用特殊焊接工藝解決雙相不銹鋼焊接問題？
1.概述
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點,不僅具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性和焊接性,而且具有更強于其他種類不銹鋼的抗晶間腐蝕能力,因此在能源、化工、制藥、造紙、海水淡化等領域有著廣泛的應用。中電建核電沙特吉贊項目面對業主阿美石油公司的高標準、嚴要求,將雙相不銹鋼應用于公用水、消防水系統,使管道系統在服役環境差、抗腐蝕要求高的條件下得以長久工作。
2.S32205的焊接工藝
根據項目施工需求,依據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)。
其化學成分及力學性能根據ASTM A790規定如表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,改善焊縫處力學性能,促進形成雙相組織,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,且獲得力學性能大于等于母材的焊接接頭,經過對比焊材采用BOHLER公司ER2594焊絲,直徑為1.6?2.4mm。選用的主要原因是ER2594焊絲化學成分中鎳元素含量較母材中含量相對提高,能在焊后快速冷卻過程中促進奧氏體形成,穩定兩相比例,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。焊材化學成分如表3所示。
(3)預熱、熱輸入與層間溫度 雙相不銹鋼靠著合理的雙相比例而發揮性能,焊后應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快,高溫鐵素體向奧氏體轉變時間過短,則焊縫和熱影響區域會產生過多的鐵素體組織,而奧氏體組織不足,會降低雙相不銹鋼的抗腐蝕性和焊接接頭處的韌性。因此母材預熱溫度應≥10℃,在沙特吉贊項目常年高溫環境下室溫即可。若選用較大的熱輸入量,則冷卻速度過慢會使得鐵素體晶粒粗大,且會產生金屬間相,同樣降低接頭韌性與抗腐蝕性。進行多道焊時,應當控制層間溫度,層間溫度過大會導致熱量積累,受熱區域增大,熱影響區變寬,同時導致晶粒粗大,降低強度與韌性,需控制焊道層間溫度不超過58℃。
(4)焊接工藝 采用氣體保護鎢極氬弧焊(GTAW),保護氣體采用98%Ar與2%N2的混合氣體,使用純氬氣保護焊絲熔化產生熔池中的氮元素會形成氮氣逸出,前文所述氮元素可以增加奧氏體相含量,平衡鐵素體、奧氏體兩相比例,加入1%~5%氮氣的混合保護氣體具有較好的工藝性,特別是根部焊縫,氮氣保護尤為重要。當混合氣體中氮氣含量超過5%時鎢極易燒損,造成電弧不穩定。因此選用98%Ar+2%N2混合保護氣體鎢極氬弧焊。焊接時保持背部持續充入保護氣體,背部充入保護氣體后氧氣含量應低于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,不得超越工藝規程中熱輸入量的要求,填充、蓋面時的熱輸入量不得高于打底時的熱輸入量。
圖2 焊接完成的焊口
(5)焊縫組織與力學性能 S32205不銹鋼焊后凝固過程,鐵素體組織先凝固,后隨溫度降低,部分鐵素體在晶界處開始轉變為奧氏體,并向鐵素體晶內生長,焊后腐蝕試驗組織如圖3所示。
圖3 S32205雙相不銹鋼焊縫腐蝕試驗結果焊縫組織
試驗結果表明,鐵素體相比例為42.5%±7%,組織比例滿足要求。焊縫及熱影響區處各項力學性能試驗結果顯示,最小抗拉強度858MPa,彎曲試驗結果合格,最大硬度265.2HBW,沖擊試驗在-20℃下焊縫處KV=35~45J,熱影響區KV=48~55J,力學性能都優于母材且符合標準。
(1)打底完成后需要進行PT檢測,合格后進行填充層焊接(見圖4)。
(2)鐵素體含量測定應在已完成的焊縫中心30%~60%內測定(見圖5)。
(3)對所有焊后的焊縫取20%進行焊縫區域和熱影響區的硬度測試,硬度值不得超過285HBW。
圖4 PT檢測
圖5 鐵素體含量測定
S32205雙相不銹鋼有著較好的焊接性和力學性能,能適用于電廠服役環境。本文制定了合理的焊接工藝,并提出了施工過程中對雙相不銹鋼焊接及無損檢測的特殊要求,保證了現場焊接施工質量。