不同保護氣體組分對S32205雙相不銹鋼焊接接頭性能的影響

沈波

南通振華重型裝備制造有限公司 江蘇南通 226017

1 序言

雙相不銹鋼的主要特點是屈服強度高，抗腐蝕性能好，特別是在介質(zhì)環(huán)境比較惡劣的條件下，雙相不銹鋼的抗點蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能明顯優(yōu)于普通奧氏體不銹鋼，故廣泛應(yīng)用于石油石化、海洋工程等行業(yè)。我公司未來將涉及LNG（液化天然氣）模塊項目制造，而模塊制造的前提必須有相應(yīng)的工藝來支撐。為了順利拿下該項目，技術(shù)部進行了專門的技術(shù)攻關(guān)，以確保焊接質(zhì)量。該項目涉及大量的雙相不銹鋼的焊接，研究資料表明，氣體在焊接時對背面熔池進行保護，同時也對正面熔池進行保護，另外還具有保護電弧穩(wěn)定燃燒的功能。

目前，雙相不銹鋼焊接的保護氣體主要有兩種：氬氣、氬氣與氮氣的混合氣，其他氣體是否可行尚無相關(guān)方面的研究[1]。此次研究正面保護氣體有多種組合，另外針對雙相不銹鋼的特點，背面保護氣體采用氮氣是否可行需要進行相關(guān)研究，如背面可采用氮氣，則可以節(jié)約大量生產(chǎn)成本。此次通過12組雙相不銹鋼焊接試驗和力學(xué)性能試驗，以及金相分析、點蝕分析，獲取了最佳氣體組合的試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗準(zhǔn)備

2.1 母材

雙相不銹鋼具有奧氏體+鐵素體雙相組織，S32205鋼金相組織如圖1所示，奧氏體（A）呈沙丘狀平均分布在條狀鐵素體（F）的基體上，兩相分布基本一致。該材料不僅有奧氏體不銹鋼，也有鐵素體不銹鋼的特點。其屈服強度可達400～550MPa，是普通奧氏體不銹鋼的2倍左右。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼具有韌性高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕性能強以及焊接性顯著提高等優(yōu)點，同時又具有鐵素體不銹鋼的一些特點，如475℃脆性、熱導(dǎo)率高，線膨脹系數(shù)小，具有超塑性及磁性等。此次試驗?zāi)覆牟捎肁STM A709 S32205鋼，屬于標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 母材執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及試驗?zāi)覆膶嶋H化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 母材力學(xué)性能

圖1 S32205金相組織

2.2 母材金屬各項性能測定

（1）母材力學(xué)性能驗證 由于第一次進行相關(guān)試驗，作為此次試驗的載體，母材金屬本身的性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求尚不明確，如母材本身的性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，必然會導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)與實際情況出現(xiàn)偏差，同時直接影響最終分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，在試驗前對S32205雙相不銹鋼管材是否符合ASTM A790：2020標(biāo)準(zhǔn)要求的各項指標(biāo)性數(shù)值進行前期確認，從而確保后期試驗的準(zhǔn)確性。從表3母材力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值與實測值對比可知，母材各項力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 母材力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值與實測值對比

（2）母材耐點蝕性能驗證 該試驗是依照ASTM A923：2014試驗方法C：雙相不銹鋼三氯化鐵腐蝕試驗方法進行。

1）從S32205鋼管上取φ25mm×50mm試樣2組，所有試樣表面的尖角應(yīng)平滑過渡，先仔細去除試樣表面的毛刺，再采用濕拋光的方式對試樣表面進行拋光。試樣表面禁止使用氮、檸檬化學(xué)鈍化，采用磷酸或氮、氫氟酸洗，確保試樣未受到污染。

2）對試樣尺寸進行精確測量，所有外露表面應(yīng)計算在內(nèi)，試樣表面應(yīng)采用氧化鎂膏清理，用水沖洗清理干凈，浸入酒精或丙酮后風(fēng)干，并對試樣進行稱重，試樣重量須精確至0.001g或更高，并保存在干燥器內(nèi)直至使用。

3）試樣置于玻璃托架上，待恒溫水浴鍋達到標(biāo)準(zhǔn)要求溫度后（S32205雙相不銹鋼試驗溫度為22℃，試驗時的溫度波動范圍為±1℃），將試樣浸入三氯化鐵溶液中浸泡24h，在此時間必須一直保持該試驗溫度不變，并用玻璃觀察罩蓋住測試容器或用薄膜封住開口（見圖2），腐蝕試驗結(jié)束后再次進行稱重，腐蝕率按重量減少及總重量減少計算，腐蝕率不應(yīng)超過10mdd為合格。經(jīng)過試驗驗證母材金屬合格，相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

圖2 三氯化鐵溶液和恒溫水浴鍋

表4 S32205母材腐蝕檢測結(jié)果

2.3 焊接材料

（1）焊接材料與母材金屬化學(xué)成分 此次雙相不銹鋼焊接采用昆山京群焊材科技有限公司生產(chǎn)的GTS-2209氬弧焊絲（φ2.4mm），其化學(xué)成分見表5，焊接材料與母材金屬實際化學(xué)成分對比見表6。從表6可以看出，GTS-2209相對于母材S32205鋼來說碳含量更低，低的碳含量會增加鋼的耐大氣腐蝕能力，同時降低鋼的冷脆性和時效敏感性。而焊接材料的鎳含量是母材的1.8倍左右。鎳的作用是提高鋼的強度和韌性，提高淬透性。鎳含量高時，可顯著改變鋼和合金的一些物理性能，提高鋼的抗腐蝕能力和強度，同時保持良好的塑性和韌性。另外，鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力，其他成分與母材近似。

表5 GTS-2209氬弧焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表6 焊接材料與母材金屬化學(xué)成分對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）焊接材料與母材金屬力學(xué)性能 從表7母材金屬與焊縫金屬力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比來看，焊縫金屬抗拉強度略高于母材，而伸長率比母材金屬低5%，但從表8母材金屬與焊縫金屬力學(xué)性能質(zhì)保書載明數(shù)據(jù)對比可以看出，焊縫金屬抗拉強度也高于母材金屬，伸長率同樣低于母 材金屬。上述數(shù)據(jù)均未經(jīng)過試驗驗證，在實際焊接過程中，諸多因素會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的最終結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此前期的數(shù)據(jù)僅供焊材的選擇作參考之用。

表7 母材金屬與焊縫金屬力學(xué)性能

表8 母材金屬與焊縫金屬力學(xué)性能質(zhì)保書數(shù)據(jù)對比

3 工藝試驗

3.1 不同保護氣體組分對焊接接頭的影響

（1）氣體組分設(shè)定 試驗設(shè)定4種氣體組合形式，通過不同的氣體組合的試驗研究結(jié)果來分析不同氣體組合對焊接接頭的影響，試驗氣體組別見表9。

表9 氣體組合

（2）焊接參數(shù)及要求

1）焊接環(huán)境控制。雙相不銹鋼對焊接環(huán)境要求較高，從產(chǎn)品的運輸、儲存、焊接及試樣加工等各個環(huán)節(jié)均需要避免管材和試樣受到污染，一旦受到污染將會導(dǎo)致試驗失敗，因此環(huán)境的潔凈度控制尤為關(guān)鍵。

2）溫度區(qū)間。由于該試驗是檢測各種氣體的組合，因此按照通常不銹鋼的焊接溫度區(qū)間，將焊接的最高道間溫度控制在100℃之內(nèi)，將溫度因素控制在合理范圍內(nèi)，避免因溫度影響試驗結(jié)果。

3）熱輸入?yún)^(qū)間。原計劃每一種氣體做5組試驗，因為試驗的數(shù)量越多，得到的試驗結(jié)果越精確，但是由于試驗成本極高，后期每種氣體組合實際進行了3組試驗，焊接時的平均熱輸入范圍控制在1～1.5kJ/mm（單道熱輸入范圍控制在1～2.5kJ/mm），這是為了避免因熱輸入過大對結(jié)果造成不必要的影響。

3.2 試驗內(nèi)容

（1）微觀組織分析 金相分析主要是利用光學(xué)顯微鏡觀察金屬磨面，研究其組織微觀形貌與成分和性能的關(guān)系。

（2）抗拉強度測試 抗拉強度是金屬由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。抗拉強度即表征材料最大均勻塑性變形的抗力，雖然拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力之前，變形是均勻一致的，但超出之后，金屬開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即產(chǎn)生集中變形；對于沒有（或很小）均勻塑性變形的脆性材料，它反映了材料的斷裂抗力。

（3）夏比沖擊測試 夏比沖擊測試法是一種對雙相不銹鋼中不良金屬間化合相的沉積程度進行檢測的方法。該試驗可顯示有無金屬間化合相，對于正使用的材料來說不一定是可行的方法，它考慮到不可直接檢測的一些性能需要。這里所指的夏比試驗方法與通常用來測定韌性的試驗方法是不同的，并且當(dāng)試驗的目的是檢測材料的韌性時，不應(yīng)選用該試驗方法。

（4）鐵素體測試 鐵素體數(shù)（FN＞30%）的試樣表面可以先用砂輪打磨，最后直到用600目（0.025mm）或更細的磨料磨光，打磨時要避免用力過大而產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。打磨后的表面應(yīng)光滑平整，無焊接波紋，該表面沿焊接方向應(yīng)是連續(xù)的，寬度≤5mm。在處理完成的表面上沿焊道長度方向不同的位置至少測取6個讀數(shù)。在測量過程中注意不應(yīng)有振動，測頭與接觸面保持垂直。

（5）雙相不銹鋼三氯化鐵腐蝕試驗 雙相不銹鋼三氯化鐵腐蝕試驗與前述母材耐點腐蝕性能驗證方式相同。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

焊前對焊接環(huán)境涉及的各個環(huán)節(jié)進行了有效控制，焊接試驗結(jié)束后，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對試樣進行機加工，同時在試樣加工環(huán)節(jié)也做了相應(yīng)的防護，避免了試樣在機加工環(huán)節(jié)受到不必要的污染，從而確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.1 微觀組織

將試樣經(jīng)打磨拋光后進行腐蝕，腐蝕溶液為三氯化鐵，腐蝕后對金相組織進行觀察，具體如圖3所示。

從圖3金相組織可以看出，試件焊縫及熱影響區(qū)并無晶間碳化物和金屬間化合物的析出物，由此可以得知，4種氣體組合在同等條件下對金相組織的影響不大。

圖3 金相組織（500×）

4.2 力學(xué)性能

（1）抗拉強度 雙相不銹鋼抗拉強度≥655MPa為合格，拉伸斷裂位置均在母材金屬位置，由此判定焊縫金屬強度實際上高于母材金屬本身的強度。從表10抗拉強度數(shù)據(jù)可以看出，無論是單個試驗數(shù)據(jù)還是單組的試驗數(shù)據(jù)均超過標(biāo)準(zhǔn)要求，因此各試樣抗拉強度合格。

表10 抗拉強度數(shù)據(jù) （MPa）

從以上數(shù)據(jù)可以看出，采用第1種氣體組合（正面/背面Ar）數(shù)值最低，但差別不是很大，其他3種氣體組合抗拉強度均在770MPa左右。因此，各種氣體組合對焊接接頭的抗拉強度影響不大。

（2）沖擊試驗數(shù)據(jù) 沖擊試樣的取樣位置是按照ASME IX：2010標(biāo)準(zhǔn)要求，每組試驗從每塊試板上沿板厚1/4處在焊縫中心位置、熔合線位置、熔合線+2mm位置各取3組沖擊試樣（－40℃溫度下，沖擊吸收能量平均值≥54J），從表11和表12沖擊試驗數(shù)據(jù)可以看出，除第1種氣體組合焊縫中心沖擊數(shù)據(jù)相對偏低外，其他氣體組合沖擊數(shù)據(jù)均超過標(biāo)準(zhǔn)要求1倍以上，沖擊試驗全部合格。

表11 沖擊試驗數(shù)據(jù) （J）

表12 沖擊試驗數(shù)據(jù) （J）

（3）鐵素體數(shù)（FN）含量測試 對于雙相不銹鋼來說，焊接部位鐵素體含量太少，會導(dǎo)致在壓力和振動下產(chǎn)生裂紋的可能性大大增加。對雙相不銹鋼的鐵素體含量測試主要采用磁性法，也就是采用以磁性為引力或者導(dǎo)磁率原理的鐵素體測量儀器進行測量。以測量的鐵素體數(shù)（FN）表示奧氏體不銹鋼-鐵素體不銹鋼焊縫金屬中的鐵素體含量。本次試驗測量儀器采用FISCHER MP30德國菲希爾鐵素體含量測定儀，其測量范圍為0.1%～80%Fe或0.1～110WRC-FN，測量精度為0～5%Fe(WRC-FN)時為0.1%Fe(WRC)；5%～60%Fe(5～80WRC-FN)時為測量值的2%，測量溫度區(qū)間為5～40℃，鐵素體測量執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量的測試方法》。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，鐵素體測試位置分別為母材、焊縫中心、熱影響區(qū)，具體數(shù)據(jù)見表13。對母材進行鐵素體測試主要對焊縫中心和熱影響區(qū)的測試結(jié)果有一個對比。鐵素體含量在30%～70%為合格。

從表13鐵素體數(shù)（FN）含量測試數(shù)據(jù)匯總可以看出，不論是母材還是焊縫中心以及熱影響區(qū)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，全部合格。由數(shù)據(jù)分析比對的結(jié)果可以看出，氣體組合對雙相不銹鋼焊縫中心和熱影響區(qū)的鐵素體數(shù)的含量區(qū)間波動影響差別較小。

表13 鐵素體含量測試數(shù)據(jù) （%）

（4）抗腐蝕試驗 由于雙相不銹鋼具有很好的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能，因而在含氯環(huán)境中服役具有顯著優(yōu)勢。因此在力學(xué)性能合格的情況下，其耐蝕性是否合格尤為關(guān)鍵。根據(jù)表14三氯化鐵腐蝕率數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，各種氣體組合對焊接接頭的腐蝕率有一定的影響，采用第4組氣體組合（正面98%Ar+2%N2保護，背面N2保護）的保護效果明顯優(yōu)于其他3種氣體組合。

表14 三氯化鐵腐蝕率數(shù)據(jù) （mdd）

5 結(jié)束語

1）在同等條件下，從4種不同氣體組合試驗對比數(shù)據(jù)分析可以看出，4種氣體組合對微觀組織、力學(xué)性能的影響不大，力學(xué)性能均合格。

2）4種不同的氣體組合對鐵素體數(shù)和耐腐蝕率有著一定的影響，氣體組合1（正面/背面采用Ar保護）和氣體組合2（正面采用Ar保護，背面采用N2保護）鐵素體數(shù)高于氣體組合3（正面/背面98%Ar+2%N2混合氣體保護）、氣體組合4（正面98%Ar+2%N2保護，背面N2保護），但是從三氯化鐵耐腐蝕數(shù)據(jù)來看，氣體組合4耐腐蝕性能高于其他3種氣體組合。

3）在實際焊接中，S32205雙相不銹鋼焊接采用正面98%Ar+2%N2保護、背面N2保護獲得合格焊接接頭的同時，成本下降極為顯著。由于氬氣行情波動較大，現(xiàn)階段為每瓶60～70元，最高峰每瓶達到180元左右，氮氣價格基本上沒有波動，成本每瓶在14元左右，因此背面采用氮氣保護降本增效極為明顯。