奥氏体304H不锈钢管是日本住友金属株式会社开发的锅炉钢管，该钢种是在ASTM SA213 TP304H的基础上加入适量的Cu，Nb，N，从而达到高温强度、高温塑性以及抗高温氧化腐蚀性能的最佳组合，其强度在温度为650℃高出ASTM SA213 TP347H 50%左右，用于超临界炉和超超临界炉的高温段受热面具有较大潜力。该材料已纳入ASME code CASE 2328，可以在锅炉设计中选用。据日本相关资料介绍，304H不锈钢管在温度650℃时的抗氧化性优于ASTM SA213 TP304H不锈钢管和ASTM SA213 TP347H，相同条件下的氧化腐蚀仅为ASTM SA213 TP304H不锈钢管的一半，稍逊于SA213 TP347H ，其主要原因是晶粒度细小。该钢种在日本的电站锅炉过热器、再热器部件上的应用时间长达10a，用量已达6000余t，显示出良好的综合性能；国内，上海锅炉厂1999年完成了其在650℃下的高温持久强度试验、长期时效试验等等，结果表明304H不锈钢管的持久强度明显好于SA-213TP347H，且5000hF时效后，强度、塑性和硬度均变化不大，但该材料如果用于锅炉受热面，需对同种钢、异种钢接头的焊接性能进行试验，以取得焊接工艺数据，选配合理的焊接材料，而这方面国内外相关资料提供不多。

为了掌握304H不锈钢管的焊接性能，进行了规格为45.1*4.8的304H小口径钢管同种钢以及304H、TP347H、T91焊接工艺试验，并确定合适的焊接工艺及热处理规范。

2试验材料及方法

2.1试验材料

根据东锅公司锅炉受热面常用结构，304H不锈钢管用于受热面，必然与T91、TP347H等材料相焊接，因此，选用304H、T91、、TP347H三种母材进行试验。

据相关资料报道，304H不锈钢管氮含量上限控制在0.12%，主要是考虑到运行温度下长期时效后塑性下降；钢种中加入适量的铜和铌，是为了提高其持久强度、持久塑性、韧性及抗腐蚀性。

2.2焊接方法及坡口加工

为适应公司的生产需要，焊接方法采用热丝TIG焊和手工钨极氩弧焊，坡口加工如图1所示。

2.2.1焊接设备

热丝TIG焊采用加拿大热丝焊机，手工钨极氩弧焊采用上海华北电焊机厂生产的氩弧焊机，电源极性均为直流正接。因为母材与填充材料的Cr含量很高，为防止氧化，焊接过程中背面须通99.99%氩气保护。

2.2.2焊接材料

采用304H不锈钢管同种钢焊接，304H+TP347H异种钢焊接，异种钢焊接。

2.3焊接规范及热处理规范焊接：

热处理：考虑304H与TP347H等的异种钢焊接，焊后采用高温回火。

热处理方法：随炉升温，755℃条件下保温50min，然后出炉空冷的形式。具体工艺如图2所示。

3试验检验

熔敷金属化学成分接近于母材，如表6。

3.1拉伸试验

焊接接头横向试样在全厚度4.8mm范围内取样，共2个常温性能，其结果见表7。

以上数据表明：焊缝金相组织为奥氏体及少量碳化物，接头的抗拉强度满足母材的技术条件要求，与母材的实测值较为接近，断口位置在热影响区304H+SA-213T91断口位置在焊缝，焊缝区未发现任何缺陷，接头质量良好。

3.2弯曲试验

弯曲试样按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》制备面、背各2个，弯轴直径D=3t，面、背弯曲角度90°弯曲角度50°按GB232《金属弯曲试验方法》规定进行，未发现任何裂纹，试验结果良好，表明焊缝有足够的塑性和韧性。

4结果分析

304H不锈钢管是一种新型的、经济型的18-8奥氏体不锈钢，具有良好的组织稳定性，较高的抗蒸汽氧化性能，它是在ASME SA-213TP304的基础上通过降低Mn含量上限，加入约3%的Cu、约0.45%的Nb和微量的N，使该钢在服役期运行时产生细小而弥散的富铜相沉淀于奥氏体母相内的沉淀强化以及碳、氮化合物的强化作用，而得到很高的许用应力，至少较目前常用的TP347H钢要高约20%以上。从经济观点看，首先这种钢不含昂贵的Mo，W等贵重金属元素，其次，其在锅炉上的应用能减薄钢管壁厚，相对的能降低锅炉制造成本。

304H与珠光体钢SA-213 T91焊接时，由于二者的热膨胀系数、导热性能等相差很大，在焊接局部加热和冷却条件下，接头在冷却过程中易形成较大的拉应力，从而形成裂纹，故选用镍基焊丝ERNiCr-3，（线胀系数、导热性能与SA-213 T91近同）。

由于不锈钢304H合金元素较多，容易产生加工硬化，使切削加工较难进行；其热膨胀系数高，导热性差，热量不容易扩散，致使焊接过程中，温度很高，热影响区很大。母材及焊丝中Ni含量较高，铁水流动性差，填充金属悬浮于焊缝表面，母材规格小，焊缝成型较窄。特别是304H+SA-213 T91手工钨极氩弧焊焊接，由于不锈钢304H的导热性能差，焊接过程热量不易散去，304H一侧的温度要比SA-213 T91侧高，因为温度差的存在，焊缝成型差。解决的办法是：焊接过程中，应人为的将焊机偏向SA-213 T91一侧，使焊缝金属温度均匀化，这样可以保证焊缝成型美观，焊接质量稳定。

5试验结论及建议

（1）同种钢接头，焊丝匹配TP304H不锈钢管；304H不锈钢管+TP347H异种钢接头，焊丝匹配TP304H不锈钢管；304H+TP347H异种钢接头，焊丝匹配ERNiCr-3，焊后经40-50min的755℃高温回火，然后空冷的热处理方式，其焊缝接头性能满足《蒸汽锅炉安全技术监察规程》要求，按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》进行焊接工艺评定合格，因此，可以将该匹配及焊接规范用于超临界机组锅炉中过热器、再热器等产品焊接。

（2）控制坡口尺寸是保证焊接质量的关键，因此要求坡口加工严格按图1进行。

（3）在焊接过程中，由于焊缝金属粘度大，铁水流动性差，故实际焊接操作时适当增大焊机横向摆动宽度，以提高焊缝金属的流动性。在与SA213 T91焊接时，因为两种钢导热性的不同，手工氩弧焊焊接时应人为的将焊机偏向SA-213 T91一侧，这样可以保证焊缝成型美观，质量稳定。

（4）304H不锈钢管热膨胀系数高，导热性差，故在与异种钢焊接并在高温下使用时，须考虑两种材料的膨胀系数和高温强度匹配问题。

（5）焊后在高温热处理的情况下，可以改善焊缝接头性能，确保焊接质量。

（6）综合各方面性能及日本在电站锅炉过热器和再热器上长达10年的应用情况来看，304H不锈钢管表现出良好的综合性能，各方面均优于常规的18-8奥氏体不锈钢，可用做为超临界锅炉及超超临界锅炉的过热器和再热器材料。