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(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目面對業(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久工作。
2.S32205的焊接工藝
根據(jù)項目施工需求,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(xué)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(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快,高溫鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變時間過短,則焊縫和熱影響區(qū)域會產(chǎn)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(yù)熱溫度應(yīng)≥10℃,在沙特吉贊項目常年高溫環(huán)境下室溫即可。若選用較大的熱輸入量,則冷卻速度過慢會使得鐵素體晶粒粗大,且會產(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,應(yīng)當(dāng)控制層間溫度,層間溫度過大會導(dǎo)致熱量積累,受熱區(qū)域增大,熱影響區(qū)變寬,同時導(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形成氮?dú)庖莩?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?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^5%時鎢極易燒損,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(xué)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(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,并向鐵素體晶內(nèi)生長,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)。
(1)打底完成后需要進(jìn)行PT檢測,合格后進(jìn)行填充層焊接(見圖4)。
(2)鐵素體含量測定應(yīng)在已完成的焊縫中心30%~60%內(nèi)測定(見圖5)。
(3)對所有焊后的焊縫取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(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,并提出了施工過程中對雙相不銹鋼焊接及無損檢測的特殊要求,保證了現(xiàn)場焊接施工質(zhì)量。