雙相不銹鋼特殊焊接工藝及無損檢測要求

■ 徐桂沖，吳柄政

1.概述

雙向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。

（1）母材 雙相不銹鋼是在含C較低的情況下，C r含量在18%～28%，N i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。

圖1 S32205 雙相不銹鋼焊接接頭示意

表1 S32205雙相不銹鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 S32205雙相不銹鋼力學性能

表3 ER2594焊材化學成分（質量分數） （%）

（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。

焊接參數如表4所示，焊接完成的焊口如圖2所示。

（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。

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858M P a，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。

3.無損檢測特殊要求

（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）。

圖2 焊接完成的焊口

圖3 S32205雙相不銹鋼焊縫腐蝕試驗結果焊縫組織

圖4 PT檢測

（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。

4.結語

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。

表4 S32205雙相不銹鋼焊接參數

圖5 鐵素體含量測定