不銹鋼免充氬焊接工藝開發

■ 陸傳航，蔡新榮，朱大喜

在海洋石油工程液化天然氣管道及終端模塊工藝管道的建造中，奧氏體不銹鋼由于其經濟性在工藝管道的設計中具有廣泛的應用空間。目前應用較多的304或316鋼種，在焊接過程中必須對根部焊道進行保護，防止氧化。

目前應用最為廣泛的焊接工藝大都是在根部焊接時采用背面充氬氣方式，并采用多種工具進行排氣，保證焊縫區域附近氧含量降低至規定數值。對于大管徑的管道而言，背面保護氣氧含量達標耗時較長，同時根部焊接過程中必須打磨接頭，打磨過程造成焊接區域保護氣體氧含量不達標且恢復時間較長，影響場地的施工效率。

包含藥芯的TIG材料，焊渣對背面焊道形成保護，沒有背面保護也可以單面焊雙面成形焊接。但由于工藝特性，其性能與可靠性有待研究。

1. 試件焊接

采用日本神鋼TG—X316L氬弧藥芯焊絲作為封底材料，昆山天泰TGS—316L 氬弧實芯焊絲作為填充及蓋面焊材進行工藝測試。試驗件尺寸為φ500mm×12.7mm，材料為ASTMA358 Gr316/316L，母材為雙標材料，符合316不銹鋼強度同時滿足316L不銹鋼的低碳含量要求。試驗用鋼材和焊材的化學成分如表1所示，試驗用焊接參數如表2所示。

由于藥芯焊絲在焊接時與實芯焊絲的操作手法和電弧擺動頻率有區別，因此需要注意以下操作要領：①焊槍圓弧擺動，避免出現未熔合，填充過程焊絲向熔池根部輕壓，保證根部成形。②當發現熔池增大并下凹時需加快焊接速度，反之出現窄而高的熔池時，需要降低焊接速度。③為避免接頭收弧縮孔，焊接盡量采用短弧焊，保證藥芯焊絲的焊接冶金反應。

表1 鋼材與焊材化學成分（質量分數) （%）

表2 焊接參數

在測試過程中可以發現，完成焊接后，由于根部保護性藥皮的存在，焊道根部內側顏色符合AWS D18.2中變色要求。為了測試其性能，按照標準進行了相關試樣的制備和分析。

2. 試件性能分析

（1）力學性能 焊接完成通過無損檢測RT/PT后，按照ASME IX標準進行力學性能測試，其相關測試結果如表3所示。

從力學性能測試的結果來看，焊接接頭的拉伸強度高于母材最小抗拉強度515MPa下限，接頭的拉伸性能符合標準要求；側彎試件彎曲180°沒有出現裂紋、未熔合缺陷，表明焊接接頭具備良好的塑性，沖擊試驗性能可以說明焊材及母材在-196℃低溫條件下具備優異的韌性。

（2）金相分析 對試樣的根部、填充焊縫金屬、熱影響區以及母材進行金相分析，觀察其組織構成，特別是根部區域金相組織。眾所周知，奧氏體不銹鋼焊縫中需要形成一定數量的鐵素體，以防止焊縫產生凝固裂紋，鐵素體可以大量溶解S、P、Si和Nb等元素，防止偏析和低熔點共晶，但含量過多會引起奧氏體不銹鋼脆化。運用WRC圖的鉻和鎳當量計算公式，可得到根部焊材TGX—316L鉻當量和鎳當量分別為20.657%和12.96%，鉻鎳當量比為1.59，填充TGS—316L焊材的鉻當量和鎳當量分別為20.61%和13.26%，鉻鎳當量比為1.55。原始母材的鎳當量和鉻當量分別為19.65%和11.87%，鉻鎳當量比為1.65。

由于母材和填充金屬的成分相似，熔合比對焊縫金屬的成分影響不大，因此按照WRC圖可以估算得到316L焊縫中鐵素體數大約為FN6~8，可以有效阻止熱裂紋的形成。焊縫金屬的鉻鎳當量比在1.51~2.0之間，熔池材料的凝固模式一般為鐵素體-奧氏體凝固模式（FA凝固型）。這種凝固型可以得到殘余骨架狀或板條狀鐵素體在奧氏體中，斷裂韌性好，一般認為此種凝固模式得到的組織是最好的。表4為使用Fischer FERITSCOPE FMP30鐵素體測試儀對焊縫金屬進行鐵素體測試的結果，圖1為焊縫及熱影響區金相組織。

表4實測數據顯示，焊縫實測鐵素體數FN基本位于WRC圖預測范圍之內。從圖1中可以看到，焊縫根部和填充焊道組織均勻，晶粒細小。焊縫中心和焊縫根部區域組織均為奧氏體基體+斷續分布的骨架狀鐵素體，鐵素體均勻分布在奧氏體基體上，形成凹凸不平的晶界，細化奧氏體晶粒同時將有利于抵抗焊縫中裂紋的擴展。熱影響區組織為單一的奧氏體組織。

（3）腐蝕試驗分析 對比母材wC=0.025%，焊材wC=0.01%以及wC=0.022%為低碳含量，特別是打底焊材適量添加的穩定化元素Nb，將有效避免晶界上出現碳鉻化合物，有效提高焊縫的耐腐蝕性能。針對不銹鋼比較容易出現的晶間腐蝕傾向，按照國際標準ASTM A262 方法E銅-硫酸銅-16%硫酸試驗方法制備試驗試樣，試驗周期為15h，試驗結束后，經清晰干燥彎曲后檢查試件并無裂紋產生。圖2為試驗后在彎曲試樣縱向外截面外半徑的微觀未刻蝕圖，其中并未發現任何晶間腐蝕裂紋。

表3 焊接接頭主要力學性能試驗結果

表4 焊接接頭鐵素體測量數值

圖1 焊縫及HAZ金相組織

圖2 晶間腐蝕后彎曲試樣微觀組織

3. 結語

（1）藥芯不銹鋼焊絲打底可以實現在免充氬狀態下單面焊雙面成形焊接，焊接過程注意操作要領后可以保證外觀成形良好。由于節約了背面保護性氬氣、工裝及輔助用工，所以在降低成本的同時可以提升焊接施工效率。

（2）工藝開發所選取的焊材操作性能穩定，易于掌握。同時焊材本身具備穩定的超低溫性能以及耐晶間腐蝕抗性，焊后焊縫組織均勻，滿足標準要求。此方法可以用于奧氏體不銹鋼的免充氬焊接施工。

[1] 丁文柱，郭建封，李世會.不銹鋼管道藥芯焊絲鎢極氬弧焊焊接工藝[J]. 現代焊接，2016（1）：53-55.

[2] 楊文平.443鐵素體不銹鋼隨焊冷卻焊接接頭的組織和性能研究[D].山西：太原理工大學，2012，1-68.