雙相不銹鋼SAFUREX 的焊接性工藝分析

高 柳

中國(guó)化學(xué)工程第七建設(shè)有限公司 四川成都 610100

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種新材料不斷更新，雙相不銹鋼（DSS）也得到快速發(fā)展。雙相不銹鋼是指不銹鋼中既有奧氏體（A）組織又有鐵素體（F）組織，兼具奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)。與鐵素體不銹鋼相比，其韌性高，脆性轉(zhuǎn)變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能顯著增強(qiáng)；與奧氏體不銹鋼相比，其強(qiáng)度更高，特別是屈服強(qiáng)度顯著提高，且耐晶間腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕和耐腐蝕疲勞性能都有大幅提高。

在巴基斯坦FATIMA 化肥有限公司1500MTPD尿素裝置中，首次焊接由SANDVIK 公司提供的雙相不銹鋼SAFUREX，該雙相不銹鋼的牌號(hào)為S32906，主要規(guī)格為26.67×3.91～273.05×15.09。施工前，為了保證SAFUREX 雙相不銹鋼的焊接質(zhì)量，除了充分了解其性能特點(diǎn)外，還進(jìn)行了大量的焊接試驗(yàn)和持證焊工的培訓(xùn)工作。通過(guò)試驗(yàn)和培訓(xùn)，了解和掌握了SAFUREX 不銹鋼的焊接特點(diǎn)。

1 焊接性分析

1.1 簡(jiǎn)介

由SANDVIK 公司提供的SAFUREX（S32906）雙相不銹鋼屬第四代雙相不銹鋼，它是一種含氮的超低碳不銹鋼，與第二代雙相不銹鋼（SA2205）和第三代雙相不銹鋼（SAF2507）相比，進(jìn)一步降低了C 的含量，提高了Cr 的含量，同時(shí)加入了更多奧氏體形成元素N，進(jìn)而促進(jìn)了雙相不銹鋼焊接接頭中單相鐵素體在冷卻過(guò)程中形成更多的奧氏體，使焊接接頭的鐵素體組織與奧氏體組織的比例趨于平衡。這樣既改善了雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)的塑性和韌性，又保證了其抗應(yīng)力腐蝕能力、點(diǎn)蝕能力，同時(shí)具有更高的強(qiáng)度和硬度。在相同的工作條件下，大大減少了設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸和管道的壁厚，從而節(jié)約大量材料，降低制造成本，也更適宜應(yīng)用在對(duì)硬度要求高的工藝系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)。

SAFUREX 雙相不銹鋼中鐵素體組織的含量一般在45%～50%之間，其余組織為奧氏體。其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1。

1.2 焊接裂紋

SAFUREX 雙相不銹鋼兼具了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼各自的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了各自的不足，同時(shí)鋼中C、S、P 等雜質(zhì)元素較低，因而其焊接熱裂紋和冷裂紋的敏感性更小。

1.3 焊接接頭的性能

雙相不銹鋼焊接時(shí)的主要問(wèn)題不在焊縫，而在熱影響區(qū)。因?yàn)樵诤附訜嵫h(huán)作用下，熱影響區(qū)處于快冷非平衡狀態(tài)，冷卻后總是保留更多的鐵素體，從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋的敏感性。相對(duì)于其他鋼種，雙相不銹鋼的接頭性能主要由兩個(gè)相（A 和F）的比例關(guān)系來(lái)控制。要滿足焊接接頭基本上與母材等性能，必須要求奧氏體組織與鐵素體組織的比例接近為1:1，否則焊接接頭的力學(xué)性能、耐腐蝕性能都會(huì)受到很大的影響。而合金元素的含量、焊接熱循環(huán)等都與奧氏體組織和鐵素體組織的平衡關(guān)系密切相關(guān)。因此，如何保證雙相組織比例關(guān)系的平衡是雙相不銹鋼焊接的關(guān)鍵。

從Fe-Cr-Ni 三元相圖來(lái)看，雙相不銹鋼在高溫下是100%的鐵素體，連續(xù)冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生鐵素體組織向奧氏體組織轉(zhuǎn)化的相變。在平衡條件下或非快速冷卻條件下，部分鐵素體會(huì)保留到室溫，獲得了室溫奧氏體加鐵素體的雙相組織。但是焊接過(guò)程是一個(gè)快速加熱、快速冷卻的熱循環(huán)過(guò)程，在焊接熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)會(huì)發(fā)生奧氏體向鐵素體的相變，導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)的奧氏體含量大大降低，而鐵素體含量迅速增加。在焊后冷卻過(guò)程中，如果冷卻速度過(guò)快，則鐵素體組織向奧氏體組織的相變會(huì)被抑制，也會(huì)導(dǎo)致鐵素體含量大大增加，室溫狀態(tài)下，鐵素體含量最大可以達(dá)到70%；如果焊后冷卻速度不是太快，使鐵素體組織向奧氏體組織的相變有足夠的時(shí)間充分完成，室溫下雙相不銹鋼焊接接頭的兩相比例就會(huì)達(dá)到一個(gè)比較理想的水平。但是，冷卻速度也不能太慢，因?yàn)槿绻^(guò)慢，會(huì)造成鐵素體組織晶粒粗大并可能產(chǎn)生σ 相析出現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接接頭韌性降低。所以，保證雙相不銹鋼焊接接頭良好的性能最重要的措施就是控制焊接接頭的冷卻速度。

2 雙相不銹鋼SAFUREX的焊接

2.1 焊接方法

為了保證焊接質(zhì)量，控制焊接接頭熱影響區(qū)的組織和性能，同時(shí)根據(jù)SANDVIK 公司提供的相關(guān)技術(shù)資料要求，決定對(duì)直徑小于2″的管道，均采用全氬弧焊（GTAW）進(jìn)行焊接。直徑大于3″的管道，其焊接包括兩個(gè)部分：從根部至管壁厚度6mm 范圍為第一層，采用全氬弧焊；其余部分為第二層，采用電弧焊（SMAW）。

2.2 焊接材料

雙相不銹鋼的焊接目標(biāo)就是使焊縫和熱影響區(qū)的韌性、塑性和耐腐蝕性能與母材相同。但是由于現(xiàn)場(chǎng)焊接的特點(diǎn)，焊縫金屬凝固和冷卻時(shí)間很快。所以，對(duì)于焊后直接使用的雙相不銹鋼SAFUREX (S32906),選用焊接材料的化學(xué)成分與母材成分大致相同（特別是Ni 含量），同時(shí)必須含有相應(yīng)數(shù)量的氮元素，以促進(jìn)焊接接頭熱影響區(qū)在高溫下形成單相鐵素體組織冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變成奧氏體組織。焊接材料的標(biāo)志及儲(chǔ)存要避免同其他焊接材料混淆，焊條必須裝在防潮盒中，在使用前不得打開包裝盒，一旦打開包裝盒，應(yīng)嚴(yán)格按烘干條件（350℃、恒溫2H）進(jìn)行烘烤。選用的焊絲和焊條的化學(xué)成分分別見(jiàn)表2 和表3。

表2 SAFUREX（S32906）Sandvik 29.8.2.L焊絲的化學(xué)成分 %

表3 SAFUREX(S32906) Sandvik 29.8.2.LR焊條的化學(xué)成分 %

2.3 保護(hù)氣體的選擇

焊接試驗(yàn)表明，雙相不銹鋼SAFUREX(S32906)在焊接過(guò)程中如果采用單一的氬氣進(jìn)行保護(hù)，焊接過(guò)程中焊縫金屬中氮元素會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，抑制了鐵素體組織冷卻時(shí)向奧氏體組織的轉(zhuǎn)變，容易造成焊縫金屬中的鐵素體組織含量超標(biāo)。所以，為了控制焊縫金屬中鐵素體含量，焊接過(guò)程中，保護(hù)氣體采用98%Ar＋2%N2進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)保護(hù)氣體的富氮化，來(lái)防止焊縫金屬中氮元素向外發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，從而確保高溫狀態(tài)下焊縫金屬中的單相鐵素體組織在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變成奧氏體組織的相變能夠按照需要的數(shù)量完成。大量焊接試驗(yàn)表明，在保護(hù)氣體氬氣中添加2%的氮?dú)猓耆梢苑乐购缚p金屬中氮元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 坡口形式

選擇焊接坡口形式時(shí)，應(yīng)考慮盡量減少焊接層數(shù)和金屬填充量，以便于控制焊接接頭的組織和性能。同時(shí)，為了防止母材金屬的氧化和其他污染，保證焊縫坡口的質(zhì)量，采用機(jī)械加工和砂輪打磨的方法進(jìn)行坡口的制備，焊接坡口形式及尺寸如圖1 所示。

圖1 焊接坡口型式及尺寸示意圖

2.5 焊前、焊后的清理

為了保證焊接質(zhì)量，焊接前，坡口準(zhǔn)備應(yīng)采用機(jī)械和砂輪打磨，不允許有等離子弧焊、氣割及電弧氣刨。焊接前在管道邊緣焊接區(qū)域以及坡口邊緣100mm 范圍內(nèi)，使用丙酮和類似的清洗劑倒角槽和填充焊絲；只有在焊縫層間清理和打磨過(guò)程中，才能使用碳化硅或碳化鋁類砂輪片；母材打磨應(yīng)平整，不得出現(xiàn)藍(lán)色染色。同時(shí)，焊工在操作過(guò)程中為避免雜質(zhì)，應(yīng)保持焊接手套和衣服整潔。

焊接完成后，立即清除氧化層，以防止雙相不銹鋼耐腐蝕性能的下降。使用專用的不銹鋼絲刷手動(dòng)或機(jī)械趁熱擦刷焊道表面，也可以采用不含碳污染的砂進(jìn)行焊縫噴砂處理。同時(shí)也可以采取酸洗，但是SAFUREXS 酸洗需要強(qiáng)烈的化學(xué)品或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，酸洗前要使用KMnO4在90～100℃下進(jìn)行2h 的預(yù)處理，在清水中漂洗，隨后使用16%HNO3和4%HF 在40～50℃下酸洗20～60min，最后在清水中漂洗。由于現(xiàn)場(chǎng)焊接條件限制，無(wú)法將整個(gè)工件浸入水中，所以本工程焊接后采用酸洗膏進(jìn)行酸洗鈍化處理。同時(shí)，由于在電弧起始點(diǎn)很容易發(fā)生裂紋等缺陷，要通過(guò)打磨方式清除這類缺陷?，F(xiàn)場(chǎng)的焊接必須嚴(yán)格根據(jù)合格的焊接工藝評(píng)定（PQR）進(jìn)行，允許10%焊接參數(shù)誤差。

2.6 焊接參數(shù)

雙相不銹鋼焊接接頭熱影響區(qū)的性能特點(diǎn)分析表明，雙相不銹鋼在焊接過(guò)程中，控制焊接接頭組織和力學(xué)性能最重要的措施就是控制焊接接頭的冷卻速度。其中最主要的手段就是控制焊接過(guò)程中的熱輸入。焊接過(guò)程中熱輸入越大，焊接接頭的冷卻速度越慢；焊接過(guò)程中熱輸入越小，焊接接頭的冷卻速度越快。同時(shí)，為了防止焊后冷卻速度過(guò)快，焊接完成后采用保溫棉包扎焊口降低冷卻速度。合適的焊接冷卻速度，才能保證焊接熱影響區(qū)獲得的鐵素體組織與奧氏體組織的比例將近為1:1，從而滿足雙相不銹鋼的焊接要求。焊接過(guò)程中針對(duì)不同的管徑、壁厚的SAFUREX 雙相不銹鋼，焊接時(shí)將焊接熱輸入控制在8～15kJ/ cm 之間，根層不超過(guò)20kJ/ cm。

2.7 焊接過(guò)程中的注意事項(xiàng)

（1）使用工卡具時(shí)，應(yīng)將焊接設(shè)備的接地電纜牢固地固定于焊接邊緣的管道上，不得電弧放電。

（2）對(duì)于氬弧焊，應(yīng)使用98%的氬氣和2%的氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)；對(duì)于背面保護(hù)，可以使用98%的氬氣和2%的氮?dú)?，也可以使?00%氮?dú)?，以防止鐵素體含量超標(biāo)。

（3）在氬弧焊焊接中，保持管道內(nèi)部的通氣，直至前3 層（厚度不小于6mm）完成。通常情況下，焊接應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。若必須暫停焊接，對(duì)于多層焊接，在暫停前至少要完成3 層（厚度不小于6mm）以上的焊接。

（4）焊接時(shí)焊槍不擺動(dòng)，焊接速度適當(dāng)加快；焊接過(guò)程中盡量采用多層多道焊接，層間溫度小于100℃，并嚴(yán)格控制焊接線能量。

（5）采用小直徑焊絲進(jìn)行焊接，焊接電流、電弧電壓適當(dāng)降低。

（6）氬弧焊采用直流正接，包括高頻引弧，并采用大直徑噴嘴，加大保護(hù)氣體流量，提高氣體保護(hù)效果，且只能使用含有合金元素（釷、銫）的鎢極；電弧焊采用直流反接。

（7）蓋面焊縫必須一次焊接完成，確保焊縫組織均勻。

（8）表面臨時(shí)支撐及卡具拆除后，必須通過(guò)打磨消除表面痕跡使其平整，并采用滲透檢測(cè)（PT）進(jìn)行表面探傷。

（9）所有焊接工作必須由培訓(xùn)合格的焊工操作。

3 雙相不銹鋼SAFUREX 的焊接工藝評(píng)定

通過(guò)大量的焊接試驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)資料，對(duì)SAFUREX（S32906）雙相不銹鋼的性能特點(diǎn)和焊接特點(diǎn)有了一個(gè)比較清楚的了解。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了SAFUREX 雙相不銹鋼的焊接工藝評(píng)定，最終以合格的焊接工藝評(píng)定（PQR）來(lái)選擇適合的焊接工藝。所有管材及焊材均由SANDVIK 提供。焊接工藝參數(shù)和焊接工藝評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表4 和表5。

表4 焊接工藝評(píng)定主要工藝參數(shù)

表5 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 了解雙相不銹鋼SAFUREX（S32906）的性能和焊接特點(diǎn)，并做好管道焊接前的準(zhǔn)備工作是整個(gè)焊接工作的關(guān)鍵；

(2) 為了獲得滿意成形，并防止氧化，根層采用氬弧焊進(jìn)行焊接時(shí)，管內(nèi)必須按規(guī)定要求進(jìn)行通氣保護(hù)，直到前3 層（焊縫厚度范圍6mm 左右）焊接完成；

(3) 焊接材料必須與母材化學(xué)成分相匹配，才能獲得設(shè)計(jì)要求的焊接接頭；

(4) 合適的層間溫度和正確的降溫速度，是保證焊縫獲得良好機(jī)械性能的關(guān)鍵；

(5) 在FATIMA 化肥有限公司1500MTPD 尿素裝置雙相不銹鋼SAFUREX(S32906)管道焊接工程中，焊接的管道共282 道焊口，焊口100%進(jìn)行X 射線探傷，共透照744 張膠片，合格率為99.5%。