熱輸入對(duì)超級(jí)雙相不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響

劉 劍，?；⒗?，孫 麗，何亞章，王 紅，孫欣妍

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451

3.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井分公司，天津 300480

油氣田集輸管網(wǎng)輸送介質(zhì)多為含Cl?、CO2、S等腐蝕性極強(qiáng)物質(zhì)的液體或氣體，以往常用的碳素鋼難以滿足防腐要求，雙相不銹鋼由于具有良好的耐點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕性能廣泛應(yīng)用于石油天然氣、化工、海洋工程等領(lǐng)域[1?3]。

S31803 雙相不銹鋼是使用最為廣泛的雙相不銹鋼之一，其鐵素體和奧氏體的含量各為50%，兼具了兩相組織的特點(diǎn)：鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度，耐腐蝕性和奧氏體不銹鋼優(yōu)良的韌性與焊接性[4?7]。雙相不銹鋼的以上特點(diǎn)與焊縫中的組織和兩相比例有著直接關(guān)系，其中焊接熱輸入是保證焊接過(guò)程中焊接接頭和熱影響區(qū)的兩相比例的關(guān)鍵因素[8?10]。焊接時(shí)若使用過(guò)小的熱輸入，熱影響區(qū)的快速冷卻將導(dǎo)致奧氏體來(lái)不及析出，鐵素體含量過(guò)高，沖擊韌性下降；若使用過(guò)大的熱輸入，則會(huì)使冷卻速度太慢，延長(zhǎng)焊縫高溫停留時(shí)間，雖然能夠得到足夠的奧氏體，但會(huì)導(dǎo)致鐵素體晶粒長(zhǎng)大以及σ 相等脆性相的析出，造成焊接接頭脆化[11]。因此，要獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫金屬必須嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的熱輸入量。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用ASTM A928 S31803 雙相不銹鋼管，尺寸規(guī)格為D323.9 mm × 25.4 mm，焊接方法為GTAW+SMAW，焊材材料分別為?2.0 mm 的ER316L 氬弧焊絲和?3.2 mm 的ER316L?16 焊條。母材和焊材成分見(jiàn)表1。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分

1.2 焊接工藝

管道接頭加工成如圖1 所示的單面V 形坡口形式，角度為60°～65°，鈍邊c為0.5～2.0 mm，根部間隙b為1.0～3.0 mm。為研究熱輸入對(duì)接頭組織性能影響，采用如表2 所示的4 組不同熱輸入的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接。其中，根焊和熱焊均為GTAW，保護(hù)氣為98%氬氣+2%氮?dú)?，焊接過(guò)程中背面保持充氬狀態(tài)，防止被氧化。填充蓋面采用多層多道焊，促進(jìn)奧氏體進(jìn)一步析出，實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒的目的。

圖1 坡口設(shè)計(jì)示意

表2 焊接熱輸入單位：kJ/mm

1.3 焊接接頭組織與性能試驗(yàn)

試件焊接完成后，進(jìn)行了焊接接頭無(wú)損檢測(cè)，包括外觀檢查、X 射線檢測(cè)。外觀檢查結(jié)果表明焊縫無(wú)裂紋、未熔、夾渣、氣孔、咬邊等缺陷，探傷檢驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫及熱影響區(qū)均無(wú)不合格缺陷。為進(jìn)一步研究接頭組織與性能和熱輸入的關(guān)系，開(kāi)展了焊接接頭試件的沖擊試驗(yàn)、微觀金相試驗(yàn)、相比例試驗(yàn)和點(diǎn)蝕試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 沖擊韌性性能分析

按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370?22 要求，制取并完成低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為0 ℃，表3記錄了4組試樣的焊縫和熱影響區(qū)沖擊功，二者關(guān)系如圖2所示。

圖2 沖擊功與熱輸入關(guān)系

表3 4組試樣沖擊功

隨著熱輸入的增加，試樣的沖擊韌性得到提升，在1.15～1.55 kJ/mm（此處熱輸入值為平均熱輸入值）區(qū)間內(nèi)，沖擊功增加趨勢(shì)明顯，當(dāng)熱輸入超過(guò)1.55 kJ/mm，沖擊功有小幅降低。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)熱輸入在合理范圍內(nèi)，接頭的沖擊韌性較好，過(guò)低或過(guò)高都會(huì)引起沖擊韌性的降低。

2.2 微觀組織分析

取試樣剖面，經(jīng)磨拋至鏡面，使用電解NaOH溶液（40 g NaOH+100 g H2O），按ASTM E562?11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行侵蝕，利用德國(guó)Zeiss 公司的光學(xué)金相顯微鏡觀察焊接接頭顯微組織，圖3 為3 號(hào)試樣中間厚度區(qū)域母材、熱影響區(qū)和焊縫微觀照片，未見(jiàn)碳化物、氮化物、σ 相和其他有害相。其中白色部分為奧氏體，灰黑色條塊狀部分為鐵素體。

圖3 微觀顯微組織

圖3（a）中，母材微觀組織中有規(guī)律地分布著鐵素體和奧氏體組織，奧氏體呈規(guī)則的帶狀分布于鐵素體上，兩相間界限清晰可見(jiàn)，約各占一半。圖3（b）中，熱影響區(qū)中兩相比例發(fā)生明顯變化，其中鐵素體相因焊接熱過(guò)程影響，晶粒較母材區(qū)域粗大，奧氏體數(shù)量銳減，呈零星的板條狀存在，且出現(xiàn)三類(lèi)奧氏體：晶粒內(nèi)奧氏體、晶粒邊界奧氏體和魏氏奧氏體[12?13]。圖3（c）焊縫區(qū)組織中奧氏體晶粒呈樹(shù)枝狀分布在鐵素體晶粒周?chē)?，二者的分布較為凌亂，均勻性也比母材差[14?15]。由于處于焊縫中間厚度，受后續(xù)焊道熱循環(huán)加熱，鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，其晶粒得到細(xì)化，兩相比例總體上奧氏體多于鐵素體。

2.3 鐵素體含量分析

按ASTM E562?11標(biāo)準(zhǔn)中表3（33%相對(duì)精度中的25點(diǎn)10個(gè)視場(chǎng)）在200倍放大倍率下，通過(guò)人工數(shù)點(diǎn)法對(duì)各區(qū)域鐵素體含量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4，1～4號(hào)試樣焊縫區(qū)域微觀組織見(jiàn)圖4。

圖4 試樣焊縫區(qū)域微觀組織

表4 焊縫區(qū)域鐵素體含量

焊接過(guò)程中熱輸入的高低會(huì)引起相變程度不同，1 號(hào)工藝熱輸入較低，鐵素體未充分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因此鐵素體含量較高。隨著焊接熱輸入的增加，奧氏體在其與鐵素體晶界最先成核，之后是晶粒內(nèi)部成核，最后是從晶界或晶粒內(nèi)部形成二次奧氏體即魏氏體。因此，鐵素體含量總體趨勢(shì)是隨著熱輸入的增加而減少。4 號(hào)工藝由于焊縫在520～820 ℃溫度范圍長(zhǎng)時(shí)間加熱，試樣焊縫區(qū)域出現(xiàn)了部分σ 相和二次奧氏體相，而σ 相會(huì)引起接頭韌性降低[16]，因此4 號(hào)試驗(yàn)沖擊吸收功較3 號(hào)試樣有所降低。

嚴(yán)格控制熱輸入（采用3 號(hào)工藝）可以獲得適宜的兩相比例。若線能量過(guò)高，則冷卻過(guò)程比較長(zhǎng)，奧氏體相的析出過(guò)多，鐵素體含量就會(huì)降低，接頭的耐腐蝕性能降低；若線能量過(guò)低，冷卻時(shí)間短，則只會(huì)析出較少的奧氏體相，鐵素體含量會(huì)過(guò)高，接頭韌性變差[17]。

2.4 耐FeCl3點(diǎn)蝕能力分析

按ASTM G48?11 方法A，將試樣浸入溫度為（22±2）℃的約6%濃度的FeCl3溶液中進(jìn)行24 h 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)[7]。腐蝕前后用天平進(jìn)行稱(chēng)重，計(jì)算失重。4 組試樣點(diǎn)蝕試驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，試樣腐蝕后照片如圖5 所示，經(jīng)20 倍放大觀察，觀察表面是否出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕痕跡。

圖5 接頭點(diǎn)蝕試驗(yàn)后照片

表5 點(diǎn)蝕試驗(yàn)后失重?cái)?shù)據(jù)

結(jié)果表明，1 號(hào)試樣表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，其余3組試樣表面均未出現(xiàn)明顯的點(diǎn)腐蝕痕跡。1 號(hào)工藝由于熱輸入較小，焊縫組織冷卻快，奧氏體來(lái)不及充分析出，影響其接頭的耐蝕性。分析4組試樣腐蝕速率和鐵素體含量可以看出，在一定范圍內(nèi)，熱輸入的增加會(huì)使奧氏體充分析出，兩相比例接近1∶1，能夠得到可靠的耐蝕性，而過(guò)高的熱輸入會(huì)破壞兩相比例[18?19]，從而降低接頭耐蝕性。

3 結(jié)論

1） 在一定范圍內(nèi)，隨著熱輸入的增加，S31803 雙相不銹鋼焊接接頭沖擊韌性和耐點(diǎn)蝕性能得到提高。焊接熱輸入量在1.35～1.55 kJ/mm 范圍內(nèi)，雙相鋼焊接接頭具有較好的兩相比例和耐點(diǎn)蝕性能。

2）母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域奧氏體組織的形狀存在差異，母材區(qū)域奧氏體呈規(guī)則的帶狀分布于鐵素體上，兩相約各占一半；熱影響區(qū)的奧氏體晶粒粗大，呈板條狀；焊縫區(qū)域的奧氏體呈樹(shù)枝狀分布在鐵素體晶粒周?chē)?/p>

3）選用合適的熱輸入能夠控制兩相組織的比例，保證接頭的各項(xiàng)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為雙相不銹鋼的焊接提供科學(xué)依據(jù)。