超級雙相不銹鋼混合氣體保護焊工藝研究

程顯平，楊建，陳哲，張劍利

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在海洋石油工程（青島）有限公司承建的某大型浮式儲油輪（FPSO）項目中，由于服役工況需要，故在設計中使用了大量的超級雙相不銹鋼。為控制焊接接頭的相比例成分，保證焊接接頭的耐蝕性，根據項目要求，超級雙相不銹鋼焊接應使用Ar與N2的混合氣體（98%Ar+2%N2），并且除了常規的力學性能試驗外，還需要進行相比例和點蝕試驗，相比例和點蝕試驗要求相對較高。

2 材料分析

雙相不銹鋼主要是指鐵素體和奧氏體雙相不銹鋼，本文研究的焊接工藝也是針對此類雙相不銹鋼。鐵素體和奧氏體雙相不銹鋼是由鐵素體（體積分數占40%～60%）和奧氏體（體積分數占60%～40%）組成的雙相不銹鋼。它兼備了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優點，具有強度高、耐腐蝕性好和易于焊接的特點[1]。

本文研究的超級雙相不銹鋼為ASTM A790標準下的UNS 32750系列，也是雙相不銹鋼的一種，主要區別也在于超級雙相不銹鋼的Cr、Ni和Mo三種元素含量高于普通雙相不銹鋼，因此其力學性能和耐蝕性均得到進一步提升。

在開展焊接工藝研究前，應先對該材料化學成分和力學性能進行分析，材料廠家測試的化學成分和力學性能見表1、表2。

表1 超級雙相不銹鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 超級雙相不銹鋼力學性能 （MPa）

3 工藝開發

3.1 焊接性分析

由于雙相組織的存在，超級雙相不銹鋼具有較好的焊接性，但是超級雙相不銹鋼在相比例和腐蝕性能方面要求極為嚴格，因為焊接熱輸入、層間溫度、氣體成分等均會對組織和成分形成影響，所以需要對焊接工藝進行特定的控制，以取得合適的雙相組織并控制雜質相的生成。

3.2 焊接工藝

根據超級雙相不銹鋼的焊接性特點，在焊接工藝設計過程中應重點控制焊接接頭的成分和組織，主要從焊接方法、焊接材料、溫度和熱輸入幾個方面進行重點控制。

（1）焊接方法 通過對超級雙相不銹鋼材料焊接性的分析可得出，超級雙相不銹鋼的焊接接頭性能極其復雜，且為了滿足相應的性能要求，焊接接頭需要達到較高的質量和綜合性能。綜上分析，應選用鎢極氬弧焊焊接方法，因為鎢極氬弧焊在焊接熱輸入和焊縫質量控制方面更容易達到較高的水平。

（2）焊材的選擇 對于雙相不銹鋼用的焊材，依據成分匹配原則，盡可能使焊縫中的主要合金元素（如Cr）與母材接近，同時提高Ni含量并添加適量的Mo，合理控制焊縫中鐵素體和奧氏體的相比例，確保接頭獲得滿意的力學性能和耐蝕性。

本項目選用的焊絲為AWS A5.9 ER2594等級，具體化學成分和力學性能見表3、表4。選擇焊材的Cr、Ni和Mo含量應與母材相近或略高于母材，確保焊接接頭的整體成分不低于母材的含量，從而保證相應的力學性能和耐蝕性。

表3 焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 焊絲力學性能

（3）工藝參數 由于超級雙相不銹鋼材料對焊接熱輸入極其敏感，所以在焊接參數使用方面需要嚴格控制。鎢極氬弧焊的焊接參數見表5。

表5 鎢極氬弧焊的焊接參數

除此之外，對于打底焊縫和第一道填充焊縫的焊接熱輸入需要單獨控制，打底焊縫熱輸入≤1.45kJ/mm，其他焊道焊接熱輸入≤1.5kJ/mm。

在控制以上焊接參數的基礎上，還需要對以下焊接工藝措施進行控制。

1）焊接開始前，應對坡口區兩側各25mm進行打磨，去除油污、銹跡和氧化物等雜質。這些雜質進入到焊縫金屬后容易與Ni和Mo元素形成化合物，形成微觀缺陷并降低有益合金元素的含量。

2）雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼焊接區域應與碳素鋼、銅鎳材料進行隔離，避免Fe和Cu元素的污染，同時應使用不銹鋼砂輪片進行打磨。

3）超級雙相不銹鋼層間溫度，最高控制在100℃以內。

4）焊接過程中應使用背保護氣體，基于雙相不銹鋼極易受到氧化的風險，為確保根部焊縫的成分和組織，將氧含量的要求設定為低于500ppm（1ppm=1×10-6）。

4 工藝性能

焊接工藝評定試驗件需要做外觀檢測、磁粉檢測、射線檢測和力學性能試驗。

4.1 焊后檢測

焊后48h進行外觀檢測、滲透檢測和射線檢測，結果均符合鋼結構焊接規范ASME IX的相關要求。

4.2 理化試驗

根據ASME IX標準及項目合同要求進行各項性能試驗，包括：縮減斷面拉伸試驗、側彎試驗、夏比V型缺口沖擊試驗、宏觀腐蝕試驗、硬度試驗、相比例試驗和點蝕試驗。力學性能試驗結果見表6，抗拉強度結果均大于母材規定的最小抗拉強度（800MPa），彎曲后試樣凸面均無任何缺陷，經評定3個試件的焊縫力學性能均為合格。

表6 試件焊接接頭的力學性能

焊接接頭相比例測試位置如圖1所示，鐵素體含量測試結果見表7，微觀組織如圖2～圖4所示。

圖1 焊接接頭相比例測試位置

綜上可知，試驗結果滿足項目中鐵素體含量（體積分數）35%～55%的要求。

表7 焊接接頭鐵素體含量

點蝕試驗在40℃下連續腐蝕48h，試驗結果均＜1g/m2，滿足項目中不超過4g/m2的要求。

以上試驗結果表明，本次焊接工藝評定試驗獲得了成功，按照此焊接工藝執行可以焊接出滿足各項性能要求的焊接接頭。

圖2 母材微觀組織

圖3 熱影響區微觀組織

圖4 焊縫金屬微觀組織

5 結束語

1）使用含有N2的混合氣體焊接超級雙向不銹鋼，鐵素體含量（體積分數）能有效地控制為35%～55%，且焊接接頭的耐點蝕能力良好。

2）超級雙相不銹鋼對熱輸入和層間溫度敏感性較高，控制打底焊縫熱輸入≤1.45kJ/mm，其他道次在焊接熱輸入≤1.5kJ/mm且層間溫度不超過100℃的情況下，焊接接頭的質量、耐腐蝕性能均良好。