不銹鋼免充氬焊接工藝開發(fā)

■ 陸傳航，蔡新榮，朱大喜

在海洋石油工程液化天然氣管道及終端模塊工藝管道的建造中，奧氏體不銹鋼由于其經(jīng)濟(jì)性在工藝管道的設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用空間。目前應(yīng)用較多的304或316鋼種，在焊接過程中必須對(duì)根部焊道進(jìn)行保護(hù)，防止氧化。

目前應(yīng)用最為廣泛的焊接工藝大都是在根部焊接時(shí)采用背面充氬氣方式，并采用多種工具進(jìn)行排氣，保證焊縫區(qū)域附近氧含量降低至規(guī)定數(shù)值。對(duì)于大管徑的管道而言，背面保護(hù)氣氧含量達(dá)標(biāo)耗時(shí)較長，同時(shí)根部焊接過程中必須打磨接頭，打磨過程造成焊接區(qū)域保護(hù)氣體氧含量不達(dá)標(biāo)且恢復(fù)時(shí)間較長，影響場地的施工效率。

包含藥芯的TIG材料，焊渣對(duì)背面焊道形成保護(hù)，沒有背面保護(hù)也可以單面焊雙面成形焊接。但由于工藝特性，其性能與可靠性有待研究。

1. 試件焊接

采用日本神鋼TG—X316L氬弧藥芯焊絲作為封底材料，昆山天泰TGS—316L 氬弧實(shí)芯焊絲作為填充及蓋面焊材進(jìn)行工藝測試。試驗(yàn)件尺寸為φ500mm×12.7mm，材料為ASTMA358 Gr316/316L，母材為雙標(biāo)材料，符合316不銹鋼強(qiáng)度同時(shí)滿足316L不銹鋼的低碳含量要求。試驗(yàn)用鋼材和焊材的化學(xué)成分如表1所示，試驗(yàn)用焊接參數(shù)如表2所示。

由于藥芯焊絲在焊接時(shí)與實(shí)芯焊絲的操作手法和電弧擺動(dòng)頻率有區(qū)別，因此需要注意以下操作要領(lǐng)：①焊槍圓弧擺動(dòng)，避免出現(xiàn)未熔合，填充過程焊絲向熔池根部輕壓，保證根部成形。②當(dāng)發(fā)現(xiàn)熔池增大并下凹時(shí)需加快焊接速度，反之出現(xiàn)窄而高的熔池時(shí)，需要降低焊接速度。③為避免接頭收弧縮孔，焊接盡量采用短弧焊，保證藥芯焊絲的焊接冶金反應(yīng)。

表1 鋼材與焊材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)) （%）

表2 焊接參數(shù)

在測試過程中可以發(fā)現(xiàn)，完成焊接后，由于根部保護(hù)性藥皮的存在，焊道根部內(nèi)側(cè)顏色符合AWS D18.2中變色要求。為了測試其性能，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相關(guān)試樣的制備和分析。

2. 試件性能分析

（1）力學(xué)性能 焊接完成通過無損檢測RT/PT后，按照ASME IX標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能測試，其相關(guān)測試結(jié)果如表3所示。

從力學(xué)性能測試的結(jié)果來看，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度高于母材最小抗拉強(qiáng)度515MPa下限，接頭的拉伸性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求；側(cè)彎試件彎曲180°沒有出現(xiàn)裂紋、未熔合缺陷，表明焊接接頭具備良好的塑性，沖擊試驗(yàn)性能可以說明焊材及母材在-196℃低溫條件下具備優(yōu)異的韌性。

（2）金相分析 對(duì)試樣的根部、填充焊縫金屬、熱影響區(qū)以及母材進(jìn)行金相分析，觀察其組織構(gòu)成，特別是根部區(qū)域金相組織。眾所周知，奧氏體不銹鋼焊縫中需要形成一定數(shù)量的鐵素體，以防止焊縫產(chǎn)生凝固裂紋，鐵素體可以大量溶解S、P、Si和Nb等元素，防止偏析和低熔點(diǎn)共晶，但含量過多會(huì)引起奧氏體不銹鋼脆化。運(yùn)用WRC圖的鉻和鎳當(dāng)量計(jì)算公式，可得到根部焊材TGX—316L鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為20.657%和12.96%，鉻鎳當(dāng)量比為1.59，填充TGS—316L焊材的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為20.61%和13.26%，鉻鎳當(dāng)量比為1.55。原始母材的鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量分別為19.65%和11.87%，鉻鎳當(dāng)量比為1.65。

由于母材和填充金屬的成分相似，熔合比對(duì)焊縫金屬的成分影響不大，因此按照WRC圖可以估算得到316L焊縫中鐵素體數(shù)大約為FN6~8，可以有效阻止熱裂紋的形成。焊縫金屬的鉻鎳當(dāng)量比在1.51~2.0之間，熔池材料的凝固模式一般為鐵素體-奧氏體凝固模式（FA凝固型）。這種凝固型可以得到殘余骨架狀或板條狀鐵素體在奧氏體中，斷裂韌性好，一般認(rèn)為此種凝固模式得到的組織是最好的。表4為使用Fischer FERITSCOPE FMP30鐵素體測試儀對(duì)焊縫金屬進(jìn)行鐵素體測試的結(jié)果，圖1為焊縫及熱影響區(qū)金相組織。

表4實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，焊縫實(shí)測鐵素體數(shù)FN基本位于WRC圖預(yù)測范圍之內(nèi)。從圖1中可以看到，焊縫根部和填充焊道組織均勻，晶粒細(xì)小。焊縫中心和焊縫根部區(qū)域組織均為奧氏體基體+斷續(xù)分布的骨架狀鐵素體，鐵素體均勻分布在奧氏體基體上，形成凹凸不平的晶界，細(xì)化奧氏體晶粒同時(shí)將有利于抵抗焊縫中裂紋的擴(kuò)展。熱影響區(qū)組織為單一的奧氏體組織。

（3）腐蝕試驗(yàn)分析 對(duì)比母材wC=0.025%，焊材wC=0.01%以及wC=0.022%為低碳含量，特別是打底焊材適量添加的穩(wěn)定化元素Nb，將有效避免晶界上出現(xiàn)碳鉻化合物，有效提高焊縫的耐腐蝕性能。針對(duì)不銹鋼比較容易出現(xiàn)的晶間腐蝕傾向，按照國際標(biāo)準(zhǔn)ASTM A262 方法E銅-硫酸銅-16%硫酸試驗(yàn)方法制備試驗(yàn)試樣，試驗(yàn)周期為15h，試驗(yàn)結(jié)束后，經(jīng)清晰干燥彎曲后檢查試件并無裂紋產(chǎn)生。圖2為試驗(yàn)后在彎曲試樣縱向外截面外半徑的微觀未刻蝕圖，其中并未發(fā)現(xiàn)任何晶間腐蝕裂紋。

表3 焊接接頭主要力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 焊接接頭鐵素體測量數(shù)值

圖1 焊縫及HAZ金相組織

圖2 晶間腐蝕后彎曲試樣微觀組織

3. 結(jié)語

（1）藥芯不銹鋼焊絲打底可以實(shí)現(xiàn)在免充氬狀態(tài)下單面焊雙面成形焊接，焊接過程注意操作要領(lǐng)后可以保證外觀成形良好。由于節(jié)約了背面保護(hù)性氬氣、工裝及輔助用工，所以在降低成本的同時(shí)可以提升焊接施工效率。

（2）工藝開發(fā)所選取的焊材操作性能穩(wěn)定，易于掌握。同時(shí)焊材本身具備穩(wěn)定的超低溫性能以及耐晶間腐蝕抗性，焊后焊縫組織均勻，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此方法可以用于奧氏體不銹鋼的免充氬焊接施工。

[1] 丁文柱，郭建封，李世會(huì).不銹鋼管道藥芯焊絲鎢極氬弧焊焊接工藝[J]. 現(xiàn)代焊接，2016（1）：53-55.

[2] 楊文平.443鐵素體不銹鋼隨焊冷卻焊接接頭的組織和性能研究[D].山西：太原理工大學(xué)，2012，1-68.