王心寶 周 彬 郭 旺 劉金剛

S31803雙相不銹鋼焊縫返修焊接的相比例控制

王心寶 周 彬 郭 旺 劉金剛

(珠海巨濤海洋石油服務(wù)有限公司，廣東珠海519050)

S31803雙相不銹鋼焊接返修過程中由于原始焊縫靠近返修焊縫的區(qū)域會(huì)再次受到返修過程焊接熱循環(huán)的影響，處于返修焊接熱影響區(qū)內(nèi)原始焊縫中的鐵素體組織進(jìn)一步向奧氏體析出，導(dǎo)致返修完成的焊縫中該區(qū)域內(nèi)的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，甚至不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過一系列試驗(yàn)及分析，得出控制S31803雙相不銹鋼受返修焊接熱循環(huán)影響的原始焊縫中鐵素體與奧氏體相比例的具體措施，對(duì)S31803雙相不銹鋼的焊接工藝評(píng)定及焊接生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。

雙相不銹鋼 相比例 返修

0 序 言

S31803雙相不銹鋼金相組織中鐵素體與奧氏體含量各占約50%。由于具有兩相組織的特點(diǎn)，使其具備了奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性和良好的焊接性及鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和耐氯化物腐蝕的性能。根據(jù)挪威船級(jí)社海工標(biāo)準(zhǔn)《DNV－OS－C401海工結(jié)構(gòu)的建造與試驗(yàn)》及挪威石油工業(yè)技術(shù)法規(guī)《NORSOK M－601管路的焊接與檢驗(yàn)》規(guī)定，雙相不銹鋼焊接接頭鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在30%～70%范圍內(nèi)。如果焊接接頭中奧氏體與鐵素體的比例超出標(biāo)準(zhǔn)要求，將直接影響其韌塑性和耐蝕性。鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低，將導(dǎo)致強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降;鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，即奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低，將導(dǎo)致耐腐蝕性能和沖擊韌性的降低［1－5］。

焊接熱循環(huán)是影響焊縫接頭金相組織的一個(gè)非常重要的因素，高溫狀態(tài)下雙相鋼為100%的鐵素體組織，在冷卻過程中奧氏體相逐漸析出并最終形成雙相組織［6］，析出過程受熱輸入和冷卻速度的影響。原始焊縫為鑄態(tài)組織，相穩(wěn)定性差，而在返修過程中，原始焊縫受熱影響的區(qū)域處于非平衡狀態(tài)，工程試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)S31803雙相不銹鋼最大的問題為返修焊接完成后，原始焊縫受返修焊接熱循環(huán)影響的區(qū)域鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。文中通過返修開槽方式、焊接熱循環(huán)控制、保護(hù)氣體三個(gè)方面對(duì)S31803雙相不銹鋼原始焊縫受返修焊接熱循環(huán)影響區(qū)域的相比例進(jìn)行研究［7－8］，探索相比例控制措施。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中采用規(guī)格為 φ219 mm×18．26 mm的S31803雙相不銹鋼管，焊材選用天泰生產(chǎn)的牌號(hào)為TGS－2209、規(guī)格為φ2．4 mm的氬弧焊絲。試驗(yàn)鋼管及氬弧焊絲化學(xué)成分見表1。S31803雙相不銹鋼在常溫下的力學(xué)性能要求為:抗拉強(qiáng)度Rm≥620 MPa，屈服強(qiáng)度ReL≥450 MPa，斷后伸長(zhǎng)率 A≥25%，沖擊吸收能量KV≥54 J(－46℃)。試驗(yàn)中用材料的力學(xué)性能如下:抗拉強(qiáng)度Rm=774 MPa，屈服強(qiáng)度ReL=639 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A=26．5%，沖擊吸收能量KV=293

表1 鋼管及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 焊接過程

2．1 原始焊縫焊接

采用鎢極氬弧焊，以相同的焊接工藝參數(shù)及技術(shù)要求焊接3組試管，坡口角度為60°，鈍邊大小為2 mm，根部間隙為3 mm;焊前不預(yù)熱，層間溫度控制在150℃以下;焊接保護(hù)氣體試樣1采用98%Ar+2%N2，試樣2及試樣3采用Ar氣保護(hù)，3組試樣的背面保護(hù)氣體均為Ar氣［9－11］;詳細(xì)焊接工藝參數(shù)見表2。焊接完成后進(jìn)行100%VT+100%RT+100%PT檢測(cè)，焊縫外觀良好且沒有發(fā)現(xiàn)任何不可接受的內(nèi)部及表面缺陷，焊縫合格。

表2 原始焊縫焊接參數(shù)［12］

2．2 原始焊縫開返修槽

試樣1與試樣2按照?qǐng)D1的方式進(jìn)行開槽，保留原始焊縫中每一層的第一道焊縫的一側(cè)，槽邊緣距原始坡口邊緣為3～5 mm，槽的另一邊緣為原始坡口邊緣，焊縫根部保留6 mm，開槽角度為60°。

試樣3按照?qǐng)D2的方式進(jìn)行開槽，保留原始焊縫中每一層的最后一道焊縫的一側(cè)，槽邊緣距原始坡口邊緣為3～5 mm，槽的另一邊緣為原始坡口邊緣，焊縫根部保留6 mm，開槽角度為60°。

圖1 開槽方案1

圖2 開槽方案2

2．3 返修焊縫焊接

返修焊接方法采用鎢極氬弧焊，Ar作為焊接保護(hù)氣體，試樣1與試樣2采用相同的焊接工藝參數(shù)及層間溫度，試樣3相對(duì)于試樣1及試樣2有如下改變:①降低焊接參數(shù)和最高層間溫度;②在試樣3焊縫兩側(cè)100 mm以外使用水帶吸熱的方式加快試樣焊接過程中冷卻速度;③每一道焊接完成后，使用壓縮空氣吹工件的方式加快冷卻速度。三組試樣詳細(xì)的焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 返修焊縫焊接工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

三組焊接試樣射線檢測(cè)均合格，取微觀試樣對(duì)原始焊縫受返修焊接熱影響的區(qū)域根部及表面的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示，測(cè)量位置為A，B兩個(gè)區(qū)域，A區(qū)域距返修焊縫根部2 mm左右，B區(qū)域距母材表面2 mm左右，且A，B兩個(gè)區(qū)域均處在原始焊縫受返修焊接熱影響區(qū)域內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果見表4，微觀圖片如圖4所示?？梢钥闯鲈嚇?與試樣2原始焊縫中受返修焊接熱影響的區(qū)域鐵素體含量偏低，而試樣3中該區(qū)域的鐵素體含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 接頭示意圖

表4 鐵素體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果觀察，改變?cè)己缚p保護(hù)氣體后，處于返修焊接熱影響區(qū)域內(nèi)的原始焊縫鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯變化，而通過降低焊接參數(shù)、改變開槽方式及加快冷卻速度，該區(qū)域鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到明顯提高，其主要原因有以下幾點(diǎn):

(1)熔融金屬的結(jié)晶方式與母材不同，焊縫為鑄態(tài)，晶粒排布不均勻且相對(duì)較小，相穩(wěn)定性差，返修焊接過程中，受熱循環(huán)作用該區(qū)域相平衡狀態(tài)受到影響，在800～1 300℃范圍內(nèi)鐵素體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致鐵素體含量降低。

(2)原始焊縫焊接過程中每層水平方向上，第1道焊縫邊緣在第2道焊接過程中處于其熱影響區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致該區(qū)域會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)鐵素體向奧氏體析出現(xiàn)象［13］。如圖1和圖2所示，試樣1與試樣2開槽時(shí)保留的焊縫在每層的水平方向內(nèi)受到了兩次后續(xù)焊道的熱影響作用，而由于開槽方式的不同，試樣3與試樣1和試樣2相比每一層的水平方向減少了一次熱循環(huán)的影響。結(jié)合三組試驗(yàn)結(jié)果說明，焊縫金屬鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與受熱影響的次數(shù)有關(guān)。因此在實(shí)際生產(chǎn)中如果要保證熔敷金屬相比例，需將缺陷部位焊縫寬度方向上熔融金屬全部清除，這樣可以避免如試樣1與試樣2在水平方向上出現(xiàn)多次受熱的區(qū)域。

(3)冷卻速度對(duì)雙相比例具有重要影響。冷卻速度快，原始焊縫受返修焊接熱影響的區(qū)域在800～1 300℃停留時(shí)間短，也就縮短了鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的時(shí)間，有利于形成較高的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。反之，則不利于鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高。

試驗(yàn)通過3個(gè)措施對(duì)冷卻速度加以控制。首先，保持小的焊接熱輸入。因?yàn)槔鋮s速度受到熔敷金屬散熱相對(duì)表面積影響，相對(duì)表面積小，與周圍金屬或環(huán)境接觸的面積相對(duì)較小，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量就少，冷卻速度相對(duì)較慢。焊接熱輸入大小可以分為以下兩種情況:第一種情況為焊接速度相同，電流、電壓不同，熱輸入量大時(shí)的焊縫厚度較大，導(dǎo)致其相對(duì)表面積小;第二種情況為焊接電流和電壓相同，焊接速度不同，該種情況下相同時(shí)間內(nèi)熱輸入較大時(shí)形成較短的焊縫金屬，相對(duì)表面積也較小。因此，小的熱輸入會(huì)有相對(duì)較快的冷卻速度［14］。其次，在焊縫兩側(cè)100 mm外增加水帶，一方面，該區(qū)域時(shí)間的溫度遠(yuǎn)低于相轉(zhuǎn)變或雜質(zhì)相析出的溫度，不會(huì)對(duì)雙相不銹鋼組織性能造成不利影響;另一方面，水帶可以迅速?gòu)暮附庸ぜ衔鼰幔乖搮^(qū)域溫度快速降低，增大了該區(qū)域與焊縫處的溫度梯度，促使焊縫處熱量更快速的向該區(qū)域傳遞，提高了工件的冷卻速度。最后，每一道焊接完成后使用壓縮空氣吹工件，可以加快空氣流通，工件溫度下降速度加快，降低焊接層間溫度，從而增大焊接過程的冷卻速度。

5 結(jié) 論

(1)S31803雙相不銹鋼原始焊縫受返修焊接熱影響區(qū)域的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)受返修開槽方式、焊接工藝參數(shù)及冷卻速度的影響而取消原始焊縫焊接保護(hù)氣中的氮?dú)?，?duì)該區(qū)域的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不明顯。

(2)在實(shí)際生產(chǎn)中如果要保證S31803雙相不銹鋼熔敷金屬的相比例，需將缺陷部位焊縫寬度方向上熔融金屬全部清除。

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TG401

2016－12－20

王心寶，1987年出生，學(xué)士，焊接工程師。主要從事船舶、海工、壓力容器行業(yè)與焊接相關(guān)的管理、研發(fā)、設(shè)計(jì)、評(píng)定及質(zhì)量控制工作。