袁啟東,陳不友,黃 鑫,姜犖犖
(深圳海油工程水下技術(shù)公司,廣東深圳 518067)
雙相不銹鋼從20世紀(jì)40年代誕生以來(lái),已發(fā)展到第3代。其主要特點(diǎn)有:1)屈服強(qiáng)度高,可達(dá)400~550 MPa;2)在抗腐蝕方面,特別是介質(zhì)環(huán)境比較惡劣(如海水、氯離子含量較高)的條件下,雙相不銹鋼的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能明顯優(yōu)于普通的奧氏體不銹鋼,可以與高合金奧氏體不銹鋼媲美。基于雙相不銹鋼全面和良好的綜合性能,在各種焊接制造業(yè)已得到極廣泛的應(yīng)用,尤其在石油平臺(tái)建設(shè)及改造項(xiàng)目中,雙相不銹鋼已成為不可缺少的生產(chǎn)材料。
在對(duì)雙相不銹鋼性能特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,了解雙相不銹鋼S31803的焊接特點(diǎn),設(shè)計(jì)雙相不銹鋼S31803的焊接工藝試驗(yàn),通過(guò)焊后各項(xiàng)試驗(yàn)分析,進(jìn)而認(rèn)可雙相不銹鋼的焊接工藝及技術(shù),通過(guò)比較分析不同的焊接工藝方法,確定各種焊接工藝方法的最佳適用范圍。
S31803雙相不銹鋼具有良好的焊接性能,與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比,其既不像鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區(qū),塑韌性隨著晶粒嚴(yán)重粗化而大幅降低,也不像奧氏體不銹鋼那樣,對(duì)焊接熱裂紋比較敏感。其導(dǎo)熱系數(shù)大,線膨脹系數(shù)小,使焊后呈現(xiàn)良好的雙相組織,具有優(yōu)秀的耐晶間腐蝕和塑韌性。
化學(xué)成分及機(jī)械性能見(jiàn)表1、表2。
表1 S31803鋼管化學(xué)成分(單位:%)
表2 機(jī)械性能
依據(jù)S31803雙相不銹鋼材料的物理性能、力學(xué)性能和化學(xué)成分,按等強(qiáng)度(或強(qiáng)度偏高于母材)及成分相近或相同的原則選擇焊接材料,可以選Sandvik 22.9.3LR焊條和Sandvik 22.8.3L焊絲作為雙相不銹鋼S31803焊材,其化學(xué)成分及機(jī)械性能見(jiàn)表3和表4。
表3 化學(xué)成分(單位:%)
表4 機(jī)械性能
由焊絲和焊條的化學(xué)成分可知:C、P、S含量非常低,Mn、Cr、Ni、Mo、N含量均很高,與母材鋼管的Ni含量偏高,鎳含量是保證焊縫金屬在較高的抗拉強(qiáng)度下獲得韌性的有效手段;同時(shí),Ni元素還可以降低脆性斷裂的傾向。而Mn含量與母材相當(dāng),這樣既保證了焊縫化學(xué)成分和機(jī)械性能,又能有利于細(xì)化晶粒,提高焊縫的低溫韌性。
眾所周知,P是增加冷脆性的有害元素,易產(chǎn)生焊接裂紋;焊縫金屬中磷含量從0.01%提高到0.04%時(shí),室溫缺口沖擊韌度從200 J降低到20 J。S會(huì)增加焊縫金屬的熱脆性,易使焊縫產(chǎn)生熱裂紋和氣孔,是有害雜質(zhì)。為保證焊縫金屬具有足夠的韌性,P、S含量應(yīng)低于母材。
鑒于焊接材料可以使用焊條和焊絲2種,因而對(duì)應(yīng)的焊接方法及組合焊接方法有3種。第1為氬弧焊(GTAW),第2為手工電弧焊(SMAW),第3為氬弧焊與手工電弧焊組合焊接(GTAW+SMAW)。然而,在手工電弧焊中使用焊條焊接時(shí),因此種焊條焊接熔化后熔池熔液黏稠度較大,打底焊易于形成未焊透或未熔合,不適用于打底焊接。故此手工電弧焊方法不適用于此雙相鋼焊接,最終焊接方法只有:1)氬弧焊(GTAW);2)氬弧焊與手工電弧焊組合焊接(GTAW+SMAW)。
根據(jù)確定的2種焊接方法,嚴(yán)格進(jìn)行6G位置的焊接工藝評(píng)定,可知工藝評(píng)定是合格的[1]。
焊接工藝組對(duì)的坡口尺寸設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表5和表6。
表5 GTAW焊接工藝參數(shù)[2-3]
表6 GTAW+SMAW焊接工藝參數(shù)
圖1 坡口尺寸設(shè)計(jì)及焊層設(shè)計(jì)(單位:mm)
焊接工藝評(píng)定的主要試驗(yàn)見(jiàn)表7、表8、表9、表10[4]。
表7 GTAW拉伸、彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果
表8 GTAW+SMAW拉伸、彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果
表9 -90 ℃沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果
表10 22 ℃、24 h點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)焊接參數(shù),2種方法最大不同時(shí)填充和蓋面方法不一樣,方法不一樣主要反映于焊接速度、熔敷金屬量上,最終體現(xiàn)于完成時(shí)間長(zhǎng)短[5]。
由表5和表6參數(shù)可知,GTAW焊填充速度最快為62 mm/min,SMAW焊填充速度最快為147 mm/min,假設(shè)GTAW焊填充焊接速度為v1、熔敷率為η1,SMAW焊填充焊接速度為v2、熔敷率為η2,單道焊縫體積為V,單道焊縫截面積為A,GTAW完成單道焊時(shí)間T1,SMAW完成單道焊時(shí)間T2。2種方法在完成相同厚度(相同截面積)、相同體積單道焊的時(shí)間計(jì)算公式為
由此可得:T1/T2=v2η2/v1η1。
由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知:GTAW焊熔敷率為0.95,SMAW焊熔敷率為0.55。因此,T1/T2=1.37。
即GTAW完成單道焊時(shí)間是SMAW的1.37倍,這是理論的計(jì)算量,通過(guò)實(shí)際的測(cè)量完成同一長(zhǎng)度、同一體積量的焊道填充焊接,GTAW用時(shí)約為SMAW的1.5倍左右。蓋面焊接和填充類(lèi)似,GTAW用時(shí)約為SMAW的1.5倍。
通常焊道寬度確定最佳要求是焊條或焊絲的3倍直徑,即:GTAW的焊道寬度為8 mm最佳,SMAW的焊道寬度為10~12 mm。一般正常情況下,焊接每道焊道的厚度為3 mm。由此可知,GTAW在9 mm厚度以下為單焊道,而SMAW在12 mm以下時(shí)為單焊道[4-5]。
按60°坡口核算,不同板厚的焊道數(shù)量見(jiàn)表11。
表11 不同板厚的焊道數(shù)量
經(jīng)多次實(shí)踐施工顯示,隨著焊道數(shù)量的增加,焊縫焊接完成時(shí)間也會(huì)額外增加。經(jīng)粗劣統(tǒng)計(jì)得出,2種焊接方法在15 mm以下厚度完成時(shí)間基本不增加,GTAW方法在18~24 mm的厚度相比SMAW方法完成時(shí)間增加5%~10%,焊接厚度為24 mm以上,焊道數(shù)量增加更為嚴(yán)重。
根據(jù)4.1、4.2章節(jié)的分析,相同板厚的焊縫完成時(shí)間,GTAW大約為GTAW+SMAW的1.5倍,板厚越厚GTAW+SMAW速度越優(yōu)越??紤]GTAW的合格率比GTAW+SMAW的合格率優(yōu)越,建議GTAW和GTAW+SMAW方法的應(yīng)用范圍見(jiàn)表12。
表12 GTAW和GTAW+SMAW方法的建議應(yīng)用范圍
通過(guò)對(duì)雙相不銹鋼S31803的氬弧焊(GTAW)和氬弧焊+手工電弧焊(GTAW+SMAW)的焊接評(píng)定試驗(yàn),驗(yàn)證了氬弧焊(GTAW)和氬弧焊+手工電弧焊(GTAW+SMAW)工藝均可適用于雙相不銹鋼S31803焊接;同時(shí),通過(guò)分析比較這2種方法的完成時(shí)間、合格率和管直徑等方面因素,提出氬弧焊(GTAW)和氬弧焊+手工電弧焊(GTAW+SMAW)工藝的建議使用范圍,以此給予參考。