UNS S31803雙相不銹鋼的TIP TIG焊接工藝

湯世云，劉金剛，衛(wèi)旭敏，王長林，王麗娟

（中海福陸重工有限公司，廣東 珠海 519050）

0 前 言

雙相不銹鋼的組織由鐵素體和奧氏體組成，因此，雙向不銹鋼兼具鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的塑性、韌性、強(qiáng)度和耐腐蝕性，在石油化工、能源工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。雙相不銹鋼傳統(tǒng)的焊接方法為手工鎢極氬弧焊，焊接效率較低。

TIP TIG[4]焊接專利技術(shù)（簡稱TT）是一種獨(dú)特的動(dòng)態(tài)振動(dòng)自動(dòng)送絲熱絲TIG 焊接技術(shù)（dynamic hot wire automation），2000 年誕生于奧地利Wels。TIP TIG 焊優(yōu)于一般的熱絲TIG焊接技術(shù)，從根本上突破了傳統(tǒng)TIG 焊接技術(shù)和工藝的局限，被認(rèn)為是效率最高的氬弧焊焊接技術(shù)之一，焊接質(zhì)量高，在歐美國家已經(jīng)成功應(yīng)用于核電、航空航天、造船、海洋石油、化工等領(lǐng)域。

海洋工程油氣田鉆采組塊平臺(tái)，涉及到工藝管線的焊接，對(duì)焊接設(shè)計(jì)、焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、焊接工藝和焊材的要求較高，以保證整個(gè)海洋工程平臺(tái)組塊的服役安全性能。特殊的輸送介質(zhì)往往需要用到特殊材料——雙相不銹鋼。雙相不銹鋼傳統(tǒng)的焊接方法為GTAW 和SAW，但GTAW 焊接效率較低，SAW 焊接位置受限，僅能焊接厚壁鋼管的平焊位置。本研究將TIP TIG 焊接方法應(yīng)用于東方13-2、陸豐14-4、恩平20-4/18-6、惠州26-6 海洋工程油氣田開采平臺(tái)組塊項(xiàng)目用UNS S31803 雙相不銹鋼焊接，從而對(duì)此種焊接工藝進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑锳STM A790 UNS S31803[5]雙相不銹鋼無縫鋼管，規(guī)格為Φ168 mm×10.97 mm，母材化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 UNS S31803雙相不銹鋼的化學(xué)成分 %

表2 UNS S31803的力學(xué)性能

2 試驗(yàn)方法

2.1 TIP TIG焊接方法介紹

相比于傳統(tǒng)的TIG焊接技術(shù)，TIP TIG焊具備獨(dú)特的送絲機(jī)構(gòu)、焊槍設(shè)計(jì)以及熱絲功能，實(shí)現(xiàn)了氬弧焊的單手操作，并且可以實(shí)現(xiàn)氬弧焊的全位置半自動(dòng)焊接。TIP TIG 焊接系統(tǒng)工作原理及設(shè)備實(shí)物如圖1 所示，由圖1（a）可知，TIP TIG 焊接系統(tǒng)由焊接電源、熱絲電源、送絲機(jī)構(gòu)及焊槍組成[6]。TIP TIG 采用四輥送絲裝置及送絲系統(tǒng)一體化的焊槍，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)送絲，有效解決了手動(dòng)送絲的不足。

圖1 TIP TIG焊接系統(tǒng)工作原理及設(shè)備實(shí)物圖

TIP TIG焊絲高頻振動(dòng)對(duì)熔池產(chǎn)生強(qiáng)烈攪拌，有利于篩除熔池中的氣體和雜質(zhì)，增強(qiáng)結(jié)晶過程中液態(tài)金屬流動(dòng)，從而有效減少焊縫缺陷，提高焊接質(zhì)量。TIP TIG焊采用的保護(hù)氣體為純氬氣，在一定程度上降低了氣體成本，也避免了混合氣體配比對(duì)焊接接頭性能的影響[7]。

TIP TIG 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)送絲，能夠以一定角度按恒定速度進(jìn)行送絲，使進(jìn)入熔池的焊絲長度始終保持一致，從而保證焊接局部冶金過程持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，保證了焊接質(zhì)量；同時(shí)，較小的焊接電流和熱輸入可縮小熱影響區(qū)，使工件發(fā)生較小的熱變形，保證焊縫表面成形良好，提高焊接效率，可控性強(qiáng)，節(jié)省了生產(chǎn)和施工的成本，TIP TIG焊接設(shè)備實(shí)物如圖1（b）所示。

2.2 焊接工藝試驗(yàn)

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)根據(jù) ASME IX《容器和工藝管線焊接和釬焊工藝評(píng)定》[8]進(jìn)行，選用AWSA5.9 ER2209 焊絲，焊材牌號(hào)為Sandvik 22.8.3L，直徑為1.0 mm，焊絲化學(xué)成分見表3。焊接坡口采用單面V形坡口，如圖2所示，坡口角度60°，焊接位置為6點(diǎn)鐘，極性為DCEN直流正接，為保證焊接接頭性能試驗(yàn)取樣，焊接2個(gè)試驗(yàn)件。

表3 AWSA5.9 ER2209焊絲化學(xué)成分 %

圖2 焊接坡口示意圖

采用純度為99.997%的氬氣為保護(hù)氣體，氣體流量為15～25 L/min，焊接前除去母材表面的水分，用丙酮擦拭焊絲，焊接時(shí)背面也需要充氬氣保護(hù)，避免背部焊道氧化，使用測氧儀測氧氣含量，保證背部充氧氣濃度低于0.1%時(shí)開始焊接。每焊完一層，須進(jìn)行層間清理，控制焊接熱輸入在0.7～1.5 kJ/mm，層間溫度低于150 ℃。焊道布置如圖3所示，詳細(xì)焊接工藝參數(shù)見表4。

圖3 焊道布置圖

表4 TIP TIG焊接工藝參數(shù)

在焊接過程中，焊接參數(shù)對(duì)焊接接頭的金相組織有很大影響，從而影響焊接接頭的性能。若焊接過程中的線能量過低，冷卻速度過快，則在焊縫及熱影響區(qū)就會(huì)產(chǎn)生較多鐵素體和氮化物，氮化物主要以Cr2N、CrN相析出，其析出是因?yàn)樵诟邷貢r(shí)，氮在鐵素體中溶解度較高，在快速冷卻時(shí)溶解度又開始下降，尤其在靠近焊縫表面的部位，由于鐵素體含量較高，氮化物更易析出，從而降低了焊接接頭的耐蝕性和韌性；若焊接線能量過高，冷卻速度過慢，則焊縫及熱影響區(qū)可能析出金屬間化合物，該金屬間化合物為金屬間脆化相（如高鉻σ相），同樣會(huì)使焊接接頭的耐蝕性和韌性降低[9-10]。由此可見，在不影響焊接接頭質(zhì)量的前提下，焊接時(shí)應(yīng)盡量選用較小的焊接線能量，使焊接部位可以快速冷卻，保證得到滿足要求的鐵素體和奧氏體組織。

3 結(jié)果分析

3.1 無損檢測

焊接完成后對(duì)焊接接頭進(jìn)行外觀檢測VT 和無損檢測RT、PT，焊縫無焊接缺陷，焊縫VT和NDT 檢測結(jié)果均滿足ASME IX 和ASME B31.3[11]標(biāo)準(zhǔn)的接收準(zhǔn)則要求，滿足東方13-2、陸豐14-4、恩平20-4/18-6、惠州26-6 海洋工程油氣田開采平臺(tái)組塊建造項(xiàng)目規(guī)格書的要求。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)ASME IX 標(biāo)準(zhǔn)[10]、ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)[12]、ASTM E340 標(biāo)準(zhǔn)[13]、ASTM E92 標(biāo)準(zhǔn)[14]的相關(guān)要求對(duì)焊接接頭取樣并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、宏觀形貌和硬度測試。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表6；顯微硬度測量位置如圖4 所示，顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表7。

表5 TIP TIG焊接接頭試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 TIP TIG夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 硬度測量位置示意圖

表7 顯微硬度測試結(jié)果

拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果表明：焊接接頭拉伸試驗(yàn)斷裂位置在母材區(qū)域，焊接接頭的最小抗拉強(qiáng)度高于ASTM A790 UNS S31803 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材最小抗拉強(qiáng)度，拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合ASME IX 標(biāo)準(zhǔn)的接收準(zhǔn)則要求，焊接接頭具有較高的強(qiáng)度。

彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接接頭彎曲試樣在彎軸直徑為4t, 彎曲角度為180°三點(diǎn)彎曲后，彎曲試樣表面未出現(xiàn)任何裂紋，彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格，且滿足ASME IX標(biāo)準(zhǔn)。

低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明：根據(jù)ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)，沖擊試樣規(guī)格為55 mm×10 mm×75 mm，低溫沖擊溫度在-46 ℃基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)再降低2.8 ℃，焊縫區(qū)、熔合線、熔合線+2 mm、熔合線+5 mm區(qū)域的低溫沖擊功最小值均大于項(xiàng)目要求（27 J）低溫沖擊試驗(yàn)滿足項(xiàng)目規(guī)格書規(guī)定的要求，這表明焊接接頭的韌性較好。

硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的最大硬度值出現(xiàn)在焊縫根部區(qū)，最大硬度為294HV10，低于項(xiàng)目規(guī)格書規(guī)定的334HV10。

焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)表明，UNS S31803雙相不銹鋼TIP TIG 焊獲得的焊接接頭焊接質(zhì)量完好，具有良好的塑性和韌性。

3.3 相比例分析

根據(jù)ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)[15]，對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行相比例（鐵素體含量測試）分析。沿焊縫橫截面截取試樣，經(jīng)打磨拋光處理，用NaOH 溶液（100 mL H2O + 40 g NaOH）電解腐蝕，然后在顯微鏡下觀察，奧氏體呈白色，鐵素體呈灰色或棕黃色。

沿焊縫和熱影響區(qū)縱向上分別取10 處位置進(jìn)行顯微組織觀察，具體位置如圖5所示，典型位置點(diǎn)（焊縫1、焊縫2、HAZ-1 和HAZ-2）的顯微組織如圖6 所示，通過格柵點(diǎn)數(shù)計(jì)算焊縫和熱影響區(qū)中的鐵素體相比例，測試結(jié)果見表8。

圖5 相比例（鐵素體含量測試）檢測位置

圖6 TIP TIG不同位置處的顯微組織

根據(jù)表8 可知，焊縫區(qū)的鐵素體相平均含量為42.5%，熱影響區(qū)鐵素體相平均含量為47%，焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體相含量均在35%～60%，滿足項(xiàng)目規(guī)格書的要求（焊縫金屬和HAZ 的鐵素體含量為35%～60%）。

表8 相比例分析測試結(jié)果

3.4 金屬間化合物檢測

根據(jù)ASTM A923 標(biāo)準(zhǔn)[16]方法A 對(duì)焊接接頭金屬間化合物進(jìn)行檢測，金屬間化合物的具體檢測位置如圖7 所示，金屬間化合物的顯微組織如圖8 所示。

圖7 金屬間化合物的檢測位置

由圖8可知，UNS S31803雙相不銹鋼TIP TIG焊接接頭顯微組織均為奧氏體+鐵素體，無連續(xù)晶界沉淀，未見其他金屬間化合物和析出相產(chǎn)生。金屬間化合物檢測結(jié)果滿足項(xiàng)目規(guī)格書的要求。

圖8 TIP TIG不同位置處的金屬間化合物顯微組織形貌

3.5 點(diǎn)蝕試驗(yàn)

根據(jù)ASTM G48[17]中的要求對(duì)TIP TIG 焊焊接接頭做點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，制取3組腐蝕試樣并分別編號(hào)1#、2#、3#，試樣規(guī)格為50 mm×25 mm×8 mm。腐蝕液為100 g FeCl3·6H2O+900 mL 蒸餾水，試驗(yàn)溫度為（25±2）℃，采用恒溫水浴控制溫度，試驗(yàn)時(shí)間為24 h，點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 TIP TIG點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的腐蝕速率未超過4.0 g/（m2·d），表明焊接接頭的耐腐蝕性能較好。采用體視顯微鏡觀察腐蝕試樣的表面形貌，在20 倍顯微鏡下觀察點(diǎn)蝕表面形貌，如圖9 所示，在腐蝕試樣表面未見點(diǎn)蝕坑，滿足項(xiàng)目規(guī)格書的要求。

圖9 TIP TIG表面點(diǎn)蝕形貌

4 結(jié) 論

（1）采用 TIP TIG焊接工藝對(duì)UNS S31803雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接效率，且焊接接頭具有較高的強(qiáng)度及塑性和韌性，力學(xué)性能滿足項(xiàng)目規(guī)格書和標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）焊縫區(qū)的鐵素體含量平均值為42.5%，HAZ的鐵素體含量的平均值為47%，焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體相含量均在35%～60%。

（3）UNS S31803 雙相不銹鋼TIP TIG 焊接接頭的顯微組織均為奧氏體+鐵素體，無連續(xù)的晶界沉淀，未見其他金屬間化合物和析出相產(chǎn)生。

（4）在20倍顯微鏡下觀察到的點(diǎn)蝕表面形貌未見點(diǎn)蝕坑；點(diǎn)腐蝕速率未超過4.0 g/（m2·d），滿足項(xiàng)目規(guī)格書的要求，焊接接頭耐腐蝕性能較好。