Ar-N2混合氣體對奧氏體不銹鋼焊縫化學成分的影響

程尚華，李曉明，王世達，李方亮，程方杰，3

(1.天津大學，天津 300350；2.蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司,山東 蓬萊 265607；3.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300350)

0 前言

液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)作為清潔能源正在迎來蓬勃的發(fā)展，全世界尤其是中國對于天然氣的應(yīng)用范圍也在迅速的擴大，所以市場上對LNG化工廠的需求與日俱增[1]。LNG化工廠項目中輸送天然氣的管道材質(zhì)絕大部分都是SS304/304L，其焊接接頭要求-196 ℃的低溫沖擊吸收能量不小于27 J，以及焊縫鐵素體數(shù)(FN值)不大于7[2]。在美國標準中焊接SS304L的焊材ER308L的鐵素體數(shù)要求一般在3～13即可，而常規(guī)焊材品牌得到的焊道FN值大約在8～10，因此需要特殊定制原材料才能將焊縫鐵素體數(shù)控制在3～7之內(nèi)，提高了焊材采購成本和難度。

已有文獻表明，N是強奧氏體化元素[3-5]，通過加入N元素(保護氣體中加氮氣或藥粉中加氮化物)調(diào)整和提高焊縫中的奧氏體含量是工程上常用的一種手段[6-8]。因此在GTAW焊接的保護氣體中增加少量的氮氣調(diào)整FN值是非常有工程價值的思路[9]，但Ar-N2混合氣體對焊縫中各元素含量和FN值的影響有必要進行驗證，為焊接技術(shù)在工程中的應(yīng)用提供有力的支撐[10]。因此文中通過試驗研究了保護氣體中增加氮氣對于GTAW多層多道焊縫中相關(guān)元素含量的影響規(guī)律。

1 試驗方法

試驗使用的母材為SS304L奧氏體不銹鋼管，外徑508 mm，壁厚32.54 mm。焊材選用直徑φ2.4 mm的T-308L焊絲。母材和焊材的化學成分見表1。

表1 母材及熔敷金屬化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

采用填絲GTAW焊工藝，保護氣體流量為10～15 L/min，分別使用SG-A，SG-AN-0.5，SG-AN-1, SG-AN-1.5 4種保護氣體進行焊接，該保護氣體種類表示方法參考AWS A5.32[11]，焊接位置選擇3G(立向上)，選用60°V形坡口，根部間隙3～6 mm，每一種保護氣體施焊的焊縫長度為1/4周，每一層與上一層焊道長度減少17～20 mm，示意圖如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊道分布及坡口示意圖

焊接完成后，對各焊道分別取樣，并進行化學元素成分分析，考慮到每一層相對較薄，如果采用鉆取粉末的方法，難以保證取樣位置的準確性，因此采用光譜分析，檢測設(shè)備為美國熱電(THERMO FISHER CORPORATION)旗下的ARL3460光譜儀(采用深紫外光學系統(tǒng))。

2 結(jié)果與分析

2.1 取樣

在焊縫的每一層取一組金相試樣，去除金相試樣焊縫上的多余部分，并在表面進行化學成分分析，取樣示例如圖2所示。

圖2 化學成分取樣示例

由于采用人工操作原因，每一段的焊接層數(shù)并不完全相同，SG-A，SG-AN-0.5，SG-AN-1和SG-AN-1.5 4種保護氣體進行焊接時，實際焊接層數(shù)依次為16，11，16和13。

2.2 化學元素成分

試驗共檢測了11 種化學元素成分，對所有數(shù)值進行整理統(tǒng)計，對同一接頭中所有層化學元素成分含量取平均值。不同保護氣體類型的焊縫化學成分具體趨勢如圖3所示，可以看到只有N元素隨著保護氣體中氬氣比例的升高而明顯增加，其它元素則沒有明顯的影響，這表明在保護氣體中加氮并不會明顯影響除N元素以外其它元素的過渡系數(shù)。

圖3 各元素在不同保護氣體類型的變化趨勢

對每個元素在每層焊道上的變化趨勢進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)C元素含量隨著層數(shù)的增加而下降；Si，P，S和Nb元素含量隨著層數(shù)的增加無明顯上升或下降趨勢；Mn，Ni，Cr，Mo和Cu元素含量隨著層數(shù)的增加而上升；而N元素在純氬保護氣體SG-A時的含量隨著層數(shù)的增加而稍微下降，在SG-AN-0.5，SG-AN-1，SG-AN-1.5 3種保護氣體中N元素含量隨著層數(shù)的增加而上升。從打底、填充到蓋面，各元素含量在板厚方向隨層數(shù)增加的變化趨勢如圖4～圖6所示。

圖4 N,C和Si元素含量在板厚方向的變化趨勢

圖5 Mn,P,S和Ni元素含量在板厚方向的變化趨勢

圖6 Cr,Mo，Cu和Nb元素含量在板厚方向的變化趨勢

對比觀察表1和圖3不難看出：除N元素外，當某元素在焊材中的含量比母材高時，焊縫中該元素含量隨著層數(shù)的增加而緩慢上升；當某元素在焊材中的含量比母材低時，焊縫中該元素含量隨著層數(shù)的增加而緩慢下降；當某元素在焊材中的含量與母材相近時，焊縫中該元素含量隨著層數(shù)的增加而沒有明顯變化趨勢。由此可見，在奧氏體不銹鋼SS304L純氬氣或Ar-N2混合氣體的GTAW焊縫中，除N元素外，其它元素含量的變化趨勢主要與母材和焊材的稀釋有關(guān)，與保護氣體中氮氣含量無關(guān)。對每道焊縫的化學成分取平均值，使用WRC-1992 相圖的當量公式分別計算焊縫的Creq和Nieq平均值，計算Creq/Nieq結(jié)果和實測FN值如圖7所示。由圖可知，Creq/Nieq值和焊縫鐵素體數(shù)FN值有相同的變化趨勢，都與氮氣含量呈現(xiàn)反比關(guān)系

圖7 不同保護氣體鉻鎳當量比例及FN值變化趨勢

Creq= Cr + Mo + 0.7Nb

(1)

Nieq= Ni + 35C + 20N + 0.25Cu

(2)

3 結(jié)論

(1)對于不同保護氣體類型的焊縫化學成分，只有N元素隨著保護氣體中氮氣比例的升高而明顯增加，其它元素則沒有明顯的影響。這表明在保護氣體中加氮氣并不會明顯影響除N元素以外其它元素的過渡系數(shù)。

(2)在不同保護氣體的同一焊縫中，由于稀釋率的原因，C元素含量隨著層數(shù)的增加而下降；Si，P，S和Nb元素含量隨著層數(shù)的增加無明顯上升或下降趨勢；Mn，Ni，Cr，Mo和Cu元素含量隨著層數(shù)的增加而上升；而N元素在純氬保護SG-A時的含量隨著層數(shù)的增加而稍微下降，在SG-AN-0.5，SG-AN-1，SG-AN-1.5 3種保護氣體中N元素含量隨著層數(shù)的增加而上升。

(3)Creq/Nieq值和焊縫鐵素體數(shù)FN值曲線有相同的變化趨勢，都與氮氣含量呈現(xiàn)反比關(guān)系。