S31254不銹鋼埋弧焊焊接工藝研究

劉玉祥

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海 201323）

S31254 是一種超級奧氏體不銹鋼，與普通的不銹鋼相比，它具有較高的鉬含量，因此S31254 不銹鋼具有極高的耐點蝕和耐縫隙腐蝕的性能。S31254不銹鋼是針對鹵化物和酸環(huán)境開發(fā)的不銹鋼，廣泛用于氯離子介質、海水苛刻工況的環(huán)境。在酸性介質的一些場合中，特別是在鹵化物酸中，其性能遠遠優(yōu)于其他的不銹鋼。

1 S31254不銹鋼化學成分及力學性能

S31254 不銹鋼板材符合ASME II 卷A 篇SA-240 標準要求，其化學成分及力學性能如表1、表2所示。

表1 化學成分要求Table 1 Chemical composition requirements %

表2 力學性能要求Table 2 Mechanical performance requirements

2 S31254不銹鋼性能分析

2.1 焊接性分析

S31254 不銹鋼為單相奧氏體組織，幾乎不含鐵素體組織，對熱裂紋具有一定的敏感性。熱裂紋產生的原因主要有兩個：①S、P 雜質元素與Ni、Fe 形成的低熔點共晶體液態(tài)薄膜；②焊接拉應力的作用。任何熔焊方法的焊接都無法避免焊接應力的存在，因此防止熱裂紋的方法主要是控制原材料的S、P 元素的含量，盡可能地降低原材料的S、P 含量，采用高純度焊材焊接，同時選擇合理的工藝參數(shù)施焊，減小焊接應力。S31254 不銹鋼與普通的304 或316 型不銹鋼相比，Ni 元素的含量較高，Ni 元素固液相區(qū)間窄，焊接過程中液態(tài)金屬會快速凝固，因此焊接坡口應略微大一點，使液態(tài)金屬易鋪開，避免未熔合及氣孔出現(xiàn)。S31254 不銹鋼的Cr、Ni、Mo 含量較高，目前還未有與其匹配化學成分的焊材，通常行業(yè)內采用合金成分高匹配的ERNiCrMo-3 焊材焊 接。

2.2 耐蝕性分析

S31254 不銹鋼的含碳量很低，因加熱或焊接引起碳化物析出的危險性很小，母材中含有較高的Cr、Mo、N 元素，使其具有較高的抗點蝕能力，同時也具有較好的抗縫隙腐蝕的能力。S31254 不銹鋼的化學元素中含有約0.50%～1.0%的Cu 元素，在純硫酸中也有非常好的耐腐蝕性。

3 埋弧焊工藝試驗

S31254 不銹鋼的焊接通常采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊焊接方法，鎢極氬弧焊焊接的效率太低，不具有經濟性，焊條電弧焊焊接成型較差，焊接過程中及焊后對焊道的打磨量較多，且焊接效率也無法與埋弧焊相比，因此S31254 不銹鋼采用SAW 焊接具有重要的意義[1]。

3.1 焊接材料的選用

此次工藝試驗采用美國SMC 的埋弧焊絲焊劑，焊絲為ERNiCrMo-3/φ2.4，焊劑INCOFLUX NT120。

3.2 坡口制備

坡口加工采用銑邊機的機械方法加工試板及引弧板、熄弧板坡口，試驗下料厚度42 mm，具體坡口形式如圖1 所示。

圖1 坡口形式Fig.1 Groove form

3.3 焊前準備

焊接前坡口及其兩側25 mm 的范圍采用丙酮去除油污，焊劑焊前進行100～150℃烘干，采用鎢極氬弧焊對焊接試板及引弧板、熄弧板裝配點焊。

3.4 埋弧焊焊接

試板采用埋弧焊進行焊接，具體焊接參數(shù)如表3所示，焊接過程中控制層間溫度≤100℃，正面焊接結束后，背面采用砂輪打磨清根，并進行PT 檢測，檢測合格后，背面繼續(xù)進行埋弧焊焊接。

表3 焊接規(guī)范參數(shù)Table 3 Welding parameters

3.5 無損檢測

試板焊接后，按照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》[2]進行100% RT II 級檢測和100% PT I級檢測，結果合格。

3.6 焊接過程中出現(xiàn)的問題

在埋弧焊打底第一道及第二道焊時，由于根部坡口空間狹小，埋弧焊焊接時，鐵水難以鋪開，焊接成型不良，脫渣性不是很理想，道間清理需要采用砂輪輔助清理，從第三道焊開始，成型良好，容易脫渣。正面焊接后，背面采用砂輪將第一道打底埋弧焊全部清理掉。鑒于上述出現(xiàn)的問題，建議產品實際生產過程中采用氬弧焊打底，埋弧焊填充、蓋面的工藝方案更為合理[3]。

4 理化試驗

4.1 試驗項目

按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》進行橫向板狀拉伸、側向彎曲試驗，并補充了全焊縫金屬拉伸試驗、宏觀金相、微觀金相、晶間腐蝕、抗點蝕試驗及硬度試驗。

4.2 機械性能試驗結果

機械性能試驗結果表4 ～ 7，試驗結果滿足NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》及材料表中要求。

表4 板狀拉伸試驗Table 4 Plate tensile test

表5 側向彎曲試驗Table 5 Lateral bending test

表6 全焊縫金屬拉伸試驗Table 6 Full weld metal tensile test

4.3 金相試驗

按照GB/T 26955—2011 進行了宏觀及微觀金相試驗，取焊縫截面試樣，打磨拋光后，用王水溶液侵蝕，在顯微鏡鏡下，對宏觀金相試樣10 倍放大鏡觀察，焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，宏觀照片如圖2 所示。在顯微鏡鏡下，對微觀試樣放大200 倍觀察，焊縫、熱影響區(qū)、母材均未見顯微裂紋及其他缺陷，如圖3、圖4、圖5 所示。

圖2 宏觀金相Fig.2 Macroscopic metallography

圖3 焊縫微觀金相Fig.3 Microstructure of weld

圖4 熱影響區(qū)微觀金相Fig.4 Microstructure of heat-affected zone

圖5 母材微觀金相Fig.5 Microscopic metallography of base metal

4.4 腐蝕試驗

晶間腐蝕試驗按照GB/T 4334《金屬和合金的腐蝕-不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的方法E，試樣在沸騰的硫酸銅溶液腐蝕16 h，試樣進行180°彎曲，用10 倍放大鏡觀察，無裂紋。點蝕試驗按照ASTM G48《用氯化鐵溶液測定不銹鋼及有關合金點腐蝕及縫隙的標準方法》中A 法進行試驗，在22℃的三氯化鐵溶液中腐蝕70 h，試樣經稱重計算，腐蝕率為0 g/m2。以上兩種腐蝕試驗證明S31254 埋弧焊焊接接頭滿足晶間腐蝕要求和抗點蝕的能力。

表7 硬度試驗（HV）Table 7 Hardness test (HV)

5 結論

（1）經力學性能試驗結果及腐蝕試驗證明，S31254 不銹鋼埋弧焊焊接工藝能滿足材料的力學性能要求及腐蝕要求。

（2）S31254 埋弧焊焊接試驗的成功提高了S31254 不銹鋼產品的焊接效率，節(jié)約了人工成本，并減少了產品的生產工期。