S31803雙相不銹鋼焊縫返修焊接的相比例控制

王心寶 周 彬 郭 旺 劉金剛

S31803雙相不銹鋼焊縫返修焊接的相比例控制

王心寶 周 彬 郭 旺 劉金剛

(珠海巨濤海洋石油服務有限公司，廣東珠海519050)

S31803雙相不銹鋼焊接返修過程中由于原始焊縫靠近返修焊縫的區(qū)域會再次受到返修過程焊接熱循環(huán)的影響，處于返修焊接熱影響區(qū)內(nèi)原始焊縫中的鐵素體組織進一步向奧氏體析出，導致返修完成的焊縫中該區(qū)域內(nèi)的鐵素體質(zhì)量分數(shù)降低，甚至不能滿足標準要求。通過一系列試驗及分析，得出控制S31803雙相不銹鋼受返修焊接熱循環(huán)影響的原始焊縫中鐵素體與奧氏體相比例的具體措施，對S31803雙相不銹鋼的焊接工藝評定及焊接生產(chǎn)起到一定的指導作用。

雙相不銹鋼 相比例 返修

0 序 言

S31803雙相不銹鋼金相組織中鐵素體與奧氏體含量各占約50%。由于具有兩相組織的特點，使其具備了奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性和良好的焊接性及鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物腐蝕的性能。根據(jù)挪威船級社海工標準《DNV－OS－C401海工結(jié)構(gòu)的建造與試驗》及挪威石油工業(yè)技術法規(guī)《NORSOK M－601管路的焊接與檢驗》規(guī)定，雙相不銹鋼焊接接頭鐵素體質(zhì)量分數(shù)應在30%～70%范圍內(nèi)。如果焊接接頭中奧氏體與鐵素體的比例超出標準要求，將直接影響其韌塑性和耐蝕性。鐵素體質(zhì)量分數(shù)過低，將導致強度和抗應力腐蝕開裂能力下降;鐵素體質(zhì)量分數(shù)過高，即奧氏體質(zhì)量分數(shù)過低，將導致耐腐蝕性能和沖擊韌性的降低［1－5］。

焊接熱循環(huán)是影響焊縫接頭金相組織的一個非常重要的因素，高溫狀態(tài)下雙相鋼為100%的鐵素體組織，在冷卻過程中奧氏體相逐漸析出并最終形成雙相組織［6］，析出過程受熱輸入和冷卻速度的影響。原始焊縫為鑄態(tài)組織，相穩(wěn)定性差，而在返修過程中，原始焊縫受熱影響的區(qū)域處于非平衡狀態(tài)，工程試驗中發(fā)現(xiàn)S31803雙相不銹鋼最大的問題為返修焊接完成后，原始焊縫受返修焊接熱循環(huán)影響的區(qū)域鐵素體質(zhì)量分數(shù)較低。文中通過返修開槽方式、焊接熱循環(huán)控制、保護氣體三個方面對S31803雙相不銹鋼原始焊縫受返修焊接熱循環(huán)影響區(qū)域的相比例進行研究［7－8］，探索相比例控制措施。

1 試驗材料

試驗中采用規(guī)格為 φ219 mm×18．26 mm的S31803雙相不銹鋼管，焊材選用天泰生產(chǎn)的牌號為TGS－2209、規(guī)格為φ2．4 mm的氬弧焊絲。試驗鋼管及氬弧焊絲化學成分見表1。S31803雙相不銹鋼在常溫下的力學性能要求為:抗拉強度Rm≥620 MPa，屈服強度ReL≥450 MPa，斷后伸長率 A≥25%，沖擊吸收能量KV≥54 J(－46℃)。試驗中用材料的力學性能如下:抗拉強度Rm=774 MPa，屈服強度ReL=639 MPa，斷后伸長率A=26．5%，沖擊吸收能量KV=293

表1 鋼管及焊絲化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 焊接過程

2．1 原始焊縫焊接

采用鎢極氬弧焊，以相同的焊接工藝參數(shù)及技術要求焊接3組試管，坡口角度為60°，鈍邊大小為2 mm，根部間隙為3 mm;焊前不預熱，層間溫度控制在150℃以下;焊接保護氣體試樣1采用98%Ar+2%N2，試樣2及試樣3采用Ar氣保護，3組試樣的背面保護氣體均為Ar氣［9－11］;詳細焊接工藝參數(shù)見表2。焊接完成后進行100%VT+100%RT+100%PT檢測，焊縫外觀良好且沒有發(fā)現(xiàn)任何不可接受的內(nèi)部及表面缺陷，焊縫合格。

表2 原始焊縫焊接參數(shù)［12］

2．2 原始焊縫開返修槽

試樣1與試樣2按照圖1的方式進行開槽，保留原始焊縫中每一層的第一道焊縫的一側(cè)，槽邊緣距原始坡口邊緣為3～5 mm，槽的另一邊緣為原始坡口邊緣，焊縫根部保留6 mm，開槽角度為60°。

試樣3按照圖2的方式進行開槽，保留原始焊縫中每一層的最后一道焊縫的一側(cè)，槽邊緣距原始坡口邊緣為3～5 mm，槽的另一邊緣為原始坡口邊緣，焊縫根部保留6 mm，開槽角度為60°。

圖1 開槽方案1

圖2 開槽方案2

2．3 返修焊縫焊接

返修焊接方法采用鎢極氬弧焊，Ar作為焊接保護氣體，試樣1與試樣2采用相同的焊接工藝參數(shù)及層間溫度，試樣3相對于試樣1及試樣2有如下改變:①降低焊接參數(shù)和最高層間溫度;②在試樣3焊縫兩側(cè)100 mm以外使用水帶吸熱的方式加快試樣焊接過程中冷卻速度;③每一道焊接完成后，使用壓縮空氣吹工件的方式加快冷卻速度。三組試樣詳細的焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 返修焊縫焊接工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果

三組焊接試樣射線檢測均合格，取微觀試樣對原始焊縫受返修焊接熱影響的區(qū)域根部及表面的鐵素體質(zhì)量分數(shù)進行測量，如圖3所示，測量位置為A，B兩個區(qū)域，A區(qū)域距返修焊縫根部2 mm左右，B區(qū)域距母材表面2 mm左右，且A，B兩個區(qū)域均處在原始焊縫受返修焊接熱影響區(qū)域內(nèi)。試驗結(jié)果見表4，微觀圖片如圖4所示。可以看出試樣1與試樣2原始焊縫中受返修焊接熱影響的區(qū)域鐵素體含量偏低，而試樣3中該區(qū)域的鐵素體含量滿足標準要求。

圖3 接頭示意圖

表4 鐵素體含量(質(zhì)量分數(shù)，%)

4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果觀察，改變原始焊縫保護氣體后，處于返修焊接熱影響區(qū)域內(nèi)的原始焊縫鐵素體質(zhì)量分數(shù)沒有明顯變化，而通過降低焊接參數(shù)、改變開槽方式及加快冷卻速度，該區(qū)域鐵素體質(zhì)量分數(shù)得到明顯提高，其主要原因有以下幾點:

(1)熔融金屬的結(jié)晶方式與母材不同，焊縫為鑄態(tài)，晶粒排布不均勻且相對較小，相穩(wěn)定性差，返修焊接過程中，受熱循環(huán)作用該區(qū)域相平衡狀態(tài)受到影響，在800～1 300℃范圍內(nèi)鐵素體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變，導致鐵素體含量降低。

(2)原始焊縫焊接過程中每層水平方向上，第1道焊縫邊緣在第2道焊接過程中處于其熱影響區(qū)內(nèi)，導致該區(qū)域會繼續(xù)出現(xiàn)鐵素體向奧氏體析出現(xiàn)象［13］。如圖1和圖2所示，試樣1與試樣2開槽時保留的焊縫在每層的水平方向內(nèi)受到了兩次后續(xù)焊道的熱影響作用，而由于開槽方式的不同，試樣3與試樣1和試樣2相比每一層的水平方向減少了一次熱循環(huán)的影響。結(jié)合三組試驗結(jié)果說明，焊縫金屬鐵素體質(zhì)量分數(shù)與受熱影響的次數(shù)有關。因此在實際生產(chǎn)中如果要保證熔敷金屬相比例，需將缺陷部位焊縫寬度方向上熔融金屬全部清除，這樣可以避免如試樣1與試樣2在水平方向上出現(xiàn)多次受熱的區(qū)域。

(3)冷卻速度對雙相比例具有重要影響。冷卻速度快，原始焊縫受返修焊接熱影響的區(qū)域在800～1 300℃停留時間短，也就縮短了鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的時間，有利于形成較高的鐵素體質(zhì)量分數(shù)。反之，則不利于鐵素體質(zhì)量分數(shù)的提高。

試驗通過3個措施對冷卻速度加以控制。首先，保持小的焊接熱輸入。因為冷卻速度受到熔敷金屬散熱相對表面積影響，相對表面積小，與周圍金屬或環(huán)境接觸的面積相對較小，導致單位時間內(nèi)傳遞的熱量就少，冷卻速度相對較慢。焊接熱輸入大小可以分為以下兩種情況:第一種情況為焊接速度相同，電流、電壓不同，熱輸入量大時的焊縫厚度較大，導致其相對表面積小;第二種情況為焊接電流和電壓相同，焊接速度不同，該種情況下相同時間內(nèi)熱輸入較大時形成較短的焊縫金屬，相對表面積也較小。因此，小的熱輸入會有相對較快的冷卻速度［14］。其次，在焊縫兩側(cè)100 mm外增加水帶，一方面，該區(qū)域時間的溫度遠低于相轉(zhuǎn)變或雜質(zhì)相析出的溫度，不會對雙相不銹鋼組織性能造成不利影響;另一方面，水帶可以迅速從焊接工件上吸熱，使該區(qū)域溫度快速降低，增大了該區(qū)域與焊縫處的溫度梯度，促使焊縫處熱量更快速的向該區(qū)域傳遞，提高了工件的冷卻速度。最后，每一道焊接完成后使用壓縮空氣吹工件，可以加快空氣流通，工件溫度下降速度加快，降低焊接層間溫度，從而增大焊接過程的冷卻速度。

5 結(jié) 論

(1)S31803雙相不銹鋼原始焊縫受返修焊接熱影響區(qū)域的鐵素體質(zhì)量分數(shù)受返修開槽方式、焊接工藝參數(shù)及冷卻速度的影響而取消原始焊縫焊接保護氣中的氮氣，對該區(qū)域的鐵素體質(zhì)量分數(shù)影響不明顯。

(2)在實際生產(chǎn)中如果要保證S31803雙相不銹鋼熔敷金屬的相比例，需將缺陷部位焊縫寬度方向上熔融金屬全部清除。

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TG401

2016－12－20

王心寶，1987年出生，學士，焊接工程師。主要從事船舶、海工、壓力容器行業(yè)與焊接相關的管理、研發(fā)、設計、評定及質(zhì)量控制工作。