氬弧焊根部重熔對(duì)雙相不銹鋼接頭的影響

陸傳航，程晉宜，閆清波，熊奇，謝偉

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

2205雙相不銹鋼因其優(yōu)良的耐腐蝕性能，較高的強(qiáng)度和韌性，在海洋工程、LNG等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。

在焊接過程中，雙相不銹鋼焊接接頭組織中的兩相平衡、晶粒大小以及是否有析出相是影響焊接接頭耐腐蝕性能的關(guān)鍵因素。

在焊接施工中，單面焊雙面成形對(duì)于焊工的技能要求較高，特別是打底焊道，極易出現(xiàn)一些內(nèi)部咬邊或其他缺欠。根據(jù)目前海洋工程行業(yè)內(nèi)通用做法，一般出現(xiàn)在根部的缺陷需要切開接頭重新焊接，而通過深入管道內(nèi)部進(jìn)行根部重熔消除缺欠的做法鮮有介紹。因切口重新焊接會(huì)增加施工成本，故為降低返修成本，對(duì)根部重熔焊接的可行性及影響進(jìn)行了研究。

本文選取了規(guī)格為φ219.1mm×12.7mm，材質(zhì)為ASTM A790 S31803雙相不銹鋼作為研究對(duì)象，通過針對(duì)根部重熔區(qū)域整體進(jìn)行硬度測(cè)試、點(diǎn)蝕等試驗(yàn)，研究不填絲重熔的影響。

2 母材及重熔方法

試驗(yàn)?zāi)覆牟捎肁STM A790 S31803標(biāo)準(zhǔn)的雙相不銹鋼管線，其具體化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1、表2。母材抗點(diǎn)蝕指數(shù)（PREN=Cr+3.3Mo+16N）為35.56，鐵素體比例（體積分?jǐn)?shù)）約為55.52%，鐵素體與奧氏體比例適當(dāng)。按照ASTM A923 Method C方法進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試溫度30℃下失重為0.63mdd，具備較高的抗點(diǎn)蝕能力。

雙相不銹鋼對(duì)接焊時(shí)采用超合金化焊接材料，為Sandvik22.8.3L，該焊接材料中Cr、Ni含量較母材高。母材和焊接材料相應(yīng)的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 試驗(yàn)用材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 試驗(yàn)用材料力學(xué)性能

據(jù)調(diào)查，施工中少有采用不添加焊絲僅使用氬弧焊電弧進(jìn)行根部區(qū)域缺陷修復(fù)的研究。另外，此類修復(fù)方法并未在我公司承建的項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)格書中進(jìn)行描述，因此對(duì)修復(fù)區(qū)域組織及抗腐蝕性的影響需進(jìn)行研究。

3 重熔過程及測(cè)試

3.1 重熔過程

焊接管件對(duì)稱分為兩個(gè)區(qū)域，采用相同的焊接參數(shù)焊接完成后，區(qū)域1并未進(jìn)行任何處理，區(qū)域2以熔合邊緣為中心進(jìn)行根部重熔（見圖1）。

圖1 測(cè)試示意

管件對(duì)接焊接參數(shù)見表3，焊接過程管內(nèi)背面保護(hù)氣體為純氬氣（99.99%），焊槍內(nèi)保護(hù)氣體為Ar+2%N2，保護(hù)氣體流量為20L/min，坡口角度為75°。根據(jù)測(cè)試研究[1]，熱輸入在1.3kJ/mm以下時(shí)，所得到的組織耐蝕性較好，因此在焊接過程中熱輸入控制在0.7～1.2kJ/mm。由于根部間隙影響根部區(qū)域鐵素體與奧氏體比例，因此根部間隙控制在2～4mm，這也符合制造廠家的推薦。

表3 管件對(duì)接焊接參數(shù)

重熔焊接方法采用氬弧焊，焊接過程不添加焊絲，使用氬弧焊電弧熔化根部余高區(qū)域，消除打底過程產(chǎn)生的根部反面不連續(xù)缺欠。氬弧焊的保護(hù)氣為Ar+2%N2，氮?dú)獾奶砑佑兄谔岣呖裹c(diǎn)蝕性能。根部重熔區(qū)域焊接電流采取正常對(duì)接的根焊參數(shù)，其焊接電流選擇100A左右，主要基于提高耐蝕性的考慮[2]。

3.2 宏觀及硬度測(cè)試

焊接完成后，試樣完成機(jī)加工并進(jìn)行宏觀及硬度測(cè)試，檢測(cè)重熔是否對(duì)硬度產(chǎn)生較大影響。

在外觀檢查中可以發(fā)現(xiàn)，在未處理區(qū)域存在一些不超標(biāo)的輕微咬邊缺欠，經(jīng)過重熔后，此類缺欠全部消失（見圖2）。對(duì)接頭加工橫截面試樣，電解腐蝕后進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，測(cè)試位置為根部?jī)?nèi)表面1mm處。測(cè)試結(jié)果見表4，經(jīng)過重熔后焊縫及熱影響區(qū)的硬度明顯下降，根部重熔的效果類似于回火焊道，對(duì)于降低根部區(qū)域硬度有積極作用。

圖2 試件外觀

表4 維氏硬度測(cè)試結(jié)果 （HV10）

3.3 鐵素體含量測(cè)試

按照ASTM E562檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)根部區(qū)域及熱影響區(qū)進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)測(cè)試位置檢測(cè)16個(gè)視場(chǎng)的微觀組織，典型相比例如圖3～圖6所示，檢測(cè)比例平均數(shù)值見表5。

表5 鐵素體比例

圖3 未處理根部焊縫

圖4 重熔根部焊縫

圖5 未處理根部熱影響區(qū)

圖6 重熔根部熱影響區(qū)

通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，重熔區(qū)域根部焊縫以及根部熱影響區(qū)鐵素體數(shù)量出現(xiàn)明顯下降。重熔將對(duì)根部焊道及熱影響區(qū)的鐵素體相與奧氏體相比例帶來改變。重熔效果類似于多層多道焊時(shí)，后一層對(duì)前一層的熱處理作用，較容易形成奧氏體占優(yōu)的組織。

在兩相組織平衡時(shí)，雙相不銹鋼的接頭強(qiáng)度及耐蝕性最佳，根部焊縫區(qū)域鐵素體的大量減少對(duì)于耐蝕性的影響需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.4 有害金屬間相

對(duì)于雙相不銹鋼焊接，除了控制相比例外，最重要的就是避免σ相等有害金屬間相的產(chǎn)生，金屬間相的存在會(huì)導(dǎo)致局部貧鉻現(xiàn)象。試樣按照ASTM A923標(biāo)準(zhǔn)方法A進(jìn)行了有害金屬間相的檢測(cè)，將試樣處理后放大500倍觀察微觀組織。測(cè)試結(jié)果顯示：在重熔區(qū)域的根部焊道以及熱影響區(qū)內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)σ相及其他有害相（見圖7、圖8）。根據(jù)分析，單道根部區(qū)域未填絲熔覆焊接，熱量輸入較小，焊縫冷卻速度較快，并不利于σ相的產(chǎn)生。

圖7 重熔根部焊縫（500×）

圖8 重熔根部熱影響區(qū)（500×）

3.5 點(diǎn)蝕測(cè)試

按照設(shè)計(jì)規(guī)格書要求，焊接接頭必須進(jìn)行點(diǎn)蝕測(cè)試，且點(diǎn)蝕試樣必須完整反映接頭形貌。因此，按照ASTM G48方法A進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試溫度為22℃，測(cè)試時(shí)間為24h，試樣接頭并未去除表面或根部區(qū)域余高。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表6，失重率＜4.0g/m3，試樣放大20倍后無明顯點(diǎn)蝕坑，則判定為合格。

表6 點(diǎn)蝕測(cè)試結(jié)果

圖9為失重6.5g/m3的試樣，通過對(duì)試樣清洗放大觀察可以發(fā)現(xiàn)，通過氬弧焊重熔的焊縫熱影響區(qū)界面內(nèi)存在明顯的點(diǎn)蝕坑。通過測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過氬弧焊重熔后接頭抗點(diǎn)蝕能力出現(xiàn)明顯下降，部分測(cè)試試樣結(jié)果超標(biāo)，說明重熔后受影響區(qū)域兩相組織失衡后對(duì)于接頭根部區(qū)域的抗腐蝕性造成不利影響。

圖9 重熔接頭根部區(qū)域2點(diǎn)蝕試樣

通過氬弧焊不填絲重熔的區(qū)域類似于對(duì)接接頭中的不完全混合區(qū)，未能通過超合金化改變化學(xué)成分組成，卻經(jīng)歷了熔化與凝固，是較容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕的部位。這也與以往的研究中可以明顯觀察到點(diǎn)蝕坑的現(xiàn)象一致[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過一系列的試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

1）氬弧焊重熔后，根部區(qū)域的硬度得到了改善，有害金屬間相并未檢出。

2）未添加焊絲的重熔區(qū)域?qū)儆诓煌耆旌蠀^(qū)，易形成奧氏體占優(yōu)的組織，導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)兩相組織失衡，組織中鐵素體數(shù)量下降，由此導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)抗點(diǎn)蝕能力下降。

3）在工程施工中，不推薦此種不添加焊絲僅使用氬弧焊電弧方法修復(fù)焊縫根部缺陷。