不同焊接工藝對S32205鋼管焊接接頭性能的影響

趙承先，陳兆坤，楊永磊，張祖祿，王長文，王玉利

1.中國石油天然氣第七建設有限公司，山東青島 266300

2.青海油田格爾木煉油廠，青海格爾木 816099

在實際焊接過程中發(fā)現(xiàn)，對于同樣的焊接工藝，選用不同的保護氣體對S32205雙相不銹鋼管焊接質(zhì)量（即鐵素體與奧氏體的相比例、耐腐蝕能力）有較大的影響；同樣采用GTAW和SMAW焊接方法焊接，由于受熱不均及溫度變化等工藝因素，會影響雙相鋼焊接接頭中兩相比例，當焊接材料選定后，不同焊接方法對雙相鋼焊接接頭性能也會造成較大影響，為此，開展了本項目的實驗研究工作。

1 焊接試驗

1.1 試驗材料、設備及焊接方法

試驗用鋼管S32205執(zhí)行標準為ASTM A790M-10，規(guī)格為φ168.3 mm×10.97 mm；焊絲ER2209執(zhí)行標準為AWSA5.9，規(guī)格為φ2.4mm；焊條E2209-16執(zhí)行標準為GB/T 983，規(guī)格為φ3.2 mm。上述材料化學成分的質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 材料化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

試驗設備采用逆變式直流弧焊電源，采用GTAW和SMAW兩種焊接方法進行焊接。

對于焊接保護氣體，當采用鎢極氣體保護焊時，一組試驗采用純氬氣體（體積分數(shù)為99.999%Ar）進行焊接保護；另一組試驗坡口側采用體積分數(shù)為98% Ar+2% N2混合保護氣體進行焊接保護，背面采用純度為99.999% Ar（體積分數(shù)）的純氬氣體進行焊接保護。

1.2 焊接工藝制定

焊接雙相不銹鋼一般不需要預熱，但當焊件厚度過大或環(huán)境溫度過低時，為防止冷卻過快造成焊縫和熱影響區(qū)鐵素體含量過高，必要時要采取預熱措施。為嚴格控制熱輸入亦采用多層多道焊，但要控制好后焊焊道對前層焊道的熱處理作用，有利于焊縫金屬中的鐵素體相和奧氏體相維持在相對平衡的狀態(tài)，焊接熱輸入量一般控制在9～16 kJ/cm范圍內(nèi)。另外，焊接時還必須控制好層間溫度，層間溫度控制在≤150℃的溫度區(qū)間范圍內(nèi)較為適宜[1]。坡口形式見圖1。試驗采用純Ar保護氣的焊接工藝參數(shù)見表2，采用混合保護氣的焊接工藝參數(shù)見表3，采用焊條電弧焊的焊接工藝參數(shù)見表4。

圖1 坡口形式

表2 采用純Ar保護氣的GTAW焊接工藝參數(shù)

表3 采用混合保護氣的GTAW焊接工藝參數(shù)

表4 SMAW焊條電弧焊工藝參數(shù)

2 檢測結果與討論

（1）有害金屬間相檢測。兩種不同保護氣體下的GTAW焊接接頭和SMAW焊接接頭的有害金屬間相檢測試驗（C法：FeCl3腐蝕法）結果對比見表5、圖2～圖4。

表5 有害金屬間相檢測結果

圖2 采用99.99%Ar保護氣GTAW焊接試樣

圖3 采用98%Ar+2% N2保護氣GTAW焊接試樣

圖4 SMAW焊接試樣

結果表明，采用鎢極氣體保護焊方法焊接時，當選用純氬（體積分數(shù)99.999%Ar）作為保護氣體焊接的接頭，焊接過程中由于受熱循環(huán)影響使部分N2元素丟失，接頭的組織和性能發(fā)生變化，限制了鐵素體向奧氏體轉變，焊縫的耐腐蝕性能也隨即降低；而選用體積分數(shù)98%Ar+2% N2混合保護氣體焊接的接頭，添加到混合氣體中的N2元素能在焊縫結晶過程中維持組織平衡，補充了N2元素在焊接過程中的損失，奧氏體比例提高，而Ni調(diào)整兩相平衡，從而使接頭的力學和耐腐蝕等性能得到強化和提高，保證了焊縫焊接質(zhì)量要求。

采用焊條電弧焊方法焊接時，選用的焊材成分要跟母材成分相近，特別是Ni和N2的含量必須滿足焊縫組織要求，并且Ni含量略高于母材，這樣經(jīng)過冶金和化學反應，可得到理想的雙相組織結構。試驗結果表明，采用焊條電弧焊焊接接頭的耐腐蝕性與采用98%Ar+2% N2混合氣體焊接的接頭耐腐蝕性雖稍有差別，但同樣滿足技術要求。

（2）力學性能檢測。選用兩種不同保護氣體的GTAW焊接接頭和SMAW焊接接頭，依據(jù)NB/T 47014—2011標準進行拉伸、彎曲和低溫沖擊等試驗，得到如表6所示的試驗結果[2]。

表6 檢測結果

結果表明：雖然各項試驗指標都達到了技術條件要求，但采用體積分數(shù)98%Ar+2%N2保護氣的GTAW各項指標優(yōu)于SMAW焊接的試件和采用保護氣體體積分數(shù)為99.999%Ar焊接的試件。

（3）顯微組織檢測。依據(jù)GB/T 13298—2015標準對鎢極氣體保護焊（采用兩種不同保護氣體）和焊條電弧焊兩種焊接方法下的焊縫、熱影響區(qū)和母材進行顯微組織檢測。檢測結果表明：采用保護氣體積分數(shù)為99.999%Ar焊接的試件，未能達標；采用體積分數(shù)98%Ar+2% N2保護氣的GTAW和SMAW焊接的試件，焊接接頭符合驗收標準要求，見圖5～圖6。

圖5 鎢極氣體保護焊試樣顯微照片（500×）

圖6 焊條電弧焊試樣顯微照片（500×）

（4） 鐵素體檢測。依據(jù)GB/T 13305—2008標準，對鎢極氣體保護焊（采用兩種不同保護氣體）和焊條電弧焊兩種焊接方法下的焊縫、熱影響區(qū)的鐵素體進行檢測。檢測結果表明：采用保護氣體體積分數(shù)為99.999%Ar的GTAW焊接的焊縫和熱影響區(qū)不達標，而采用保護氣體體積分數(shù)為98%Ar+2% N2的GTAW焊接的焊縫和熱影響區(qū)和SMAW焊接的焊縫和熱影響區(qū)，其鐵素體含量均符合驗收標準要求。焊縫及熱影響區(qū)鐵素體體積分數(shù)如表7所示。佳，氮和鎳還能增加和穩(wěn)定奧氏體相比例[4]。

表7 焊縫及熱影響區(qū)鐵素體體積分數(shù)/%

因此當采用鎢極氣體保護焊焊接時，除制定合理的焊接工藝，選擇適中的焊接參數(shù)外，利用在保護氣體氬氣中合理添加一定比例氮氣的方法，不僅能延緩金屬間相的析出，而且還可以提高焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能，這是獲得合理雙相組織的關鍵。當采用焊條電弧焊時，焊接材料的選用也應遵循提高鎳和氮元素這一原則，以獲得良好的雙相鋼接頭性能[5]。

從檢測結果中可以發(fā)現(xiàn)，焊縫和熱影響區(qū)中鐵素體相體積分數(shù)在40%至60%之間，奧氏體相體積分數(shù)在60%至40%之間，說明采用98%Ar+2% N2混合保護氣的GTAW焊接接頭和采用SMAW焊接方法焊接的焊接接頭均能滿足產(chǎn)品技術要求；又通過計算鉻當量和鎳當量，對照舍弗勒組織圖，判定這種相比例的雙相鋼焊接接頭質(zhì)量最好，且采用98%Ar+2% N2作為保護氣的GTAW的相比例優(yōu)于SMAW的相比例。

（5）關于氮、鎳作用的討論。試驗表明，鎳和氮都是奧氏體形成元素，氮元素在母材中的作用非常重要，氮元素能保證焊縫金屬和焊后熱影響區(qū)內(nèi)形成足夠量的奧氏體，而且氮形成奧氏體和擴大奧氏體元素的能力遠超鎳，高溫下氮穩(wěn)定奧氏體的能力也比鎳大，能有效阻止焊縫焊后單相鐵素體產(chǎn)生，還能阻止有害金屬相的析出[3]。

如果選用的焊材化學成分與母材相同，則在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫金屬的鐵素體量急劇增加，甚至出現(xiàn)純鐵素體組織，采用奧氏體占優(yōu)勢的焊縫金屬能有效抑制焊縫中鐵素體含量增加。可通過在焊接材料中提高鎳含量或加氮的方法來獲得理想的雙相鋼組織結構，焊材的選用通常選用鎳含量比母材鎳含量高出2～4個百分點的焊材，在焊接材料中氮元素比鎳元素優(yōu)化焊縫金屬組織性能的效果更

3 結束語

通過試驗的方法，揭示了不同保護氣體及不同焊接方法對雙相不銹鋼各項性能的影響，明確了焊條電弧焊和采用98%Ar+2%N2混合氣體進行保護的鎢極氣體保護焊的焊縫質(zhì)量優(yōu)于純氬氣保護的焊縫，這對實際生產(chǎn)中S32205雙相不銹鋼的焊接具有普遍的指導意義。