316L不銹鋼容器打底焊接新工藝的開發(fā)研究

仲繼彬 舒欣欣 劉斌 張劍利

海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津塘沽 300450

316L不銹鋼容器打底焊接新工藝的開發(fā)研究

仲繼彬 舒欣欣 劉斌 張劍利

海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津塘沽 300450

本文通過力學(xué)性能測試、顯微組織分析和點蝕試驗等方法，針對一種316L奧氏體不銹鋼的打底焊工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：采用設(shè)計的新工藝對316L不銹鋼進(jìn)行焊接，其焊接接頭的力學(xué)性能、金相組織和抗腐蝕能力均可以達(dá)到設(shè)計要求，該工藝具有較好的推廣應(yīng)用價值。

316 L不銹鋼；打底焊；焊接工藝；點蝕

引言

316 L (00Cr17Ni14Mo2) 鋼屬于超低碳奧氏體型不銹鋼，因其具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能及耐腐蝕性能，近年來廣泛應(yīng)用于壓力容器、化肥生產(chǎn)裝置、海洋環(huán)境裝置等領(lǐng)域。也是我公司不銹鋼容器生產(chǎn)中的主要原材料。隨著我公司不銹鋼容器制造工作量的不斷增加，原先所采用的常規(guī)打底焊工藝，由于必須采用惰性氣體進(jìn)行背部充氬保護(hù)，因此工序復(fù)雜，整個工作過程耗時長，成本高，因此成為提高不銹鋼容器制造質(zhì)量和效益的一個瓶頸問題。為了改變這種局面，我們決定對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過焊接材料的選擇和工藝參數(shù)的調(diào)整，免去不銹鋼容器制造過程中的背部充氬過程，顯著提高焊接生產(chǎn)效率。

1、試驗材料及方法

實驗所用316L的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1316 L的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% )

表2316 L的力學(xué)性能

焊接規(guī)范參數(shù)如表3所示。

表3 焊接規(guī)范參數(shù)

2、實驗結(jié)果及分析

2.1 拉伸性能

分別從焊接試件上按標(biāo)準(zhǔn)取出標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸試驗。試樣測得的拉伸性能如表4所示。

表4 拉伸性能試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果來看，所得抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均滿足試驗鋼強(qiáng)度的要求，且具有較高的斷后延伸率，這表明采用新工藝得到的焊接接頭具有較好的強(qiáng)塑性配合。

2.2 顯微硬度

通過對焊接接頭進(jìn)行的顯微硬度實驗表明，母材的顯微硬度Hv10為195；焊縫的顯微硬度Hv10為165；熱影響區(qū)的顯微硬度Hv10為188，均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值。

2.3 顯微組織分析

實驗所得焊接接頭的SEM金相組織如圖1所示。

圖1 焊接接頭的SEM組織

觀察焊接接頭的金相組織可以看出，焊縫組織組織為γ+δ的雙相組織。在SEM照片中，黑色的是γ基體， 白色的是δ鐵素體。鐵素體以粒狀為主，還有少量為蠕蟲狀。少量位于奧氏體的晶界上δ鐵素體的產(chǎn)生與奧氏體共存，這樣的焊縫組織具有強(qiáng)度和塑性良好的綜合性能，缺口的敏感性較低。

通過觀察我們還可以看到，幾種類型的鐵素體形態(tài)(蠕蟲狀、板條狀的、骨架狀的)共存于奧氏體不銹鋼焊縫中，且不同位置處各種鐵素體形態(tài)所占比例不同。在焊縫中心以骨架狀鐵素體為主，偏離中心處以板條狀鐵素體為主，而在熔合區(qū)附近則以蠕蟲狀鐵素體為主。板條狀鐵素體由奧氏體晶界向奧氏體晶內(nèi)生長，板條間相互平行。熔合區(qū)靠近焊縫一側(cè)，由于冷速快而形成大量蠕蟲狀鐵素體，δ鐵素體含量很少，奧氏體晶粒較粗大。

2.4 點蝕試驗

因為點蝕是不銹鋼典型的腐蝕形式之一，不銹鋼設(shè)備直接或者間接因點蝕而導(dǎo)致的破壞事故屢有發(fā)生，造成很大的損失，因此耐點蝕性能始終是不銹鋼耐腐蝕性能研究工作中的重點內(nèi)容。所以為了測定采用新工藝得到了焊接接頭的耐蝕性，我們進(jìn)行了點蝕試驗。

試樣采用線切割的方法從焊接接頭上截取，對需要打磨的部位用水砂紙進(jìn)行濕磨，用置于丙酮超聲除油、干燥后。24小時后進(jìn)行稱重，并測量表面積。浸泡于白標(biāo)準(zhǔn)試驗溶液中72小時，試驗溫度22℃。實驗設(shè)備、腐蝕介質(zhì)制備等均遵照G48要求嚴(yán)格執(zhí)行。

試驗結(jié)束后，先用水清洗，并在水龍頭下用軟刷子刷洗，丙酮浸泡，空氣中干燥后稱重，計算腐蝕速率，測量點蝕孔數(shù)量、深度。

點蝕實驗前后的試樣宏觀照片如圖2所示。

圖2 點蝕實驗前后的試樣宏觀照片

由圖2可以看出，點蝕坑出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)中的數(shù)量最多，其次在母材上也有少量的出現(xiàn)，而在焊縫上幾乎沒有，這表明，焊接熱影響區(qū)是整個焊接接頭耐點蝕性能最薄弱的一個區(qū)域。

任何金屬材料都不同程度地存在非金屬夾雜物，如硫化物或氧化物等，這些非金屬化合物如存在于材料表面，在Cl-的作用下將很快形成坑點腐蝕。而一旦形成坑點以后，由于閉塞電池的作用，坑外的Cl-將向坑內(nèi)遷移，而帶正電荷的坑內(nèi)金屬離子將向坑外遷移，從而形成電化學(xué)腐蝕。由于Cl-的原子半徑非常小，金屬當(dāng)中的任何非金屬夾雜物以及焊接缺陷都將成為Cl-滲透的腐蝕源頭，進(jìn)而形成點腐蝕。已有的研究也表明：熱影響區(qū)出現(xiàn)點蝕的條件是內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力，由于熱影響區(qū)組織的不均勻性，導(dǎo)致焊接產(chǎn)生的應(yīng)力易集中于熱影響區(qū)，且不銹鋼表面的鈍化膜易受應(yīng)力作用，導(dǎo)致破碎及滑移。在應(yīng)力作用下，又同時具備腐蝕介質(zhì)條件，致使熱影響區(qū)點蝕的幾率也比焊縫大得多，因此熱影響區(qū)的點蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

通過觀察還可以發(fā)現(xiàn)：焊接接頭試樣的正面較背面具有較高的抗點蝕能力。通過測量可知：焊接試樣背面點蝕密度在3.54～5. 01個/cm2之間，正面點蝕密度在0.79～1.97個/cm2。試樣背面最大點蝕深度在1.14～1. 73mm之間，10個最深蝕坑的平均深度在0. 69～1.20mm之間；試樣正面10個最深蝕坑的深度在0.43～1.05mm之間，10個最深蝕坑的平均深度在0.31～0.46mm之間。分析認(rèn)為：這主要是由焊接接頭正面和背面的應(yīng)力狀態(tài)所決定的。焊接接頭的正面在焊接前承受拉應(yīng)力作用，而背面承受壓應(yīng)力作用，經(jīng)過焊接熱循環(huán)后，其正面和背面的應(yīng)力狀態(tài)剛好發(fā)生反轉(zhuǎn)，正面承受壓應(yīng)力作用，而背面承受拉應(yīng)力作用，因而正面的耐蝕性能要優(yōu)于背面。

3 結(jié)論

采用失重法測得的焊接接頭的腐蝕速率為1.1826mm/a，焊縫金屬的耐點蝕能力比母材高，耐點蝕能力最薄弱處出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)。表明采用新工藝焊接得到的焊接接頭具有較高的抗點蝕能力。

[1]魏星,劉德鎮(zhèn).奧氏體鋼焊接區(qū)域的金相組織及掃描電鏡分析[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 1999, 29(2):183

[2]鄭日水.不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)銹蝕的現(xiàn)象原因分析和措施[J].焊接技術(shù).2003,32(6): 60

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.073