S32750雙相不銹鋼焊接工藝試驗(yàn)研究

(中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 江陰 214433)

0 前言

S32750雙相不銹鋼是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的鋼種，相當(dāng)于中國(guó)022Cr25Ni7Mo4N鋼，屬于高鉻高鉬含氮鋼[1]。相比常規(guī)的S31803(2205型)雙相不銹鋼，其耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN超過(guò)40%，具有極高耐局部腐蝕和良好的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，耐腐蝕性能接近于254SMo超級(jí)奧氏體不銹鋼，因此被稱為超級(jí)雙相鋼，它同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好的耐磨性能，因此在石油化工領(lǐng)域和海水處理設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)際海事組織(IMO)要求2020年1月1日起，船舶硫氧化物排放必須小于0.5%。目前減少船舶硫氧化物排放的有效方法之一是在船上安裝廢氣清洗系統(tǒng)進(jìn)行處理，其主體結(jié)構(gòu)脫硫塔設(shè)備涉及到大量的S32750鋼焊接。各大船級(jí)社規(guī)范對(duì)此類鋼焊接接頭鐵素體含量和點(diǎn)腐蝕性能均有明確要求，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)S32750鋼焊接接頭點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)及性能沒(méi)有詳細(xì)技術(shù)參考資料介紹，為此開(kāi)展了全面系統(tǒng)的焊接工藝試驗(yàn)研究工作。

1 S32750雙相不銹鋼焊接性分析

1.1 微觀組織對(duì)材料性能的影響

雙相不銹鋼焊接的最大特點(diǎn)是在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接接頭尤其是熱影響區(qū)的顯微組織會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的相變過(guò)程。雙相不銹鋼焊后的性能是由鐵素體和奧氏體兩相的比例及分布狀態(tài)決定的。雙相不銹鋼中鐵素體含量的多少會(huì)直接影響雙相不銹鋼的性能。當(dāng)鐵素體含量低于25%時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)降低，應(yīng)力腐蝕裂紋傾向增加；當(dāng)鐵素體含量高于70%時(shí)，其氫點(diǎn)蝕現(xiàn)象傾向增加，韌性降低，氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此船級(jí)社規(guī)范對(duì)雙相不銹鋼焊接接頭鐵素體含量均有明確要求(通常30%～70%)。

S32750雙相不銹鋼在600～1 000 ℃熱處理范圍內(nèi)會(huì)形成諸如σ相、χ相、二次奧氏體相、Cr2N相等二次相。圖1為雙相不銹鋼微觀組織，其中F為鐵素體，A為奧氏體，箭頭所指示為σ相。這些二次相中，σ相富含鉻和鉬，χ相的析出消耗了部分鉻和鉬，同時(shí)出現(xiàn)的二次奧氏體相也會(huì)使鉻和鉬這些元素貧化。因此這些二次相的出現(xiàn)不利于雙相不銹鋼的耐腐蝕性能和力學(xué)性能的提高[2-3]。

圖1 S32750雙相不銹鋼微觀組織

1.2 焊接熱輸入及冷卻速度

焊接熱輸入對(duì)雙相不銹鋼焊接接頭鐵素體含量和熱影響區(qū)晶粒度均有直接影響。隨著焊接熱輸入的提高，鐵素體含量會(huì)減少，而熱影響區(qū)晶粒度會(huì)逐漸變得粗大。

焊接過(guò)程中，在其它條件不變的條件下，冷卻速度過(guò)快，其焊縫區(qū)及熱影響區(qū)就會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的鐵素體和氮化物，奧氏體體積分?jǐn)?shù)少，從而降低焊接接頭的耐腐蝕性能和韌性。相反若冷卻速度過(guò)慢，其焊縫區(qū)及熱影響區(qū)可能析出金屬間化合物-脆性相(σ相)，也會(huì)使焊接接頭的耐腐蝕性和韌性降低。

綜合上述分析，如果焊接熱輸入高，冷卻速度又較慢，雙相不銹鋼焊接接頭鐵素體含量會(huì)明顯下降，同時(shí)導(dǎo)致熱影響區(qū)晶粒粗大，增加熱影響區(qū)氮化物析出傾向，可能對(duì)焊接接頭質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

有資料介紹[4]，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的冷卻時(shí)間t12/8不能太短，應(yīng)根據(jù)材料的厚度，選擇合適的冷卻速度，同時(shí)也需要嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的層/道間溫度。厚板焊接時(shí)，焊接熱輸入要大；薄板焊接時(shí)，尤其是板厚小于5 mm時(shí)，焊接熱輸入應(yīng)相應(yīng)減小。

2 S32750雙相不銹鋼焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用管材采用瑞典Outokumpu公司生產(chǎn)的S32750雙相不銹鋼(廠商牌號(hào)Ultra2507)，滿足ASTM A790/A790M-2016《無(wú)縫和焊接鐵素缽/奧氏體不銹鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)縫管固熔處理技術(shù)要求，管外徑89 mm，壁厚5 mm。

試驗(yàn)焊接材料采用韓國(guó)現(xiàn)代焊接材料株式會(huì)社生產(chǎn)的φ2.4 mm SMT-2594 焊絲，符合AWS A5.9/A5.9M-2017《不銹鋼祼焊條和焊棒》標(biāo)準(zhǔn)ER2594焊絲標(biāo)準(zhǔn)要求。母材和焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

表1 S32750雙相不銹鋼和SMT-2594焊絲的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 S32750雙相不銹鋼力學(xué)性能

2.2 焊接方法

除電渣焊外，基本上所有的熔焊方法都可以用來(lái)焊接奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。常用的方法有焊條電弧焊和鎢極氬弧焊，近年來(lái)又發(fā)展出等離子弧焊。藥芯焊絲氣體保護(hù)焊雖然效率高，工藝性能好，但沖擊性能和耐腐蝕性能較差，采用同一型號(hào)但不同品牌的焊絲，最終焊縫性能差異性也較大。埋弧焊可用于雙相不銹鋼厚板的焊接，但稀釋率大，應(yīng)用不多。文中主要開(kāi)展了手工鎢極氬弧焊試驗(yàn)研究。

2.3 保護(hù)氣體的選擇

2.3.1氣體成分

保護(hù)氣體在不銹鋼電弧焊焊接中起著重要作用，對(duì)不同的材料及焊接方法，應(yīng)選擇合適的氣體組合，主要考慮因素如下：

(1)在焊接含氮的不銹鋼，如S32205,S32750和S31254(254SMo)，添加氮是有益的，有助于控制焊縫中的氮含量，除了可以提高抗拉強(qiáng)度外，同時(shí)對(duì)耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能有益。綜合考慮選擇正面保護(hù)氣體為98%Ar+2%N2。

(2)為實(shí)現(xiàn)管道背面氣體置換時(shí)最低的氧含量，使用氮與氫的混合氣體(90%N2+10%H2)作為背面保護(hù)氣體，這種保護(hù)氣體在焊接雙相不銹鋼時(shí)不存在焊縫吸附氫的任何風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2氣體流量及充氣方式

正面保護(hù)氣體流量8～15 L/min,背面保護(hù)氣體流量打底層15 L/min，蓋面層5～8 L/min。為了保證管材內(nèi)側(cè)焊縫質(zhì)量，采用整體充氣的方式對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，將鋼管固定在支架上，兩端堵住，并各預(yù)留φ10 mm的孔，保證氣體從一端進(jìn)入，從另一端的孔流出，開(kāi)始焊接前應(yīng)進(jìn)行通氣2～3 min，以保證取代管內(nèi)原有的空氣。焊完后延時(shí)2～3 min停止充氣保護(hù)。

2.4 焊接工藝試驗(yàn)

焊接工藝試驗(yàn)遵照美國(guó)ABS船級(jí)社《不銹鋼材料與焊接指南》(2019)[5]及ASME BPVC Section IX-2017《焊接和釬接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。文中組織開(kāi)展了兩項(xiàng)管材焊接工藝試驗(yàn)，其中包括管垂直固定焊和管水平固定焊。具體工藝參數(shù)見(jiàn)表3。電流類型采用直流正接(DCEN)，鎢電極型號(hào)為WCe-20，規(guī)格為φ2.4 mm。

表3 焊接工藝參數(shù)

雙相不銹鋼對(duì)接頭表面污染雜質(zhì)很敏感，焊前采用機(jī)械加工方式開(kāi)單面V形坡口。使用不銹鋼砂輪片對(duì)坡口兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨，防止油污、灰塵等有害物質(zhì)的污染[6]。

焊接時(shí)要注意的事項(xiàng)有：

(1)采用多層多道焊接，層間溫度小于100 ℃。

(2)定位焊要規(guī)范，避免在材料表面的弧擊和盲目起弧，避免擦傷鋼板表面，造成應(yīng)力腐蝕麻點(diǎn)。

(3)焊接時(shí)，焊絲及焊槍不作擺動(dòng)，避免焊縫過(guò)熱。

(4)收弧時(shí)應(yīng)將熔池填滿，防止弧坑裂紋。

2.5 試驗(yàn)方法

按照ASTM E407-2007《金屬和合金顯微浸蝕的標(biāo)準(zhǔn)方法》進(jìn)行腐蝕操作，采用ZEISS Axio Observer A1m型金相顯微鏡對(duì)焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材金相組織進(jìn)行觀察分析。鐵素體含量按照ASTM E562-2011《用系統(tǒng)人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法測(cè)定體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢測(cè)。在放大200倍的金相照片上計(jì)數(shù)數(shù)點(diǎn)，計(jì)數(shù)之和即為鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

按照ASTM G48-2011《使用三氯化鐵熔液做不銹鋼及其合金的耐麻點(diǎn)腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法》中A法進(jìn)行三氯化鐵麻點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)前先把試樣浸入60 ℃的20%HNO3+5%HF水溶液中保持5 min，然后浸入設(shè)定溫度的三氯化鐵溶液中保持24 h，計(jì)算腐蝕率(即單位面積重量損耗)，總損失量必須小于4 g/m2。同時(shí)采用20倍放大鏡檢測(cè)試樣表面麻點(diǎn)情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 接頭微觀組織分析

管水平固定焊接頭微觀組織與管材垂直固定焊接頭的微觀組織。以管垂直固定焊為例，圖2為管垂直固定焊接頭微觀組織形貌。S32750雙相不銹鋼中的奧氏體組織是在鐵素體基體上生成的，呈枝晶狀分布，白色是奧氏體，其余部分為基體鐵素體。焊縫區(qū)及熱影響區(qū)金相組織特征存在明顯的方向性，呈帶狀組織分布。焊縫區(qū)組織相對(duì)于熱影響區(qū)組織晶粒明顯細(xì)化，具有不規(guī)則的條狀特征和相交織分布的塊狀特征，形態(tài)差別較大。打底層奧氏體組織較為粗大，且含量相對(duì)較高。

3.2 鐵素體含量測(cè)定

ABS船級(jí)社《不銹鋼材料與焊接指南》中規(guī)定S32750雙相不銹鋼鐵素體含量為30%～70%。經(jīng)過(guò)測(cè)量，S32750雙相不銹鋼管焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的鐵素體含量見(jiàn)表4。打底層焊縫區(qū)鐵素體的最低含量為38%，滿足ABS船級(jí)社《不銹鋼材料與焊接指南》的規(guī)范要求，表明焊接熱輸入和接頭冷卻速度控制在合適的范圍之內(nèi)。

圖2 管垂直固定焊接頭微觀組織

表4 鐵素體含量 %

打底層焊縫區(qū)的鐵素體含量較低，主要原因有：①采用多層多道焊，后續(xù)焊道對(duì)前層焊道有預(yù)熱作用，焊縫金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；②在焊接過(guò)程中，背面保護(hù)氣體中氮被獲取(熔入)，氮分子由于電弧的作用會(huì)變?yōu)榈?，氮原子可以很容易地滲入焊接熔池中。對(duì)不銹鋼焊縫金屬來(lái)說(shuō)，氮是降低鐵素體含量促進(jìn)奧氏體組織形成相當(dāng)有效的元素，直接導(dǎo)致焊縫區(qū)打底層鐵素體含量比蓋面層要低。

3.3 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

表5為S32750雙相不銹鋼管道焊接頭點(diǎn)腐蝕測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接接頭在50 ℃的三氯化鐵溶液中浸泡24 h后，計(jì)算單位面積失重(腐蝕率)CR，具體計(jì)算公式如下：

(1)

經(jīng)實(shí)測(cè)，兩塊試樣單位面積失重最大值0.3 g/m2，滿足<4 g/m2規(guī)范要求，且試樣表面沒(méi)有麻點(diǎn)出現(xiàn)。

表5 點(diǎn)腐蝕測(cè)試結(jié)果

中國(guó)CCS船級(jí)社規(guī)范和DNV GL船級(jí)社規(guī)范中規(guī)定S32750雙相不銹鋼的腐蝕試驗(yàn)溫度均為40 ℃。英國(guó)LR船級(jí)社規(guī)范中規(guī)定按ASTM G48-2011《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點(diǎn)腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法》中C法-鎳基和鉻包復(fù)合金的臨界麻點(diǎn)腐蝕溫度試驗(yàn)方法執(zhí)行，最小臨界腐蝕溫度只要達(dá)到25 ℃即可。通過(guò)咨詢權(quán)威專家，并與其它船級(jí)社規(guī)范對(duì)比分析，認(rèn)為ABS船級(jí)社《不銹鋼材料與焊接指南》對(duì)S32750雙相不銹鋼腐蝕試驗(yàn)要求過(guò)于苛刻。為此建議在涉及此類不銹鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)合同時(shí)，需要特別注意點(diǎn)腐蝕溫度這一關(guān)鍵指標(biāo)，以防標(biāo)準(zhǔn)要求過(guò)高而引起后續(xù)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)S32750雙相不銹鋼的服役環(huán)境要求其焊接接頭必須與母材耐腐蝕性能和力學(xué)性能類似。不同的焊接方法、焊接材料、保護(hù)氣體成分、熱輸入大小、層間溫度高低、冷卻速度快慢等工藝因素都會(huì)影響焊接接頭的組織分布和兩相比例，進(jìn)而影響焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性。

(2)通過(guò)開(kāi)展S32750雙相不銹鋼焊接工藝試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)過(guò)程中制定合理的焊接工藝參數(shù)，得到的焊接接頭雙相微觀組織形態(tài)正常，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的鐵素體含量適當(dāng)，點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求，較好地滿足了公司脫硫項(xiàng)目建造技術(shù)要求。