254SMO超級不銹鋼焊接工藝試驗研究及應用

朱 池，徐進安

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

中船澄西船舶修造有限公司(以下簡稱我公司)承接了 “斯克萊娜”船新裝排煙脫硫裝置改裝工程，該裝置屬于綠色環保新型設備，由于我公司首次承接該類型設備的改裝工程，且系統中大量管系及附件、泵的材料均為254SMO超級不銹鋼(也稱超級奧氏體不銹鋼)，制造要求和焊接技術難度較大，因此對254SMO超級不銹鋼進行分析、研究與試驗應用。254SMO超級不銹鋼是一種對多種腐蝕媒介都有耐蝕性的高鎳、高鉬、高鉻的“三高”低碳合金。高合金化的254SMO超級不銹鋼不僅在空氣、海水、中性鹽和堿等弱酸弱堿介質中通常不會發生腐蝕現象[1]，而且在惡劣的介質中，也具有很好的抗點蝕和縫隙腐蝕能力，其中高鎳含量避免合金出現氯離子應力腐蝕開裂。在該改裝工程中，對254SMO超級不銹鋼管材從焊接參數選擇、焊接操作技術、變形控制等方面進行反復試驗，解決了254SMO超級不銹鋼焊接技術難題，掌握了管系焊接技巧，為脫硫裝置改裝工程的順利推進打下了堅實基礎。

1 焊接性分析

254SMO超級不銹鋼制造工藝要求較高，難度系數較大。因高合金具有難熔煉、易開裂、易偏析等特性，需要經過冶煉、熱軋、連鑄、加熱及酸洗等，才能制造出254SMO超級不銹鋼材料[2]。此次改裝項目中，254SMO超級不銹鋼管管徑27～609 mm，壁厚3～6 mm，其化學成分與力學性能如表1、表2所示。

表1 254SMO超級不銹鋼的化學成分 %

表2 254SMO超級不銹鋼的力學性能

由表1和表2可以看出，254SMO超級不銹鋼的化學成分和力學性能與常用奧氏體不銹鋼有很大差異，焊接性能也有較大區別，焊接時要綜合考慮各種工藝參數因素。254SMO超級不銹鋼焊接難點主要有以下4點。

1)焊接易產生熱裂紋。254SMO超級不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性。熱裂紋可分為結晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。結晶裂紋常產生在焊道弧坑處，從焊縫中心縱向開裂且有氧化色；液化裂紋多出現在焊接接頭的熱影響區，也會在多層焊的層間焊縫中產生；高溫失塑裂紋既可發生在熔合線附近，也能發生在焊縫及熱影響區中。各種裂紋既可能是宏觀裂紋，也可能是微觀裂紋。

2)焊接接頭易氧化。254SMO超級不銹鋼在高溫狀態下易氧化，焊接過程中要求焊縫在高溫時避免接觸空氣。若出現氧化現象，焊接接頭的耐蝕性能將大幅降低，在熔池中氧化形成鉻的氧化物，阻礙熔池中金屬液的流動性，易造成焊縫的外觀成形不良。

3)熔池流動性差。254SMO超級不銹鋼液態焊縫金屬流動性較差，不如碳鋼、低合金鋼焊縫熔池易浸潤，采用加大焊接電流的方法也不能改變焊縫金屬的流動性，還對流動性起反作用，這是鎳基合金的固有焊接特性。若焊接電流過大，熔池過熱且增大，裂紋熱敏感性增強，熔池中的脫氧劑逸出，易產生氣孔；采用熔化極活性氣體保護焊(MAG)焊接時，容易使焊絲及其合金元素燒損，焊縫耐蝕性和強度降低[3]。又因熔池流動性差，坡口邊緣熔合變差，故而焊接過程中采用橫擺工藝，以獲得良好的焊縫外觀成形，擺幅的最大距離不能超過12 mm。焊接操作者在橫擺到每側焊縫的極限位置時要稍停頓1～2 s，使熔化的焊縫金屬填滿熔池，減少咬邊和下凹缺陷，同時采用短弧過渡操作技術。

4)焊接熱輸入影響。采用高熱輸入的工藝參數對焊接254SMO超級不銹鋼會產生副作用，在熔合線附近會產生退火和晶粒長大。高熱輸入將導致焊縫偏析、碳化物沉淀或其它有害的冶金現象，從而使焊接接頭耐蝕性降低，熱裂紋傾向變大，最終影響產品使用效果。

2 焊接試驗與焊接工藝

2.1 焊接材料和方法的選擇

根據254SMO超級不銹鋼的焊接性分析，焊接材料使用SMT-625高合金焊材可以避免焊接過程中造成過多奧氏體轉變、合金元素燒損及耐蝕性降低的現象，有利于焊接接頭匹配母材性能。采用熱輸入量低的氬弧焊，為了控制接頭過熱和避免晶界析出，故而采用鎢極氬焊打底、填充及蓋面的方法。焊接設備采用手工氬弧焊焊機進行接頭試樣的焊接。

該項焊接試驗母材為254SMO超級不銹鋼管,其焊接試驗管材規格為：D114 mm×6 mm×150 mm×4組管材。

2.2 接頭形式設計

設計接頭形式、坡口形式與尺寸見圖1、圖2。

圖1 2G管子垂直固定焊接頭以及坡口形式與尺寸

圖2 5G管子水平固定焊接頭以及坡口形式與尺寸

3 焊接工藝要領

1)焊前準備。 254SMO超級不銹鋼管可以采用機械方式制備坡口。坡口及其兩側各30 mm范圍內，應用機械方法及丙酮進行表面清理，清除表面的油污、金屬屑、毛刺及其他污染物，其中標記需要用不含氯離子的專用筆。

2)焊接保護氣體。采用氬氣，其氣體純度≥99.99%，焊接時保護氣體流量為10～15 L/min，管內采用充氣保護，管內保護氣體流量為10～20 L/min，焊接前預先充氣時間不少于3 min。手工氬弧焊接時，提前和滯后4～5 s送氣，保護熔池，以免焊縫金屬氧化。

3)焊接電源極性。采用直流正接方式。相比直流反接方式，直流正接方式熔深大，焊縫窄、變形小、熱影響區小，在保證焊透情況下，有利于減小焊接熱輸入量。

4)定位焊要求。采用對稱四點定位焊，定位焊采用手工鎢極惰性氣體保護焊(TIG)，定位焊長度約10～15 mm，兩端需要打磨成大于或等于45°的斜面，其中焊絲牌號為STM-625，直徑2.0 mm。

5)焊接順序及焊道布置。為保證焊接質量，采用氬弧焊打底、填充及蓋面，每道或每層焊縫都采用鋼絲刷清理。焊接順序及焊道布置見圖3。

圖3焊接順序及焊道布置

6)焊接工藝參數。具體焊接參數如表3和表4所示。

表3 2G管子垂直固定焊焊接參數

焊接過程中工藝要求包括：打底焊道完成后應及時進行填充、蓋面焊接；焊縫應一次連續完成，同時應避免產生弧坑裂紋；若有弧坑裂紋，應馬上剔除并補焊，以免影響后道焊接質量。

表4 5G管子水平固定焊焊接參數

7)防止焊接裂紋。在焊接收弧時要填滿弧坑，在收弧處多停留3～5 s，避免產生弧坑裂紋，若出現弧坑裂紋，應馬上打磨處理。焊接過程中避免材料與銅和鋅發生接觸，以免銅和鋅滲入鋼的晶粒邊界引起裂紋。

8)控制層間溫度。為了確保254SMO超級不銹鋼管焊接性，應嚴格控制焊接熱輸入，焊接采用較小焊接工藝參數，盡量采用快速多層多道焊以減少焊道熱輸入量，并通過多層焊的后熱作用細化晶粒。多層焊時要控制層間溫度，熱輸入盡量控制在0.8～1.5 kJ/mm范圍內，多層焊層間溫度小于100 ℃，避免接頭過熱。在焊接過程中，焊絲不能脫離氬氣保護范圍。

9)防止焊接縮孔。焊接254SMO不銹鋼高合金鋼收弧時，由于焊接接頭吸收了大量焊接熱，焊縫區域金屬的溫度不斷升高，收弧速度過快造成高溫液態的金屬快速冷卻、收縮，液態熔池金屬來不及填滿弧坑容易產生縮孔。為防止縮孔，在根部焊時盡量將電弧引到坡口面處進行收弧減少縮孔；在進行填充蓋面時，收弧時輕抬焊槍，適當的加快行走速度，使熔池逐漸縮小(在氬弧焊機中設置電流衰減作用)，直至熄弧[4]。

10)焊后處理。焊后呈過熱或氧化顏色的部位，應打磨處理。焊后采取緩慢冷卻措施，以防弧坑裂紋。為獲得最佳耐腐蝕能力，焊后應對焊件做酸性鈍化處理。

4 焊后試驗結果與分析

管材焊接工藝評定采用LR船級社規范、ASME Section Ⅸ及ASME B31.3標準要求。各項性能測試試驗是嚴格按照船級社標準及產品使用工況要求進行。管材焊縫試驗內容包括外觀檢測、無損探傷、拉伸試驗、彎曲試驗、宏觀金相、微觀金相、晶間腐蝕試驗及鐵素體含量測定。

1)無損探傷檢測。焊接結束后48 h，對焊接試樣焊縫進行100%外觀檢測：焊縫及熱影響區未發現咬邊、表面氣孔、裂紋及夾渣等缺陷，焊縫余高0.3～1.2 mm，焊縫與母材之間過渡光順；焊接試驗焊縫經過X光射線探傷和PT檢測，未發現裂紋、未熔合、未焊透及夾渣等缺陷，焊接接頭焊縫質量滿足檢驗標準要求。

2)拉伸試驗。將拉伸試驗樣固定在某型萬能試驗機上，拉伸試驗斷裂位置為母材處。拉伸試驗結果滿足LR船級社規范要求。

3)彎曲試驗。將加工好的彎曲試驗樣固定在某型萬能試驗機上進行彎曲試驗。按照規范要求，使用24 mm直徑的壓頭進行2正彎和2反彎彎曲試驗。彎曲角度180°，在彎曲后的試樣表面無裂紋且在任何方向上無長度大于3 mm的其他缺陷，試驗結果滿足規范要求。

4)宏觀金相及微觀金相。焊縫宏觀斷面檢查發現焊縫完全焊透，無裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，試樣檢測合格。

5)晶間腐蝕試驗。按LR船級社規范要求試驗，彎曲試樣內外表面無裂紋缺陷，試驗合格。

6)鐵素體含量測定。從金相圖知，焊縫根部：鐵素體含量1%；熱影響區：未發現明顯鐵素體含量；熔合線：極少量鐵素體，沒有發現晶間析出相的現象。以上試驗數據滿足技術條件要求，可以保證力學性能和耐蝕性能。見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖4 焊縫根部金相200x

圖5 焊縫熔合線金相200x

圖6 熱影響區金相200x

圖7 熔合線區域金相 500x

圖8 熱影響區金相500x

7)抗點腐蝕試驗。進行ASTM G48 C類腐蝕試驗，試驗合格,試驗結果及評定見表5所示。

表5 抗點腐蝕試驗結果及評定

抗點腐蝕結果表明，焊接接頭具有良好的耐氯離子局部腐蝕性能。晶間腐蝕試驗結果表明，焊接接頭具有良好的抗晶間腐蝕性能。

綜上所述，制定的焊接工藝試驗滿足工藝要求，焊接參數合適，試驗結果滿足LR及相關標準技術要求，焊接接頭性能符合設計圖紙要求。

5 實船應用

254SMO超級不銹鋼管系制作消耗了5 t左右管材和75 kg焊材。此次 “斯克萊娜”船脫硫裝置改裝工程中，焊接工藝評定試驗取得了LR船級社認可，同時254SMO超級不銹鋼管系的成功焊接，對今后船舶建造、修理及改裝結構制造提供了技術經驗。

6 結束語

采用鎢極氬弧焊打底、填充及蓋面，配合SMT-625焊絲焊接254SMO超級不銹鋼管系，在合理的焊接工藝條件下，能夠得到高質量的焊接接頭，焊接工藝評定試驗的各項性能指標均符合技術要求，基本掌握了254SMO超級不銹鋼管材的鎢極氬弧焊打底、填充及蓋面的管系焊接技術，為今后脫硫改裝生產提供了技術經驗。

對于焊接操作者，焊接過程中一些細小的缺陷也必須消除，防止影響后道工序，必須嚴格地執行焊接工藝才能保證焊縫質量。

經過對254SMO超級不銹鋼的工藝試驗，編制了合理的焊接工藝，確保焊接工藝評定試樣的力學性能、抗晶間腐蝕和抗點腐蝕性能。在改裝船脫硫裝置的生產制作過程中，根據焊接工藝評定結果，制定了詳細的工藝規程，并在焊接施工過程中嚴格按照工藝執行，保證了254SMO超級不銹鋼管系的生產進度和焊接質量。