奥氏体组织，整体无磁性，具有高韧性、高塑性和良好的耐腐蚀性能，广泛应用于核电站设备、管道及支撑结构中。与其他类型的不锈钢相比，奥氏体不锈钢不发生相变，对氢不敏感，更容易焊接，且焊接接头在焊态下有较好的塑性和韧性。焊接接头的显微组织和力学性能直接影响整个焊接件的力学性能，但奥氏体不锈钢的焊缝处容易产生热裂纹和晶间腐蚀。

     晶间腐蚀是一种沿金属晶粒间分界面向内部扩展的腐蚀，产生的原因主要是晶粒表面的化学成分和内部的有差异，以及存在晶界杂质或内应力。晶间腐蚀会降低晶粒间的结合力，进而大幅度降低金属的强度，而发生晶间腐蚀材料的外表面几乎不发生任何变化。由于晶粒间的结合力显著降低，使材料的力学性能降低，若受到内、外应力作用，轻者稍经弯曲便可产生裂纹，重者敲击即可碎成粉末，所以晶间腐蚀是不锈钢最危险的一种破坏形式。此外，晶间腐蚀不易被检测出来，给设备的使用带来安全隐患，危险性极大。

      某开裂304不锈钢管为自来水进水管，管内水温为常温，在室外大气环境下使用，管径ϕ20mm，壁厚3mm，管采用非熔化极惰性气体保护(TIG)焊进行焊接，为找到该不锈钢管焊接接头的开裂原因，来自中车株洲电力机车有限公司的曹龙韬、龚兰芳和陈智江三位研究人员从化学成分、断口形貌和显微组织等方面进行了分析，并提出了具有针对性的改进措施，以期为相关从业人员提供帮助。

1 理化检验

     对开裂不锈钢管接头进行观察，其宏观形貌如图1所示，将靠近连接阀门的一侧不锈钢管标记为1，将另一侧不锈钢管标记为2，开裂位置如图1圈出所示。可见开裂位置在不锈钢管1一侧，靠近焊缝热影响区。

图1 开裂不锈钢管宏观形貌

     不锈钢管1侧断口宏观形貌如图2所示，可见断口粗糙且锈蚀严重，无明显塑性变形，整体呈脆性断裂特征。

图2 不锈钢管1侧断口宏观形貌

     将不锈钢管1侧断口经超声波清洗后置于钨灯丝扫描电镜(SEM)下观察，其SEM形貌如图3和图4所示，可见断口大部分区域呈冰糖状沿晶断裂形貌，且晶粒表面有大量的颗粒状腐蚀产物。

图3 不锈钢管1侧的断口沿晶断裂形貌

图4 不锈钢管1侧断口的腐蚀产物形貌

      分别对不锈钢管1侧断口的管内侧和外侧进行观察，SEM形貌如图5和图6所示，可见管内侧腐蚀产物数量更多，腐蚀程度更严重，因此判断腐蚀是从管内侧开始的。

图5 不锈钢管1侧断口管内侧SEM形貌

图6 不锈钢管1侧断口管外侧SEM形貌

     用X射线能谱仪对不锈钢管1侧断口进行微区成分分析，晶粒上的颗粒状腐蚀产物能谱分析结果如表1所示，可见主要含铁、氧、碳等元素。

表1 不锈钢管1侧断口腐蚀产物能谱分析结果(质量分数%)

     在不锈钢管1和2上分别取样，采用直读光谱仪进行化学成分分析，可知不锈钢管1的化学成分不符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》对304不锈钢的技术要求，不锈钢管2的化学成分也基本符合标准的要求。