雙相不銹鋼S31803焊接接頭工藝性能研究

王文(中石化第五建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510640)

0 引言

超級(jí)雙相不銹鋼S31803擁有奧氏體和鐵素體雙相組織，綜合了鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼的特性，具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，在石油化工設(shè)備、海水與廢水處理設(shè)備、輸油輸氣管線、造紙機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于雙相不銹鋼可應(yīng)用于惡劣腐蝕環(huán)境中，所以研究高效率、高質(zhì)量的焊接工藝具有廣泛的實(shí)踐意義。S31803雙相不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能是靠合適比例的奧氏體和鐵素體兩相組織來保證的，而該雙相不銹鋼的合金元素含量比較高，容易產(chǎn)生焊接接頭韌性差、晶間腐蝕等缺陷，因此，在采用合適的焊接方法和填充金屬條件下，選擇合理的焊接工藝參數(shù)顯得尤為重要[1]。在沙特高密度聚乙烯項(xiàng)目上，對(duì)于介質(zhì)為氮?dú)獾墓に嚬艿?，部分設(shè)計(jì)中采用材質(zhì)為ASTM SA790，等級(jí)為S31803雙相不銹鋼，而之前公司所擁有的焊接工藝指導(dǎo)書(WPS-Welding Procedure Specif ication)不能覆蓋此類材質(zhì)，根據(jù)以后的施工要求，需要對(duì)這類材質(zhì)做一次新的焊接工藝評(píng)定(PQR)，并根據(jù)焊接工藝評(píng)定(PQR)擬定合適的焊接工藝指導(dǎo)書(WPS)。為保證在擬定的焊接工藝指導(dǎo)書(WPS)下，能夠獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量，需要根據(jù)此類材質(zhì)的特性，研究此種鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的焊接性，以便在施焊過程中采取適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)及措施。

1 材料的焊接性

本次試驗(yàn)對(duì)直徑為80 mm厚度為5.49 mm(Φ3″-40S)的S31803雙相不銹鋼管進(jìn)行對(duì)接焊接，為保證焊縫的耐腐蝕性能，選用與母材相當(dāng)?shù)奶畛洳牧想p相不銹鋼ER2209焊絲，規(guī)格為φ2.4 mm，焊接方法采用鎢極氬弧焊(GTAW)，S31803的ASTM SA790是一種鐵素體/奧氏體雙相不銹鋼，產(chǎn)品的形狀一般都是無縫公稱管。此類材料結(jié)合了鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的特性，其化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1、表2所示。Cr元素能促使鐵素體形成，提高抗氧化及腐蝕性能，而Ni元素能促使形成奧氏體，提高高溫強(qiáng)度和塑性。但由于含鉻、碳量較高，有在焊縫熱影響區(qū)中晶界上形成碳化鉻的傾向，這就使焊縫區(qū)對(duì)晶間腐蝕敏感[2]。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示，母材力學(xué)性能如表2所示。

表1 母材及焊絲的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 母材力學(xué)性能

2 焊接工藝措施

通過以上對(duì)母材焊接性的分析，我們了解到母材是一種鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，此種不銹鋼的合金元素成分較高，對(duì)晶間腐蝕敏感。除了采用合適的焊接方法和填充金屬外，還必須采取合適的焊接工藝措施，才能保證取得優(yōu)良的焊接質(zhì)量。

2.1 電源極性的選擇

在焊接此種不銹鋼時(shí)，我們采用直流正接法(工件接電源正極)，因?yàn)椴捎弥绷髡佑腥缦聝?yōu)點(diǎn)：(1)工件為陽極，接收電子爆轟釋放的全部動(dòng)能和逸出功。電弧集中，陽極受熱面積小，焊縫窄而深。(2)鎢極具有很強(qiáng)的電子發(fā)射能力，因此連接時(shí)電弧非常穩(wěn)定。(3)同時(shí)，鎢電極發(fā)射電子，具有很強(qiáng)的冷卻效果，因此鎢電極不易過熱。這種方法所允許的電流比反向連接法大得多[3]。

2.2 焊接參數(shù)

由于氬弧焊時(shí)對(duì)材料的表面質(zhì)量要求很高，焊接前必須嚴(yán)格清洗，以消除填充焊絲表面和工件坡口及坡口兩側(cè)至少25 mm范圍內(nèi)的油污、水分、灰塵、氧化膜等。否則，在焊接工程中會(huì)影響電弧穩(wěn)定性，惡化焊縫成形，產(chǎn)生氣孔、夾雜物、未熔合等缺陷。所采用的焊接參數(shù)如表3所示，且焊接時(shí)內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)。

表3 焊接工藝參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)焊接

與其他焊接方法相比，鎢極氬弧焊(GTAW)熱效率高，熱流密度大，多層多道焊中熱循環(huán)快，隨冷卻速度增加，組織固溶合金元素含量也隨之增加，碳原子的擴(kuò)散能力受阻礙，抑制了鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，合適比例的δ+γ相保證焊接接頭良好的韌性、強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能，因此，在合理控制焊接工藝參數(shù)外，要嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的焊接注意事項(xiàng)，才能保證管道現(xiàn)場(chǎng)的焊接質(zhì)量[4]。

(1)試驗(yàn)件是公稱直徑為80 mm厚度為5.49 mm(Φ3″-40S)的S31803雙相不銹鋼管，焊接接頭形式采用對(duì)接形式。直徑為80 mm的管道焊接只能單面焊接，要保證焊接接頭全熔透必須開坡口，眾所周知，焊縫坡口尺寸直接影響焊縫組織形態(tài)和力學(xué)性能，S31803雙相不銹鋼焊縫中奧氏體和鐵素體的比例與填充材料的量有直接關(guān)系，為保證焊接接頭的制造質(zhì)量，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用的坡口形式參照?qǐng)D1所示。

圖1 S31803雙相不銹鋼坡口形狀及尺寸

(2) S31803雙相不銹鋼管道的清理工具必須由不銹鋼制成，打磨采用專用砂輪片，與合金鋼和碳鋼等材料充分隔離，防止?jié)B碳，影響組織形態(tài)，造成點(diǎn)蝕。

(3)熱源和填充焊絲可以分開控制，熱量輸入易于調(diào)節(jié)，因此這種焊接方法可以全位置焊接，是實(shí)現(xiàn)單面焊和雙面焊成形的理想方法。熱輸入過大，將導(dǎo)致接頭過熱，焊接接頭產(chǎn)生應(yīng)力和變形較大，熱裂紋和耐腐蝕性下降，晶粒粗化等問題。熱輸入過小，奧氏體和鐵素體比例難以保證導(dǎo)致接頭性能不良，本次試驗(yàn)對(duì)直徑為80 mm厚度為5.49 mm的S31803雙相不銹鋼管進(jìn)行對(duì)接焊接，依據(jù)管壁厚度和鎢極氬弧焊(GTAW)特點(diǎn)，焊接參數(shù)設(shè)置如表3[5]。

(4)氬氣具有良好的保護(hù)作用，能有效隔離周圍空氣：它不與金屬發(fā)生反應(yīng)，也不溶于金屬本身，使焊接過程中熔池的冶金反應(yīng)簡(jiǎn)單且易于控制。為獲得高質(zhì)量的焊縫提供了良好的條件，氬氣不斷從焊槍噴嘴噴出，并在電弧周圍形成氣體保護(hù)層，將空氣隔離，防止其對(duì)鎢極、溶液池及鄰近熱影響區(qū)的有害影響，從而獲得高質(zhì)量的焊縫。打底焊時(shí)，氬氣流量控制到15 L/min方可進(jìn)行焊接，蓋面焊時(shí)，為有效防止收口處內(nèi)凹影響焊縫外觀及性能，應(yīng)調(diào)節(jié)氬氣流量降至5 L/min。

(4)焊層間溫度的控制可有效防止焊接接頭組織和性能惡化，要保證層間最高溫度小于150 ℃，測(cè)試點(diǎn)設(shè)置位置要合理，距離坡口40 mm左右，S31803雙相不銹鋼管道焊接前不預(yù)熱，焊后不保溫。

(5)鑒于雙相不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)大，定位焊縫長(zhǎng)度要嚴(yán)格控制[6]。

(6)焊接前在焊口附近全部通入氬氣，確保坡口正反面得到氬氣的有效保護(hù)，施焊中保護(hù)氣體氬氣要全部覆蓋焊絲ER2209的加熱端，斷弧后要保證焊接熔池冷卻后方可停止供氣。

(7)不允許在焊件表面進(jìn)行引弧，以免造成焊件表面劃痕和電弧擦傷，引弧須在V型坡口內(nèi)進(jìn)行。

依照以上焊接工藝進(jìn)行焊接，并在業(yè)主檢查員的見證監(jiān)督下由第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行拉伸彎曲性能測(cè)驗(yàn)，焊接接頭的性能完全符合設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。根據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果制定的焊接工藝指導(dǎo)書(WPS)也得到了高密度聚乙烯(HDPE)項(xiàng)目業(yè)主的批準(zhǔn)，并在海外多個(gè)化工建設(shè)項(xiàng)目成功應(yīng)用[7]。

4 結(jié)語

(1)S31803是一種鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，本試驗(yàn)制定的焊接參數(shù)能保證接頭具有良好的力學(xué)性能，完全滿足工藝管道焊接的工作要求。

(2)通過制定合理的焊接工藝，保證了產(chǎn)品符合項(xiàng)目業(yè)主標(biāo)準(zhǔn)的要求。