奧氏體不銹鋼背面免充氬焊接工藝研究

邵洪波， 張西雷， 薛 慧

（中國(guó)石油天然氣管道第二工程有限公司， 江蘇 徐州221006）

不銹鋼是指耐空氣、 水、 酸、 堿、 鹽及其溶液和其他介質(zhì)腐蝕的具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼種。 這類鋼除了具有優(yōu)良的耐蝕性能外， 還具有優(yōu)良的力學(xué)性能、 工藝性能及較大的工作溫度范圍 （－269～1 050 ℃）， 適于制造要求耐腐蝕、 抗氧化、 耐高溫和超低溫的零部件和設(shè)備， 廣泛應(yīng)用于石油、 化工、 電力、 儀表、 食品、 醫(yī)療、 航空及核能等工業(yè)部門。 不銹鋼按使用狀態(tài)的金相組織分類， 可分為鐵素體不銹鋼、 馬氏體不銹鋼、 奧氏體不銹鋼、 鐵素體+奧氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼5 種。 其中奧氏體不銹鋼應(yīng)用最為廣泛 （約占70%）， 與其他不銹鋼相比具有優(yōu)良的耐蝕性、 耐熱性和高塑性， 其焊接性能比較好。 管線施工中常用的奧氏體不銹鋼有06Cr19Ni10 （304） 和022Cr17Ni12Mo2 （316L），筆者以022Cr17Ni12Mo2 （316L） 為例進(jìn)行介紹。

1 022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼簡(jiǎn)介

022Cr17Ni12Mo2 （316L） 奧氏體不銹鋼的平均含碳量為0.022%， 屬于超低碳不銹鋼， 具有良好的耐晶間腐蝕能力及較高的抗刀狀腐蝕能力，其抗拉強(qiáng)度不低于480 MPa， 化學(xué)成分見表1。

表1 022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分 %

2 施工現(xiàn)狀

不銹鋼焊接常采用鎢極氬弧焊或鎢極氬弧焊根焊、 焊條電弧焊填充蓋面的方法， 根焊焊縫背面多采用專用裝置進(jìn)行局部充氬， 充氬置換時(shí)間根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)或?qū)Ｓ醚b置測(cè)定管內(nèi)氧含量， 充氬置換完全后方可進(jìn)行焊接。 焊接過程中因背面焊縫一直需要充氬保護(hù)， 則無法進(jìn)行其他焊口的組對(duì)及焊接， 嚴(yán)重影響施工效率。 連頭管段焊接施工時(shí)， 充氬裝置無法放入管內(nèi)， 需對(duì)整個(gè)管段充氬， 增加了施工成本， 降低了施工工效。

3 背面免充氬工藝

根焊采用自保護(hù)藥皮氬弧焊絲代替背面內(nèi)充氬， 藥皮氬弧焊絲采用與母材奧氏體不銹鋼022Cr17Ni12Mo2 （316L） 相匹配的ER316L Mod（modified） 焊絲， 其結(jié)構(gòu)與焊條基本相同， 內(nèi)部為實(shí)心焊絲， 外面涂敷一層藥皮， 抗拉強(qiáng)度不低于490 MPa， 其化學(xué)成分見表2。

填充蓋面焊采用實(shí)心氬弧焊絲ER316L， 其抗拉強(qiáng)度及化學(xué)成分要求與藥皮氬弧ER316L Mod 焊絲相同。

表2 ER316L Mod 焊絲化學(xué)成分 %

3.1 焊前清理及組對(duì)

焊件組對(duì)前應(yīng)采用無水酒精或丙酮溶液將焊件坡口及其兩側(cè)20 mm 范圍內(nèi)的雜質(zhì)、 污物、 毛刺等清理干凈， 按工藝要求進(jìn)行組對(duì)， 其坡口形式及尺寸如圖1 所示。 采用定位焊進(jìn)行組對(duì)， 焊接定位焊縫時(shí)， 應(yīng)采用與根部焊道相同的焊接材料和焊接工藝， 定位焊縫應(yīng)沿圓周均布2～3 點(diǎn)，長(zhǎng)度宜為12～17 mm。 定位焊縫應(yīng)焊透及熔合良好， 并應(yīng)無裂紋、 氣孔、 夾渣等缺陷。

圖1 背面免充氬焊接坡口形式及尺寸

3.2 焊接工藝參數(shù)

為了避免焊縫枝晶粗大和過熱區(qū)晶粒粗化，致使偏析增大， 奧氏體不銹鋼焊接應(yīng)盡量采用小的焊接熱輸入， 而且不應(yīng)預(yù)熱， 并降低層間溫度。 為了減小熱輸入， 不應(yīng)過分增大焊接速度， 而應(yīng)適當(dāng)降低焊接電流。 因?yàn)檫^高的焊接速度， 必然加快高溫冷卻速度， 使焊縫凝固過程承受大的收縮應(yīng)變。 降低焊接電流可減少熔深， 熱裂傾向小， 焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度不超過100 ℃。 具體焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼背面免充氬焊接工藝參數(shù)

4 焊后檢驗(yàn)

4.1 外觀檢查

焊后將焊縫表面的飛濺物清理干凈。 對(duì)焊縫表面進(jìn)行外觀檢查， 未發(fā)現(xiàn)裂紋、 氣孔、 夾渣、夾鎢、 焊瘤、 未焊透及未熔合等缺陷， 焊縫余高1.0～2.0 mm。

4.2 無損檢測(cè)

無損檢測(cè)按照NB/T 47013—2015 《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》 執(zhí)行， 進(jìn)行100%射線檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果為Ⅰ級(jí)（不低于Ⅱ級(jí)合格）。

4.3 拉伸試驗(yàn)

根據(jù)要求分別從平焊和仰焊位置取樣（如圖2所示）， 將試樣加工后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)， 試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2010 規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度， 試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見表4。 由表4 可以看出， 試樣抗拉強(qiáng)度均高于母材要求的抗拉強(qiáng)度480 MPa， 試驗(yàn)結(jié)果合格。

圖2 焊接接頭拉伸試樣

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

4.4 彎曲試驗(yàn)

根據(jù)要求分別從管周向45°位置分別取面彎、 背彎試樣各兩件 （如圖3 所示）。 將試樣加工后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)， 試驗(yàn)按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》 進(jìn)行， 試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見表5。 由表5 可以看出， 試驗(yàn)結(jié)果合格。

圖3 焊接接頭彎曲試樣

表5 彎曲試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

4.5 晶間腐蝕試驗(yàn)

為驗(yàn)證奧氏體不銹鋼背面免充氬工藝的可靠性， 除標(biāo)準(zhǔn)要求的拉伸、 彎曲試驗(yàn)外， 還進(jìn)行了晶間腐蝕試驗(yàn)。 晶間腐蝕試驗(yàn)采用不銹鋼硫酸－硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法， 試驗(yàn)周期16 h。 晶間腐蝕試樣如圖4 所示， 由圖4 可以看出， 彎曲后的晶間腐蝕試樣在10 倍放大鏡下觀察， 未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

圖4 焊接接頭晶間腐蝕試樣

5 結(jié) 論

（1） 通過外觀檢查、 無損檢測(cè)以及焊接接頭的拉伸試驗(yàn)、 彎曲試驗(yàn)和晶間腐蝕試驗(yàn)， 結(jié)果表明可采用自保護(hù)藥皮焊絲進(jìn)行根焊， 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)充氬進(jìn)行焊縫背面保護(hù)， 022Cr17Ni12Mo2（316L） 奧氏體不銹鋼背面免充氬焊接工藝質(zhì)量可靠， 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、 塑性和耐腐蝕性能可以滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2） 采用奧氏體不銹鋼背面免充氬焊接工藝解決了現(xiàn)場(chǎng)施工充氬時(shí)間長(zhǎng)的難題， 同時(shí)由于不再采用內(nèi)充氬裝置， 現(xiàn)場(chǎng)施工在確保鋼管平穩(wěn)的情況下， 可連續(xù)組對(duì)和交叉焊接， 可大大縮短施工周期， 提高了經(jīng)濟(jì)效益。