超級(jí)雙相不銹鋼S32750氬弧焊接技術(shù)

李 強(qiáng) 李小朋 陳萬(wàn)祿 蘇言誠(chéng) 劉文芳

中國(guó)化學(xué)工程第十三建設(shè)有限公司 河北滄州 061000

超級(jí)雙相不銹鋼S32750氬弧焊接技術(shù)

李 強(qiáng) 李小朋 陳萬(wàn)祿 蘇言誠(chéng) 劉文芳

中國(guó)化學(xué)工程第十三建設(shè)有限公司 河北滄州 061000

通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，對(duì)超級(jí)雙相不銹鋼S32750焊接多種焊接方法進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)踐總結(jié)了超級(jí)雙相不銹鋼焊接工藝特點(diǎn)，制定了全氬弧焊焊接工藝方法。提出了使用高純氬氣作為保護(hù)氣，焊接坡口形式采用X型不對(duì)稱坡口形式的新型焊接技術(shù)，通過(guò)實(shí)踐運(yùn)用證明該技術(shù)可靠有效，保證了超級(jí)雙相不銹鋼焊縫優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。

超級(jí)雙相不銹鋼 焊接方法 坡口形式 氬弧焊

1 前言

國(guó)內(nèi)外近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的第三代雙相不銹鋼—超級(jí)雙相不銹鋼，具有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，機(jī)械性能優(yōu)異，耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能好，具有良好的可焊性，在石油、化工、海洋工程領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。由于超級(jí)雙相不銹鋼本身的特性是靠鐵素體和奧氏體兩相組織通過(guò)適當(dāng)比例保證的，焊接工藝影響超級(jí)雙相鋼焊縫及熱影響區(qū)形成的兩相組織比例，是超級(jí)雙相不銹鋼優(yōu)良機(jī)械性能和耐腐蝕性能的關(guān)鍵。

我公司承接的SNC-LAVALIN公司馬達(dá)加斯加設(shè)備制造工程中，有5臺(tái)設(shè)備使用太鋼生產(chǎn)的超級(jí)雙相不銹鋼S32750制造，焊接變形要求控制嚴(yán)格，焊后設(shè)備不進(jìn)行熱處理，焊接試件除常規(guī)的理化檢驗(yàn)外，還要求按照ASTM A923—2006 Method C[1]進(jìn)行耐腐蝕性能檢驗(yàn)。

2 材料主要性能

S32750該鋼種從屬于不銹鋼類別其主要化學(xué)成分及機(jī)械性能如表1和表2：

表1 常溫機(jī)械性能材料

3 焊接方法的選擇

3.1 選擇原則

超級(jí)雙相不銹鋼化學(xué)成分特點(diǎn)為較高的鉻含量和適量的鎳、鋁、銅多個(gè)元素的復(fù)合作用，特別是適量氮使該鋼具有較好的綜合性能。超級(jí)雙相不銹鋼的焊接接頭金相組織的主要特點(diǎn)是焊接接頭各部位組織的不均勻性，多層焊的表層焊縫γ相比其它層次的焊縫要少得多。要使焊接接頭獲得優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，必須嚴(yán)格控制α/γ相比例。由于超級(jí)雙相不銹鋼的焊接方法很多，如SMAW、GTAW、GMAW、SAW 等[3]，由于不同的焊接工藝焊接過(guò)程中輸入的線能量不同，焊接接頭質(zhì)量差異較大。

3.2 焊接方法的選擇

我公司本次施工設(shè)備直徑大，直徑均在6m以上，罐壁厚度在6～12mm之間，不適合應(yīng)用SAW焊接方法，根據(jù)實(shí)際情況，我們?cè)诤附庸に囘x擇上進(jìn)行了以下4種工藝研究：

（1）手工電弧焊+手工清根；

（2）氬弧焊打底電焊蓋面；

（3）氬弧焊打底+熔化極氣體保護(hù)焊填充蓋面；

（4）全氬弧焊焊接。

3.3 焊接方法的試驗(yàn)

表 2[2] 超級(jí)雙相不銹鋼S32750的成品化學(xué)成分

為合理確定焊接方法，對(duì)不同焊接工藝方法的焊接試板進(jìn)行理化檢驗(yàn)，從而確定出合適的焊接工藝。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每種工藝方法選擇3對(duì)焊接工藝試板，參照公司已有合格的超低碳奧氏體不銹鋼焊接參數(shù)，按照J(rèn)B/T4708-2000結(jié)合ASTM A923中C法使用6%FeCl3溶液進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)要求進(jìn)行焊接評(píng)定，各種焊接方法根據(jù)超級(jí)雙相不銹鋼焊接特點(diǎn)要求使用小電流多道焊的焊接工藝[4]，盡量減少熱量輸入。

焊接材料的選擇主要是依據(jù)焊接工藝的確定的。試驗(yàn)選擇的焊絲采用瑞典Sandvik牌號(hào)25.104.L，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 14343型號(hào)2594NL規(guī)格φ2.4/φ1.2，焊條采用同品牌的25.10.4LR，保護(hù)氣選用摻混1.5%氮?dú)獾臍鍤饣旌蜌庾鳛楸Ｗo(hù)氣。（焊接材料主要化學(xué)成分見表3；超級(jí)雙相不銹鋼焊接工藝規(guī)范確定見表4；經(jīng)理化檢測(cè)結(jié)果見表5。）

3.4 焊接結(jié)果分析

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，4種焊接工藝中，全氬弧焊焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果較為理想，具體原因分別為：

3.4.1 手工電弧焊+手工清根、氬弧焊打底電焊蓋面、氬弧焊打底+熔化極氣體保護(hù)焊等3種焊接方法焊接結(jié)果分析

這3種焊接工藝焊接過(guò)程采用的線能量控制較為困難，如線能量過(guò)小，造成焊道冷卻速度過(guò)快，焊縫及熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的鐵素體，從而降低焊接接頭的腐蝕抗力和韌性；線能量過(guò)高，試件的冷卻速度過(guò)慢，焊縫及熱影響區(qū)可能析出金屬間相，也會(huì)使焊接接頭的腐蝕抗力和韌性降低。具體到各種焊接工藝在于：

（1）手工焊焊接電流小以及焊接的不連續(xù)性，使焊接過(guò)程中熱量輸入和擴(kuò)散不均勻影響焊縫整體質(zhì)量，同時(shí)焊接過(guò)程中焊條擺動(dòng)大，母材受熱面積就大；焊條擺動(dòng)小，熔池降溫快，焊道重疊部分不宜清理，出現(xiàn)焊接缺陷。

（2）熔化極氣體保護(hù)焊由于熱輸入量大，控制難度大，同時(shí)由于焊接速度較快，熔敷量大，焊縫表面氧化也比較嚴(yán)重，試驗(yàn)中鐵素體檢測(cè)熔化極氣體保護(hù)焊焊接側(cè)鐵素體含量不大于30%。

（3）從試驗(yàn)結(jié)果上看，由于存在多種影響焊接質(zhì)量因素，以上3種焊接方法普遍存在沖擊韌性較差，抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)部分試件從焊縫區(qū)斷裂，同時(shí)晶間腐蝕普遍不合格。

3.4.2 全氬弧焊接結(jié)果分析

由于全氬弧焊焊接熱輸入量小，進(jìn)行多層多道焊時(shí)，后續(xù)焊道對(duì)前層焊道有熱處理作用焊接速度可以通過(guò)焊工技能控制，在合理的焊接速度和進(jìn)一步控制單位時(shí)間焊接長(zhǎng)度條件下，可以滿足S32750的焊接質(zhì)量要求。

4 焊接工藝參數(shù)確定

S32750全氬弧焊接工藝我們按照不同焊接參數(shù)，再次進(jìn)行4組對(duì)比試驗(yàn)，每組焊接兩對(duì)試板。在上次試驗(yàn)中我們選用了摻混1.5%氮?dú)獾臍鍤饣旌蜌庾鳛楸Ｗo(hù)氣，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)焊接中焊接飛濺比較嚴(yán)重，同時(shí)試板焊縫機(jī)械性能和耐腐蝕性能改善不明顯，我們考慮到在使用的焊絲中氮含量同于母材，只需要提高氬氣純度，提高氣體保護(hù)質(zhì)量，盡量減少焊接過(guò)程中氮的損失，因此選用氬氣純度達(dá)99.99%作為保護(hù)氣。新試驗(yàn)中，根據(jù)超級(jí)雙相不銹鋼的特點(diǎn)，通過(guò)采取減少熔敷金屬焊接量的方法如：減小坡口角度、調(diào)整坡口形式等，并采用較快焊接速度，控制焊把擺動(dòng)幅度；并提高保護(hù)效果，控制層間溫度不大于100℃，同時(shí)根據(jù)氬弧焊的特點(diǎn)，我們將一組試件采用雙面不對(duì)稱X型坡口，即減少熔敷金屬量，又有效減少了熱量輸入，并利用后續(xù)焊道對(duì)前層焊道的熱處理作用提高焊接質(zhì)量。

表3 焊接材料主要化學(xué)成分

表4 超級(jí)雙相不銹鋼S32750焊接工藝規(guī)范

表5 超級(jí)雙相不銹鋼S32750焊接試板理化檢驗(yàn)結(jié)果

表6 焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)表

表7 試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果見表6，表7。

4組試驗(yàn)檢測(cè)鐵素體含量均達(dá)到40%，機(jī)械性能試驗(yàn)全部合格，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明B4組的焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)比較合理，特別是采用雙面不對(duì)稱X型坡口，即減少熔敷金屬量，同時(shí)提高焊接質(zhì)量，試件腐蝕試驗(yàn)全部合格。

5 焊接工藝試驗(yàn)分析

超級(jí)雙相不銹鋼S32750從上述試驗(yàn)分析中可以得出以下結(jié)論：

（1）超級(jí)雙相不銹鋼焊接工藝不同于常規(guī)不銹鋼材料的焊接，采用雙面X型不對(duì)稱可以有效減少熔敷金屬量，相應(yīng)減少熱輸入量，提高焊接質(zhì)量。

（2）超級(jí)雙相不銹鋼采用氬弧焊焊接工藝重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)控制焊接焊接速度和焊接過(guò)程中氬弧焊把擺動(dòng)幅度，提高保護(hù)氣保護(hù)質(zhì)量。

（3）選擇氬氣需使用高純度99.99%純氬；對(duì)于摻混氮?dú)獾幕旌蜌膺x擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)工藝試驗(yàn)，慎重選擇。

（4）焊接中應(yīng)當(dāng)首先焊接完成受腐蝕側(cè)焊縫，利用后續(xù)焊道對(duì)前層焊道的熱處理作用提高焊接質(zhì)量。

（5）無(wú)論采用何種焊接方法焊接過(guò)程中需要嚴(yán)格控制焊接電流、焊接速度、焊接層數(shù)，采用小電流多道焊工藝才能保證焊接質(zhì)量。

6 結(jié)論

根據(jù)我公司將全氬弧焊工藝在超級(jí)雙相不銹鋼S32750設(shè)備制作上的應(yīng)用，所有設(shè)備焊接一次合格率達(dá)到98%，所有焊縫焊后經(jīng)過(guò)鐵素體檢測(cè)均達(dá)到35%～60%之間，焊接產(chǎn)品試板機(jī)械性能檢驗(yàn)和腐蝕試驗(yàn)全部合格。試驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)于超級(jí)雙相不銹鋼S32750設(shè)備制作采用全氬弧焊，高純氬保護(hù)，采用合理的焊接工藝參數(shù)，特別是采用不對(duì)稱X坡口形式（如圖1），按照小電流多道焊工藝，可以使超級(jí)雙相不銹鋼焊縫組織鐵素體和奧氏體組織比例趨于合理，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。

1《ASTM A923-06Standard Test Methods forDetecting DetrimentalIntermetallic Phase in Duplex Austenitic/Ferritic Stainless Steels》（《測(cè)定鍛造雙相奧氏體不銹鋼/鐵素體不銹鋼不穩(wěn)定金屬相的試驗(yàn)方法》）.

2《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅱ》.《SA-240/SA-240M壓力容器和一般用途用耐熱鉻及格鎳不銹鋼板、薄板和鋼帶》.

3《超級(jí)雙相不銹鋼的焊接》陳建俊，王平、楊社教 第20卷第11期《壓力容器》總第132期.

4《雙相不銹鋼》吳玖等 冶金工業(yè)出版社，1999．

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1672-9323（2011）01-0048-03

2010-09-07）