超級(jí)雙相不銹鋼混合氣體保護(hù)焊工藝研究

程顯平，楊建，陳哲，張劍利

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在海洋石油工程（青島）有限公司承建的某大型浮式儲(chǔ)油輪（FPSO）項(xiàng)目中，由于服役工況需要，故在設(shè)計(jì)中使用了大量的超級(jí)雙相不銹鋼。為控制焊接接頭的相比例成分，保證焊接接頭的耐蝕性，根據(jù)項(xiàng)目要求，超級(jí)雙相不銹鋼焊接應(yīng)使用Ar與N2的混合氣體（98%Ar+2%N2），并且除了常規(guī)的力學(xué)性能試驗(yàn)外，還需要進(jìn)行相比例和點(diǎn)蝕試驗(yàn)，相比例和點(diǎn)蝕試驗(yàn)要求相對(duì)較高。

2 材料分析

雙相不銹鋼主要是指鐵素體和奧氏體雙相不銹鋼，本文研究的焊接工藝也是針對(duì)此類雙相不銹鋼。鐵素體和奧氏體雙相不銹鋼是由鐵素體（體積分?jǐn)?shù)占40%～60%）和奧氏體（體積分?jǐn)?shù)占60%～40%）組成的雙相不銹鋼。它兼?zhèn)淞藠W氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和易于焊接的特點(diǎn)[1]。

本文研究的超級(jí)雙相不銹鋼為ASTM A790標(biāo)準(zhǔn)下的UNS 32750系列，也是雙相不銹鋼的一種，主要區(qū)別也在于超級(jí)雙相不銹鋼的Cr、Ni和Mo三種元素含量高于普通雙相不銹鋼，因此其力學(xué)性能和耐蝕性均得到進(jìn)一步提升。

在開(kāi)展焊接工藝研究前，應(yīng)先對(duì)該材料化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行分析，材料廠家測(cè)試的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

表1 超級(jí)雙相不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 超級(jí)雙相不銹鋼力學(xué)性能 （MPa）

3 工藝開(kāi)發(fā)

3.1 焊接性分析

由于雙相組織的存在，超級(jí)雙相不銹鋼具有較好的焊接性，但是超級(jí)雙相不銹鋼在相比例和腐蝕性能方面要求極為嚴(yán)格，因?yàn)楹附訜彷斎?、層間溫度、氣體成分等均會(huì)對(duì)組織和成分形成影響，所以需要對(duì)焊接工藝進(jìn)行特定的控制，以取得合適的雙相組織并控制雜質(zhì)相的生成。

3.2 焊接工藝

根據(jù)超級(jí)雙相不銹鋼的焊接性特點(diǎn)，在焊接工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)控制焊接接頭的成分和組織，主要從焊接方法、焊接材料、溫度和熱輸入幾個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)控制。

（1）焊接方法 通過(guò)對(duì)超級(jí)雙相不銹鋼材料焊接性的分析可得出，超級(jí)雙相不銹鋼的焊接接頭性能極其復(fù)雜，且為了滿足相應(yīng)的性能要求，焊接接頭需要達(dá)到較高的質(zhì)量和綜合性能。綜上分析，應(yīng)選用鎢極氬弧焊焊接方法，因?yàn)殒u極氬弧焊在焊接熱輸入和焊縫質(zhì)量控制方面更容易達(dá)到較高的水平。

（2）焊材的選擇 對(duì)于雙相不銹鋼用的焊材，依據(jù)成分匹配原則，盡可能使焊縫中的主要合金元素（如Cr）與母材接近，同時(shí)提高Ni含量并添加適量的Mo，合理控制焊縫中鐵素體和奧氏體的相比例，確保接頭獲得滿意的力學(xué)性能和耐蝕性。

本項(xiàng)目選用的焊絲為AWS A5.9 ER2594等級(jí)，具體化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表3、表4。選擇焊材的Cr、Ni和Mo含量應(yīng)與母材相近或略高于母材，確保焊接接頭的整體成分不低于母材的含量，從而保證相應(yīng)的力學(xué)性能和耐蝕性。

表3 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊絲力學(xué)性能

（3）工藝參數(shù) 由于超級(jí)雙相不銹鋼材料對(duì)焊接熱輸入極其敏感，所以在焊接參數(shù)使用方面需要嚴(yán)格控制。鎢極氬弧焊的焊接參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 鎢極氬弧焊的焊接參數(shù)

除此之外，對(duì)于打底焊縫和第一道填充焊縫的焊接熱輸入需要單獨(dú)控制，打底焊縫熱輸入≤1.45kJ/mm，其他焊道焊接熱輸入≤1.5kJ/mm。

在控制以上焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)以下焊接工藝措施進(jìn)行控制。

1）焊接開(kāi)始前，應(yīng)對(duì)坡口區(qū)兩側(cè)各25mm進(jìn)行打磨，去除油污、銹跡和氧化物等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)進(jìn)入到焊縫金屬后容易與Ni和Mo元素形成化合物，形成微觀缺陷并降低有益合金元素的含量。

2）雙相不銹鋼和超級(jí)雙相不銹鋼焊接區(qū)域應(yīng)與碳素鋼、銅鎳材料進(jìn)行隔離，避免Fe和Cu元素的污染，同時(shí)應(yīng)使用不銹鋼砂輪片進(jìn)行打磨。

3）超級(jí)雙相不銹鋼層間溫度，最高控制在100℃以內(nèi)。

4）焊接過(guò)程中應(yīng)使用背保護(hù)氣體，基于雙相不銹鋼極易受到氧化的風(fēng)險(xiǎn)，為確保根部焊縫的成分和組織，將氧含量的要求設(shè)定為低于500ppm（1ppm=1×10-6）。

4 工藝性能

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)件需要做外觀檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)和力學(xué)性能試驗(yàn)。

4.1 焊后檢測(cè)

焊后48h進(jìn)行外觀檢測(cè)、滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)，結(jié)果均符合鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范ASME IX的相關(guān)要求。

4.2 理化試驗(yàn)

根據(jù)ASME IX標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目合同要求進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)，包括：縮減斷面拉伸試驗(yàn)、側(cè)彎試驗(yàn)、夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)、宏觀腐蝕試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、相比例試驗(yàn)和點(diǎn)蝕試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，抗拉強(qiáng)度結(jié)果均大于母材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度（800MPa），彎曲后試樣凸面均無(wú)任何缺陷，經(jīng)評(píng)定3個(gè)試件的焊縫力學(xué)性能均為合格。

表6 試件焊接接頭的力學(xué)性能

焊接接頭相比例測(cè)試位置如圖1所示，鐵素體含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7，微觀組織如圖2～圖4所示。

圖1 焊接接頭相比例測(cè)試位置

綜上可知，試驗(yàn)結(jié)果滿足項(xiàng)目中鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)）35%～55%的要求。

表7 焊接接頭鐵素體含量

點(diǎn)蝕試驗(yàn)在40℃下連續(xù)腐蝕48h，試驗(yàn)結(jié)果均＜1g/m2，滿足項(xiàng)目中不超過(guò)4g/m2的要求。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，本次焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)獲得了成功，按照此焊接工藝執(zhí)行可以焊接出滿足各項(xiàng)性能要求的焊接接頭。

圖2 母材微觀組織

圖3 熱影響區(qū)微觀組織

圖4 焊縫金屬微觀組織

5 結(jié)束語(yǔ)

1）使用含有N2的混合氣體焊接超級(jí)雙向不銹鋼，鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)）能有效地控制為35%～55%，且焊接接頭的耐點(diǎn)蝕能力良好。

2）超級(jí)雙相不銹鋼對(duì)熱輸入和層間溫度敏感性較高，控制打底焊縫熱輸入≤1.45kJ/mm，其他道次在焊接熱輸入≤1.5kJ/mm且層間溫度不超過(guò)100℃的情況下，焊接接頭的質(zhì)量、耐腐蝕性能均良好。