UNS S31803雙相不銹鋼的TIP TIG焊接工藝

湯世云，劉金剛，衛旭敏，王長林，王麗娟

（中海福陸重工有限公司，廣東 珠海 519050）

0 前 言

雙相不銹鋼的組織由鐵素體和奧氏體組成，因此，雙向不銹鋼兼具鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點，具有較好的塑性、韌性、強度和耐腐蝕性，在石油化工、能源工業、交通運輸業等領域有著廣泛的應用[1-3]。雙相不銹鋼傳統的焊接方法為手工鎢極氬弧焊，焊接效率較低。

TIP TIG[4]焊接專利技術（簡稱TT）是一種獨特的動態振動自動送絲熱絲TIG 焊接技術（dynamic hot wire automation），2000 年誕生于奧地利Wels。TIP TIG 焊優于一般的熱絲TIG焊接技術，從根本上突破了傳統TIG 焊接技術和工藝的局限，被認為是效率最高的氬弧焊焊接技術之一，焊接質量高，在歐美國家已經成功應用于核電、航空航天、造船、海洋石油、化工等領域。

海洋工程油氣田鉆采組塊平臺，涉及到工藝管線的焊接，對焊接設計、焊接執行標準、焊接工藝和焊材的要求較高，以保證整個海洋工程平臺組塊的服役安全性能。特殊的輸送介質往往需要用到特殊材料——雙相不銹鋼。雙相不銹鋼傳統的焊接方法為GTAW 和SAW，但GTAW 焊接效率較低，SAW 焊接位置受限，僅能焊接厚壁鋼管的平焊位置。本研究將TIP TIG 焊接方法應用于東方13-2、陸豐14-4、恩平20-4/18-6、惠州26-6 海洋工程油氣田開采平臺組塊項目用UNS S31803 雙相不銹鋼焊接，從而對此種焊接工藝進行研究。

1 試驗材料

試驗母材為ASTM A790 UNS S31803[5]雙相不銹鋼無縫鋼管，規格為Φ168 mm×10.97 mm，母材化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 UNS S31803雙相不銹鋼的化學成分 %

表2 UNS S31803的力學性能

2 試驗方法

2.1 TIP TIG焊接方法介紹

相比于傳統的TIG焊接技術，TIP TIG焊具備獨特的送絲機構、焊槍設計以及熱絲功能，實現了氬弧焊的單手操作，并且可以實現氬弧焊的全位置半自動焊接。TIP TIG 焊接系統工作原理及設備實物如圖1 所示，由圖1（a）可知，TIP TIG 焊接系統由焊接電源、熱絲電源、送絲機構及焊槍組成[6]。TIP TIG 采用四輥送絲裝置及送絲系統一體化的焊槍，實現了自動送絲，有效解決了手動送絲的不足。

圖1 TIP TIG焊接系統工作原理及設備實物圖

TIP TIG焊絲高頻振動對熔池產生強烈攪拌，有利于篩除熔池中的氣體和雜質，增強結晶過程中液態金屬流動，從而有效減少焊縫缺陷，提高焊接質量。TIP TIG焊采用的保護氣體為純氬氣，在一定程度上降低了氣體成本，也避免了混合氣體配比對焊接接頭性能的影響[7]。

TIP TIG 實現了自動送絲，能夠以一定角度按恒定速度進行送絲，使進入熔池的焊絲長度始終保持一致，從而保證焊接局部冶金過程持續穩定進行，保證了焊接質量；同時，較小的焊接電流和熱輸入可縮小熱影響區，使工件發生較小的熱變形，保證焊縫表面成形良好，提高焊接效率，可控性強，節省了生產和施工的成本，TIP TIG焊接設備實物如圖1（b）所示。

2.2 焊接工藝試驗

焊接工藝評定試驗根據 ASME IX《容器和工藝管線焊接和釬焊工藝評定》[8]進行，選用AWSA5.9 ER2209 焊絲，焊材牌號為Sandvik 22.8.3L，直徑為1.0 mm，焊絲化學成分見表3。焊接坡口采用單面V形坡口，如圖2所示，坡口角度60°，焊接位置為6點鐘，極性為DCEN直流正接，為保證焊接接頭性能試驗取樣，焊接2個試驗件。

表3 AWSA5.9 ER2209焊絲化學成分 %

圖2 焊接坡口示意圖

采用純度為99.997%的氬氣為保護氣體，氣體流量為15～25 L/min，焊接前除去母材表面的水分，用丙酮擦拭焊絲，焊接時背面也需要充氬氣保護，避免背部焊道氧化，使用測氧儀測氧氣含量，保證背部充氧氣濃度低于0.1%時開始焊接。每焊完一層，須進行層間清理，控制焊接熱輸入在0.7～1.5 kJ/mm，層間溫度低于150 ℃。焊道布置如圖3所示，詳細焊接工藝參數見表4。

圖3 焊道布置圖

表4 TIP TIG焊接工藝參數

在焊接過程中，焊接參數對焊接接頭的金相組織有很大影響，從而影響焊接接頭的性能。若焊接過程中的線能量過低，冷卻速度過快，則在焊縫及熱影響區就會產生較多鐵素體和氮化物，氮化物主要以Cr2N、CrN相析出，其析出是因為在高溫時，氮在鐵素體中溶解度較高，在快速冷卻時溶解度又開始下降，尤其在靠近焊縫表面的部位，由于鐵素體含量較高，氮化物更易析出，從而降低了焊接接頭的耐蝕性和韌性；若焊接線能量過高，冷卻速度過慢，則焊縫及熱影響區可能析出金屬間化合物，該金屬間化合物為金屬間脆化相（如高鉻σ相），同樣會使焊接接頭的耐蝕性和韌性降低[9-10]。由此可見，在不影響焊接接頭質量的前提下，焊接時應盡量選用較小的焊接線能量，使焊接部位可以快速冷卻，保證得到滿足要求的鐵素體和奧氏體組織。

3 結果分析

3.1 無損檢測

焊接完成后對焊接接頭進行外觀檢測VT 和無損檢測RT、PT，焊縫無焊接缺陷，焊縫VT和NDT 檢測結果均滿足ASME IX 和ASME B31.3[11]標準的接收準則要求，滿足東方13-2、陸豐14-4、恩平20-4/18-6、惠州26-6 海洋工程油氣田開采平臺組塊建造項目規格書的要求。

3.2 力學性能試驗

根據ASME IX 標準[10]、ASTM A370 標準[12]、ASTM E340 標準[13]、ASTM E92 標準[14]的相關要求對焊接接頭取樣并進行力學性能試驗，包括拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、宏觀形貌和硬度測試。拉伸試驗結果見表5，沖擊試驗結果見表6；顯微硬度測量位置如圖4 所示，顯微硬度試驗結果數據見表7。

表5 TIP TIG焊接接頭試樣拉伸試驗結果

表6 TIP TIG夏比沖擊試驗結果

圖4 硬度測量位置示意圖

表7 顯微硬度測試結果

拉伸試驗數據及結果表明：焊接接頭拉伸試驗斷裂位置在母材區域，焊接接頭的最小抗拉強度高于ASTM A790 UNS S31803 標準規定的母材最小抗拉強度，拉伸試驗結果符合ASME IX 標準的接收準則要求，焊接接頭具有較高的強度。

彎曲試驗結果表明：焊接接頭彎曲試樣在彎軸直徑為4t, 彎曲角度為180°三點彎曲后，彎曲試樣表面未出現任何裂紋，彎曲試驗結果合格，且滿足ASME IX標準。

低溫沖擊試驗結果表明：根據ASME B31.3標準，沖擊試樣規格為55 mm×10 mm×75 mm，低溫沖擊溫度在-46 ℃基礎上對應再降低2.8 ℃，焊縫區、熔合線、熔合線+2 mm、熔合線+5 mm區域的低溫沖擊功最小值均大于項目要求（27 J）低溫沖擊試驗滿足項目規格書規定的要求，這表明焊接接頭的韌性較好。

硬度試驗結果表明，焊接接頭的最大硬度值出現在焊縫根部區，最大硬度為294HV10，低于項目規格書規定的334HV10。

焊接接頭的力學性能試驗表明，UNS S31803雙相不銹鋼TIP TIG 焊獲得的焊接接頭焊接質量完好，具有良好的塑性和韌性。

3.3 相比例分析

根據ASTM E562標準[15]，對焊縫和熱影響區進行相比例（鐵素體含量測試）分析。沿焊縫橫截面截取試樣，經打磨拋光處理，用NaOH 溶液（100 mL H2O + 40 g NaOH）電解腐蝕，然后在顯微鏡下觀察，奧氏體呈白色，鐵素體呈灰色或棕黃色。

沿焊縫和熱影響區縱向上分別取10 處位置進行顯微組織觀察，具體位置如圖5所示，典型位置點（焊縫1、焊縫2、HAZ-1 和HAZ-2）的顯微組織如圖6 所示，通過格柵點數計算焊縫和熱影響區中的鐵素體相比例，測試結果見表8。

圖5 相比例（鐵素體含量測試）檢測位置

圖6 TIP TIG不同位置處的顯微組織

根據表8 可知，焊縫區的鐵素體相平均含量為42.5%，熱影響區鐵素體相平均含量為47%，焊縫和熱影響區的鐵素體相含量均在35%～60%，滿足項目規格書的要求（焊縫金屬和HAZ 的鐵素體含量為35%～60%）。

表8 相比例分析測試結果

3.4 金屬間化合物檢測

根據ASTM A923 標準[16]方法A 對焊接接頭金屬間化合物進行檢測，金屬間化合物的具體檢測位置如圖7 所示，金屬間化合物的顯微組織如圖8 所示。

圖7 金屬間化合物的檢測位置

由圖8可知，UNS S31803雙相不銹鋼TIP TIG焊接接頭顯微組織均為奧氏體+鐵素體，無連續晶界沉淀，未見其他金屬間化合物和析出相產生。金屬間化合物檢測結果滿足項目規格書的要求。

圖8 TIP TIG不同位置處的金屬間化合物顯微組織形貌

3.5 點蝕試驗

根據ASTM G48[17]中的要求對TIP TIG 焊焊接接頭做點腐蝕試驗，制取3組腐蝕試樣并分別編號1#、2#、3#，試樣規格為50 mm×25 mm×8 mm。腐蝕液為100 g FeCl3·6H2O+900 mL 蒸餾水，試驗溫度為（25±2）℃，采用恒溫水浴控制溫度，試驗時間為24 h，點蝕試驗結果見表9。

表9 TIP TIG點蝕試驗結果

點蝕試驗結果表明，焊接接頭的腐蝕速率未超過4.0 g/（m2·d），表明焊接接頭的耐腐蝕性能較好。采用體視顯微鏡觀察腐蝕試樣的表面形貌，在20 倍顯微鏡下觀察點蝕表面形貌，如圖9 所示，在腐蝕試樣表面未見點蝕坑，滿足項目規格書的要求。

圖9 TIP TIG表面點蝕形貌

4 結 論

（1）采用 TIP TIG焊接工藝對UNS S31803雙相不銹鋼進行焊接，保證了焊接質量，提高了焊接效率，且焊接接頭具有較高的強度及塑性和韌性，力學性能滿足項目規格書和標準要求。

（2）焊縫區的鐵素體含量平均值為42.5%，HAZ的鐵素體含量的平均值為47%，焊縫和熱影響區的鐵素體相含量均在35%～60%。

（3）UNS S31803 雙相不銹鋼TIP TIG 焊接接頭的顯微組織均為奧氏體+鐵素體，無連續的晶界沉淀，未見其他金屬間化合物和析出相產生。

（4）在20倍顯微鏡下觀察到的點蝕表面形貌未見點蝕坑；點腐蝕速率未超過4.0 g/（m2·d），滿足項目規格書的要求，焊接接頭耐腐蝕性能較好。