不同焊接工藝對S32205鋼管焊接接頭性能的影響

趙承先，陳兆坤，楊永磊，張祖祿，王長文，王玉利

1.中國石油天然氣第七建設(shè)有限公司，山東青島 266300

2.青海油田格爾木煉油廠，青海格爾木 816099

在實(shí)際焊接過程中發(fā)現(xiàn)，對于同樣的焊接工藝，選用不同的保護(hù)氣體對S32205雙相不銹鋼管焊接質(zhì)量（即鐵素體與奧氏體的相比例、耐腐蝕能力）有較大的影響；同樣采用GTAW和SMAW焊接方法焊接，由于受熱不均及溫度變化等工藝因素，會影響雙相鋼焊接接頭中兩相比例，當(dāng)焊接材料選定后，不同焊接方法對雙相鋼焊接接頭性能也會造成較大影響，為此，開展了本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)研究工作。

1 焊接試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及焊接方法

試驗(yàn)用鋼管S32205執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A790M-10，規(guī)格為φ168.3 mm×10.97 mm；焊絲ER2209執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為AWSA5.9，規(guī)格為φ2.4mm；焊條E2209-16執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 983，規(guī)格為φ3.2 mm。上述材料化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

試驗(yàn)設(shè)備采用逆變式直流弧焊電源，采用GTAW和SMAW兩種焊接方法進(jìn)行焊接。

對于焊接保護(hù)氣體，當(dāng)采用鎢極氣體保護(hù)焊時，一組試驗(yàn)采用純氬氣體（體積分?jǐn)?shù)為99.999%Ar）進(jìn)行焊接保護(hù)；另一組試驗(yàn)坡口側(cè)采用體積分?jǐn)?shù)為98% Ar+2% N2混合保護(hù)氣體進(jìn)行焊接保護(hù)，背面采用純度為99.999% Ar（體積分?jǐn)?shù)）的純氬氣體進(jìn)行焊接保護(hù)。

1.2 焊接工藝制定

焊接雙相不銹鋼一般不需要預(yù)熱，但當(dāng)焊件厚度過大或環(huán)境溫度過低時，為防止冷卻過快造成焊縫和熱影響區(qū)鐵素體含量過高，必要時要采取預(yù)熱措施。為嚴(yán)格控制熱輸入亦采用多層多道焊，但要控制好后焊焊道對前層焊道的熱處理作用，有利于焊縫金屬中的鐵素體相和奧氏體相維持在相對平衡的狀態(tài)，焊接熱輸入量一般控制在9～16 kJ/cm范圍內(nèi)。另外，焊接時還必須控制好層間溫度，層間溫度控制在≤150℃的溫度區(qū)間范圍內(nèi)較為適宜[1]。坡口形式見圖1。試驗(yàn)采用純Ar保護(hù)氣的焊接工藝參數(shù)見表2，采用混合保護(hù)氣的焊接工藝參數(shù)見表3，采用焊條電弧焊的焊接工藝參數(shù)見表4。

圖1 坡口形式

表2 采用純Ar保護(hù)氣的GTAW焊接工藝參數(shù)

表3 采用混合保護(hù)氣的GTAW焊接工藝參數(shù)

表4 SMAW焊條電弧焊工藝參數(shù)

2 檢測結(jié)果與討論

（1）有害金屬間相檢測。兩種不同保護(hù)氣體下的GTAW焊接接頭和SMAW焊接接頭的有害金屬間相檢測試驗(yàn)（C法：FeCl3腐蝕法）結(jié)果對比見表5、圖2～圖4。

表5 有害金屬間相檢測結(jié)果

圖2 采用99.99%Ar保護(hù)氣GTAW焊接試樣

圖3 采用98%Ar+2% N2保護(hù)氣GTAW焊接試樣

圖4 SMAW焊接試樣

結(jié)果表明，采用鎢極氣體保護(hù)焊方法焊接時，當(dāng)選用純氬（體積分?jǐn)?shù)99.999%Ar）作為保護(hù)氣體焊接的接頭，焊接過程中由于受熱循環(huán)影響使部分N2元素丟失，接頭的組織和性能發(fā)生變化，限制了鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，焊縫的耐腐蝕性能也隨即降低；而選用體積分?jǐn)?shù)98%Ar+2% N2混合保護(hù)氣體焊接的接頭，添加到混合氣體中的N2元素能在焊縫結(jié)晶過程中維持組織平衡，補(bǔ)充了N2元素在焊接過程中的損失，奧氏體比例提高，而Ni調(diào)整兩相平衡，從而使接頭的力學(xué)和耐腐蝕等性能得到強(qiáng)化和提高，保證了焊縫焊接質(zhì)量要求。

采用焊條電弧焊方法焊接時，選用的焊材成分要跟母材成分相近，特別是Ni和N2的含量必須滿足焊縫組織要求，并且Ni含量略高于母材，這樣經(jīng)過冶金和化學(xué)反應(yīng)，可得到理想的雙相組織結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用焊條電弧焊焊接接頭的耐腐蝕性與采用98%Ar+2% N2混合氣體焊接的接頭耐腐蝕性雖稍有差別，但同樣滿足技術(shù)要求。

（2）力學(xué)性能檢測。選用兩種不同保護(hù)氣體的GTAW焊接接頭和SMAW焊接接頭，依據(jù)NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸、彎曲和低溫沖擊等試驗(yàn)，得到如表6所示的試驗(yàn)結(jié)果[2]。

表6 檢測結(jié)果

結(jié)果表明：雖然各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)都達(dá)到了技術(shù)條件要求，但采用體積分?jǐn)?shù)98%Ar+2%N2保護(hù)氣的GTAW各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于SMAW焊接的試件和采用保護(hù)氣體體積分?jǐn)?shù)為99.999%Ar焊接的試件。

（3）顯微組織檢測。依據(jù)GB/T 13298—2015標(biāo)準(zhǔn)對鎢極氣體保護(hù)焊（采用兩種不同保護(hù)氣體）和焊條電弧焊兩種焊接方法下的焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行顯微組織檢測。檢測結(jié)果表明：采用保護(hù)氣體積分?jǐn)?shù)為99.999%Ar焊接的試件，未能達(dá)標(biāo)；采用體積分?jǐn)?shù)98%Ar+2% N2保護(hù)氣的GTAW和SMAW焊接的試件，焊接接頭符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，見圖5～圖6。

圖5 鎢極氣體保護(hù)焊試樣顯微照片（500×）

圖6 焊條電弧焊試樣顯微照片（500×）

（4） 鐵素體檢測。依據(jù)GB/T 13305—2008標(biāo)準(zhǔn)，對鎢極氣體保護(hù)焊（采用兩種不同保護(hù)氣體）和焊條電弧焊兩種焊接方法下的焊縫、熱影響區(qū)的鐵素體進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果表明：采用保護(hù)氣體體積分?jǐn)?shù)為99.999%Ar的GTAW焊接的焊縫和熱影響區(qū)不達(dá)標(biāo)，而采用保護(hù)氣體體積分?jǐn)?shù)為98%Ar+2% N2的GTAW焊接的焊縫和熱影響區(qū)和SMAW焊接的焊縫和熱影響區(qū)，其鐵素體含量均符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫及熱影響區(qū)鐵素體體積分?jǐn)?shù)如表7所示。佳，氮和鎳還能增加和穩(wěn)定奧氏體相比例[4]。

表7 焊縫及熱影響區(qū)鐵素體體積分?jǐn)?shù)/%

因此當(dāng)采用鎢極氣體保護(hù)焊焊接時，除制定合理的焊接工藝，選擇適中的焊接參數(shù)外，利用在保護(hù)氣體氬氣中合理添加一定比例氮?dú)獾姆椒?，不僅能延緩金屬間相的析出，而且還可以提高焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，這是獲得合理雙相組織的關(guān)鍵。當(dāng)采用焊條電弧焊時，焊接材料的選用也應(yīng)遵循提高鎳和氮元素這一原則，以獲得良好的雙相鋼接頭性能[5]。

從檢測結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，焊縫和熱影響區(qū)中鐵素體相體積分?jǐn)?shù)在40%至60%之間，奧氏體相體積分?jǐn)?shù)在60%至40%之間，說明采用98%Ar+2% N2混合保護(hù)氣的GTAW焊接接頭和采用SMAW焊接方法焊接的焊接接頭均能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求；又通過計算鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量，對照舍弗勒組織圖，判定這種相比例的雙相鋼焊接接頭質(zhì)量最好，且采用98%Ar+2% N2作為保護(hù)氣的GTAW的相比例優(yōu)于SMAW的相比例。

（5）關(guān)于氮、鎳作用的討論。試驗(yàn)表明，鎳和氮都是奧氏體形成元素，氮元素在母材中的作用非常重要，氮元素能保證焊縫金屬和焊后熱影響區(qū)內(nèi)形成足夠量的奧氏體，而且氮形成奧氏體和擴(kuò)大奧氏體元素的能力遠(yuǎn)超鎳，高溫下氮穩(wěn)定奧氏體的能力也比鎳大，能有效阻止焊縫焊后單相鐵素體產(chǎn)生，還能阻止有害金屬相的析出[3]。

如果選用的焊材化學(xué)成分與母材相同，則在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫金屬的鐵素體量急劇增加，甚至出現(xiàn)純鐵素體組織，采用奧氏體占優(yōu)勢的焊縫金屬能有效抑制焊縫中鐵素體含量增加?？赏ㄟ^在焊接材料中提高鎳含量或加氮的方法來獲得理想的雙相鋼組織結(jié)構(gòu)，焊材的選用通常選用鎳含量比母材鎳含量高出2～4個百分點(diǎn)的焊材，在焊接材料中氮元素比鎳元素優(yōu)化焊縫金屬組織性能的效果更

3 結(jié)束語

通過試驗(yàn)的方法，揭示了不同保護(hù)氣體及不同焊接方法對雙相不銹鋼各項(xiàng)性能的影響，明確了焊條電弧焊和采用98%Ar+2%N2混合氣體進(jìn)行保護(hù)的鎢極氣體保護(hù)焊的焊縫質(zhì)量優(yōu)于純氬氣保護(hù)的焊縫，這對實(shí)際生產(chǎn)中S32205雙相不銹鋼的焊接具有普遍的指導(dǎo)意義。