254SMO超級不銹鋼焊接工藝試驗研究及應(yīng)用

朱 池，徐進安

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

中船澄西船舶修造有限公司(以下簡稱我公司)承接了 “斯克萊娜”船新裝排煙脫硫裝置改裝工程，該裝置屬于綠色環(huán)保新型設(shè)備，由于我公司首次承接該類型設(shè)備的改裝工程，且系統(tǒng)中大量管系及附件、泵的材料均為254SMO超級不銹鋼(也稱超級奧氏體不銹鋼)，制造要求和焊接技術(shù)難度較大，因此對254SMO超級不銹鋼進行分析、研究與試驗應(yīng)用。254SMO超級不銹鋼是一種對多種腐蝕媒介都有耐蝕性的高鎳、高鉬、高鉻的“三高”低碳合金。高合金化的254SMO超級不銹鋼不僅在空氣、海水、中性鹽和堿等弱酸弱堿介質(zhì)中通常不會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象[1]，而且在惡劣的介質(zhì)中，也具有很好的抗點蝕和縫隙腐蝕能力，其中高鎳含量避免合金出現(xiàn)氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。在該改裝工程中，對254SMO超級不銹鋼管材從焊接參數(shù)選擇、焊接操作技術(shù)、變形控制等方面進行反復(fù)試驗，解決了254SMO超級不銹鋼焊接技術(shù)難題，掌握了管系焊接技巧，為脫硫裝置改裝工程的順利推進打下了堅實基礎(chǔ)。

1 焊接性分析

254SMO超級不銹鋼制造工藝要求較高，難度系數(shù)較大。因高合金具有難熔煉、易開裂、易偏析等特性，需要經(jīng)過冶煉、熱軋、連鑄、加熱及酸洗等，才能制造出254SMO超級不銹鋼材料[2]。此次改裝項目中，254SMO超級不銹鋼管管徑27～609 mm，壁厚3～6 mm，其化學(xué)成分與力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 254SMO超級不銹鋼的化學(xué)成分 %

表2 254SMO超級不銹鋼的力學(xué)性能

由表1和表2可以看出，254SMO超級不銹鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能與常用奧氏體不銹鋼有很大差異，焊接性能也有較大區(qū)別，焊接時要綜合考慮各種工藝參數(shù)因素。254SMO超級不銹鋼焊接難點主要有以下4點。

1)焊接易產(chǎn)生熱裂紋。254SMO超級不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性。熱裂紋可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。結(jié)晶裂紋常產(chǎn)生在焊道弧坑處，從焊縫中心縱向開裂且有氧化色；液化裂紋多出現(xiàn)在焊接接頭的熱影響區(qū)，也會在多層焊的層間焊縫中產(chǎn)生；高溫失塑裂紋既可發(fā)生在熔合線附近，也能發(fā)生在焊縫及熱影響區(qū)中。各種裂紋既可能是宏觀裂紋，也可能是微觀裂紋。

2)焊接接頭易氧化。254SMO超級不銹鋼在高溫狀態(tài)下易氧化，焊接過程中要求焊縫在高溫時避免接觸空氣。若出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，焊接接頭的耐蝕性能將大幅降低，在熔池中氧化形成鉻的氧化物，阻礙熔池中金屬液的流動性，易造成焊縫的外觀成形不良。

3)熔池流動性差。254SMO超級不銹鋼液態(tài)焊縫金屬流動性較差，不如碳鋼、低合金鋼焊縫熔池易浸潤，采用加大焊接電流的方法也不能改變焊縫金屬的流動性，還對流動性起反作用，這是鎳基合金的固有焊接特性。若焊接電流過大，熔池過熱且增大，裂紋熱敏感性增強，熔池中的脫氧劑逸出，易產(chǎn)生氣孔；采用熔化極活性氣體保護焊(MAG)焊接時，容易使焊絲及其合金元素?zé)龘p，焊縫耐蝕性和強度降低[3]。又因熔池流動性差，坡口邊緣熔合變差，故而焊接過程中采用橫擺工藝，以獲得良好的焊縫外觀成形，擺幅的最大距離不能超過12 mm。焊接操作者在橫擺到每側(cè)焊縫的極限位置時要稍停頓1～2 s，使熔化的焊縫金屬填滿熔池，減少咬邊和下凹缺陷，同時采用短弧過渡操作技術(shù)。

4)焊接熱輸入影響。采用高熱輸入的工藝參數(shù)對焊接254SMO超級不銹鋼會產(chǎn)生副作用，在熔合線附近會產(chǎn)生退火和晶粒長大。高熱輸入將導(dǎo)致焊縫偏析、碳化物沉淀或其它有害的冶金現(xiàn)象，從而使焊接接頭耐蝕性降低，熱裂紋傾向變大，最終影響產(chǎn)品使用效果。

2 焊接試驗與焊接工藝

2.1 焊接材料和方法的選擇

根據(jù)254SMO超級不銹鋼的焊接性分析，焊接材料使用SMT-625高合金焊材可以避免焊接過程中造成過多奧氏體轉(zhuǎn)變、合金元素?zé)龘p及耐蝕性降低的現(xiàn)象，有利于焊接接頭匹配母材性能。采用熱輸入量低的氬弧焊，為了控制接頭過熱和避免晶界析出，故而采用鎢極氬焊打底、填充及蓋面的方法。焊接設(shè)備采用手工氬弧焊焊機進行接頭試樣的焊接。

該項焊接試驗?zāi)覆臑?54SMO超級不銹鋼管,其焊接試驗管材規(guī)格為：D114 mm×6 mm×150 mm×4組管材。

2.2 接頭形式設(shè)計

設(shè)計接頭形式、坡口形式與尺寸見圖1、圖2。

圖1 2G管子垂直固定焊接頭以及坡口形式與尺寸

圖2 5G管子水平固定焊接頭以及坡口形式與尺寸

3 焊接工藝要領(lǐng)

1)焊前準(zhǔn)備。 254SMO超級不銹鋼管可以采用機械方式制備坡口。坡口及其兩側(cè)各30 mm范圍內(nèi)，應(yīng)用機械方法及丙酮進行表面清理，清除表面的油污、金屬屑、毛刺及其他污染物，其中標(biāo)記需要用不含氯離子的專用筆。

2)焊接保護氣體。采用氬氣，其氣體純度≥99.99%，焊接時保護氣體流量為10～15 L/min，管內(nèi)采用充氣保護，管內(nèi)保護氣體流量為10～20 L/min，焊接前預(yù)先充氣時間不少于3 min。手工氬弧焊接時，提前和滯后4～5 s送氣，保護熔池，以免焊縫金屬氧化。

3)焊接電源極性。采用直流正接方式。相比直流反接方式，直流正接方式熔深大，焊縫窄、變形小、熱影響區(qū)小，在保證焊透情況下，有利于減小焊接熱輸入量。

4)定位焊要求。采用對稱四點定位焊，定位焊采用手工鎢極惰性氣體保護焊(TIG)，定位焊長度約10～15 mm，兩端需要打磨成大于或等于45°的斜面，其中焊絲牌號為STM-625，直徑2.0 mm。

5)焊接順序及焊道布置。為保證焊接質(zhì)量，采用氬弧焊打底、填充及蓋面，每道或每層焊縫都采用鋼絲刷清理。焊接順序及焊道布置見圖3。

圖3焊接順序及焊道布置

6)焊接工藝參數(shù)。具體焊接參數(shù)如表3和表4所示。

表3 2G管子垂直固定焊焊接參數(shù)

焊接過程中工藝要求包括：打底焊道完成后應(yīng)及時進行填充、蓋面焊接；焊縫應(yīng)一次連續(xù)完成，同時應(yīng)避免產(chǎn)生弧坑裂紋；若有弧坑裂紋，應(yīng)馬上剔除并補焊，以免影響后道焊接質(zhì)量。

表4 5G管子水平固定焊焊接參數(shù)

7)防止焊接裂紋。在焊接收弧時要填滿弧坑，在收弧處多停留3～5 s，避免產(chǎn)生弧坑裂紋，若出現(xiàn)弧坑裂紋，應(yīng)馬上打磨處理。焊接過程中避免材料與銅和鋅發(fā)生接觸，以免銅和鋅滲入鋼的晶粒邊界引起裂紋。

8)控制層間溫度。為了確保254SMO超級不銹鋼管焊接性，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入，焊接采用較小焊接工藝參數(shù)，盡量采用快速多層多道焊以減少焊道熱輸入量，并通過多層焊的后熱作用細(xì)化晶粒。多層焊時要控制層間溫度，熱輸入盡量控制在0.8～1.5 kJ/mm范圍內(nèi)，多層焊層間溫度小于100 ℃，避免接頭過熱。在焊接過程中，焊絲不能脫離氬氣保護范圍。

9)防止焊接縮孔。焊接254SMO不銹鋼高合金鋼收弧時，由于焊接接頭吸收了大量焊接熱，焊縫區(qū)域金屬的溫度不斷升高，收弧速度過快造成高溫液態(tài)的金屬快速冷卻、收縮，液態(tài)熔池金屬來不及填滿弧坑容易產(chǎn)生縮孔。為防止縮孔，在根部焊時盡量將電弧引到坡口面處進行收弧減少縮孔；在進行填充蓋面時，收弧時輕抬焊槍，適當(dāng)?shù)募涌煨凶咚俣?，使熔池逐漸縮小(在氬弧焊機中設(shè)置電流衰減作用)，直至熄弧[4]。

10)焊后處理。焊后呈過熱或氧化顏色的部位，應(yīng)打磨處理。焊后采取緩慢冷卻措施，以防弧坑裂紋。為獲得最佳耐腐蝕能力，焊后應(yīng)對焊件做酸性鈍化處理。

4 焊后試驗結(jié)果與分析

管材焊接工藝評定采用LR船級社規(guī)范、ASME Section Ⅸ及ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)要求。各項性能測試試驗是嚴(yán)格按照船級社標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品使用工況要求進行。管材焊縫試驗內(nèi)容包括外觀檢測、無損探傷、拉伸試驗、彎曲試驗、宏觀金相、微觀金相、晶間腐蝕試驗及鐵素體含量測定。

1)無損探傷檢測。焊接結(jié)束后48 h，對焊接試樣焊縫進行100%外觀檢測：焊縫及熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)咬邊、表面氣孔、裂紋及夾渣等缺陷，焊縫余高0.3～1.2 mm，焊縫與母材之間過渡光順；焊接試驗焊縫經(jīng)過X光射線探傷和PT檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透及夾渣等缺陷，焊接接頭焊縫質(zhì)量滿足檢驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)拉伸試驗。將拉伸試驗樣固定在某型萬能試驗機上，拉伸試驗斷裂位置為母材處。拉伸試驗結(jié)果滿足LR船級社規(guī)范要求。

3)彎曲試驗。將加工好的彎曲試驗樣固定在某型萬能試驗機上進行彎曲試驗。按照規(guī)范要求，使用24 mm直徑的壓頭進行2正彎和2反彎彎曲試驗。彎曲角度180°，在彎曲后的試樣表面無裂紋且在任何方向上無長度大于3 mm的其他缺陷，試驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4)宏觀金相及微觀金相。焊縫宏觀斷面檢查發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透，無裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，試樣檢測合格。

5)晶間腐蝕試驗。按LR船級社規(guī)范要求試驗，彎曲試樣內(nèi)外表面無裂紋缺陷，試驗合格。

6)鐵素體含量測定。從金相圖知，焊縫根部：鐵素體含量1%；熱影響區(qū)：未發(fā)現(xiàn)明顯鐵素體含量；熔合線：極少量鐵素體，沒有發(fā)現(xiàn)晶間析出相的現(xiàn)象。以上試驗數(shù)據(jù)滿足技術(shù)條件要求，可以保證力學(xué)性能和耐蝕性能。見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖4 焊縫根部金相200x

圖5 焊縫熔合線金相200x

圖6 熱影響區(qū)金相200x

圖7 熔合線區(qū)域金相 500x

圖8 熱影響區(qū)金相500x

7)抗點腐蝕試驗。進行ASTM G48 C類腐蝕試驗，試驗合格,試驗結(jié)果及評定見表5所示。

表5 抗點腐蝕試驗結(jié)果及評定

抗點腐蝕結(jié)果表明，焊接接頭具有良好的耐氯離子局部腐蝕性能。晶間腐蝕試驗結(jié)果表明，焊接接頭具有良好的抗晶間腐蝕性能。

綜上所述，制定的焊接工藝試驗滿足工藝要求，焊接參數(shù)合適，試驗結(jié)果滿足LR及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，焊接接頭性能符合設(shè)計圖紙要求。

5 實船應(yīng)用

254SMO超級不銹鋼管系制作消耗了5 t左右管材和75 kg焊材。此次 “斯克萊娜”船脫硫裝置改裝工程中，焊接工藝評定試驗取得了LR船級社認(rèn)可，同時254SMO超級不銹鋼管系的成功焊接，對今后船舶建造、修理及改裝結(jié)構(gòu)制造提供了技術(shù)經(jīng)驗。

6 結(jié)束語

采用鎢極氬弧焊打底、填充及蓋面，配合SMT-625焊絲焊接254SMO超級不銹鋼管系，在合理的焊接工藝條件下，能夠得到高質(zhì)量的焊接接頭，焊接工藝評定試驗的各項性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求，基本掌握了254SMO超級不銹鋼管材的鎢極氬弧焊打底、填充及蓋面的管系焊接技術(shù)，為今后脫硫改裝生產(chǎn)提供了技術(shù)經(jīng)驗。

對于焊接操作者，焊接過程中一些細(xì)小的缺陷也必須消除，防止影響后道工序，必須嚴(yán)格地執(zhí)行焊接工藝才能保證焊縫質(zhì)量。

經(jīng)過對254SMO超級不銹鋼的工藝試驗，編制了合理的焊接工藝，確保焊接工藝評定試樣的力學(xué)性能、抗晶間腐蝕和抗點腐蝕性能。在改裝船脫硫裝置的生產(chǎn)制作過程中，根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果，制定了詳細(xì)的工藝規(guī)程，并在焊接施工過程中嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行，保證了254SMO超級不銹鋼管系的生產(chǎn)進度和焊接質(zhì)量。