用特殊焊接工藝解決雙相不銹鋼焊接問(wèn)題？

 1.概述

無(wú)錫不銹鋼板廠家無(wú)錫漢能不銹鋼2019年11月6日訊 雙相不銹鋼是指金相組織具有鐵素體與奧氏體雙相組織的不銹鋼種，在固溶組織中鐵素體與奧氏體各占約50%的比例，一般較少相的含量也在30%以上。金相組織決定了鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的性能介于鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼之間，兼具兩種不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性和焊接性，而且具有更強(qiáng)于其他種類(lèi)不銹鋼的抗晶間腐蝕能力，因此在能源、化工、制藥、造紙、海水淡化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。中電建核電沙特吉贊項(xiàng)目面對(duì)業(yè)主阿美石油公司的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，將雙相不銹鋼應(yīng)用于公用水、消防水系統(tǒng)，使管道系統(tǒng)在服役環(huán)境差、抗腐蝕要求高的條件下得以長(zhǎng)久工作。

2.S32205的焊接工藝

根據(jù)項(xiàng)目施工需求，依據(jù)ASME IX和ASME B31.3要求制定了S32205雙相不銹鋼的焊接工藝，工藝評(píng)定焊接接頭尺寸如圖1所示。

圖1   

S32205 雙相不銹鋼焊接接頭示意注：a=70?    b=3.91mm     c=4.0mm     d=0.8mm
（1）母材  雙相不銹鋼是在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素，本文介紹的工藝采用UNS S32205鋼管，厚度3.91mm，管徑2in（1in=25.4mm）。
其化學(xué)成分及力學(xué)性能根據(jù)ASTM A790規(guī)定如表1、表2所示。
S32205雙相不銹鋼中含碳量低于0.03%屬于超低碳不銹鋼，超低的碳含量可以提高材料的焊接性，降低碳化物在晶界析出的傾向，使得晶間耐腐蝕性提高。氮元素的加入可以改善焊接后金屬抗腐蝕能力，改善焊縫處力學(xué)性能，促進(jìn)形成雙相組織，平衡兩相的比例，高含量的鉻、鉬元素可提高鋼材抗腐蝕性。
（2）焊材選擇   選取合適的焊材能控制焊后組織鐵素體和奧氏體比例，使兩相比例合理，且獲得力學(xué)性能大于等于母材的焊接接頭，經(jīng)過(guò)對(duì)比焊材采用BOHLER公司ER2594焊絲，直徑為1.6?2.4mm。選用的主要原因是ER2594焊絲化學(xué)成分中鎳元素含量較母材中含量相對(duì)提高，能在焊后快速冷卻過(guò)程中促進(jìn)奧氏體形成，穩(wěn)定兩相比例，若只選用與母材成分相同的焊材，則焊縫中鐵素體含量較高。焊材化學(xué)成分如表3所示。

（3）預(yù)熱、熱輸入與層間溫度  雙相不銹鋼靠著合理的雙相比例而發(fā)揮性能，焊后應(yīng)保證鐵素體和奧氏體兩相保持合理的比例，焊接一般選用小熱輸入、快速焊接的方法，容易使得焊縫冷卻速度過(guò)快，高溫鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間過(guò)短，則焊縫和熱影響區(qū)域會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的鐵素體組織，而奧氏體組織不足，會(huì)降低雙相不銹鋼的抗腐蝕性和焊接接頭處的韌性。因此母材預(yù)熱溫度應(yīng)≥10℃，在沙特吉贊項(xiàng)目常年高溫環(huán)境下室溫即可。若選用較大的熱輸入量，則冷卻速度過(guò)慢會(huì)使得鐵素體晶粒粗大，且會(huì)產(chǎn)生金屬間相，同樣降低接頭韌性與抗腐蝕性。
進(jìn)行多道焊時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制層間溫度，層間溫度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致熱量積累，受熱區(qū)域增大，熱影響區(qū)變寬，同時(shí)導(dǎo)致晶粒粗大，降低強(qiáng)度與韌性，需控制焊道層間溫度不超過(guò)58℃。
（4）焊接工藝  采用氣體保護(hù)鎢極氬弧焊（GTAW），保護(hù)氣體采用98%Ar與2%N2的混合氣體，使用純氬氣保護(hù)焊絲熔化產(chǎn)生熔池中的氮元素會(huì)形成氮?dú)庖莩觯拔乃龅乜梢栽黾訆W氏體相含量，平衡鐵素體、奧氏體兩相比例，加入1%~5%氮?dú)獾幕旌媳Ｗo(hù)氣體具有較好的工藝性，特別是根部焊縫，氮?dú)獗Ｗo(hù)尤為重要。當(dāng)混合氣體中氮?dú)夂砍^(guò)5%時(shí)鎢極易燒損，造成電弧不穩(wěn)定。因此選用98%Ar+2%N2混合保護(hù)氣體鎢極氬弧焊。
焊接時(shí)保持背部持續(xù)充入保護(hù)氣體，背部充入保護(hù)氣體后氧氣含量應(yīng)低于0.05%。
采用焊接電流70~110A，電弧電壓10~16V，焊接速度40~95mm/min，層間溫度＜58℃的工藝進(jìn)行焊接。焊接接頭根部焊道使用?2.4mm的焊絲打底，填充及蓋面層焊道使用?1.6??2.4mm的焊絲打底。熱輸入量要小，不得超越工藝規(guī)程中熱輸入量的要求，填充、蓋面時(shí)的熱輸入量不得高于打底時(shí)的熱輸入量。焊接參數(shù)如表4所示，焊接完成的焊口如圖2所示。

圖2  焊接完成的焊口

（5）焊縫組織與力學(xué)性能  S32205不銹鋼焊后凝固過(guò)程，鐵素體組織先凝固，后隨溫度降低，部分鐵素體在晶界處開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并向鐵素體晶內(nèi)生長(zhǎng)，焊后腐蝕試驗(yàn)組織如圖3所示。

圖3  

S32205雙相不銹鋼焊縫腐蝕試驗(yàn)結(jié)果焊縫組織試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵素體相比例為42.5%±7%，組織比例滿足要求。焊縫及熱影響區(qū)處各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，最小抗拉強(qiáng)度858MPa，彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格，最大硬度265.2HBW，沖擊試驗(yàn)在-20℃下焊縫處KV=35~45J，熱影響區(qū)KV=48~55J，力學(xué)性能都優(yōu)于母材且符合標(biāo)準(zhǔn)。
3.無(wú)損檢測(cè)特殊要求（1）打底完成后需要進(jìn)行PT檢測(cè)，合格后進(jìn)行填充層焊接（見(jiàn)圖4）。（2）鐵素體含量測(cè)定應(yīng)在已完成的焊縫中心30%~60%內(nèi)測(cè)定（見(jiàn)圖5）。（3）對(duì)所有焊后的焊縫取20%進(jìn)行焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)的硬度測(cè)試，硬度值不得超過(guò)285HBW。

圖4  PT檢測(cè)

圖5  鐵素體含量測(cè)定

4.結(jié)語(yǔ)S32205雙相不銹鋼有著較好的焊接性和力學(xué)性能，能適用于電廠服役環(huán)境。本文制定了合理的焊接工藝，并提出了施工過(guò)程中對(duì)雙相不銹鋼焊接及無(wú)損檢測(cè)的特殊要求，保證了現(xiàn)場(chǎng)焊接施工質(zhì)量。