UNS S31803双相不锈钢的TIP TIG焊接工艺

2023-05-06汤世云刘金刚卫旭敏王长林王丽娟

焊管 2023年4期

汤世云，刘金刚，卫旭敏，王长林，王丽娟

（中海福陆重工有限公司，广东珠海 519050）

0 前言

双相不锈钢的组织由铁素体和奥氏体组成，因此，双向不锈钢兼具铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，具有较好的塑性、韧性、强度和耐腐蚀性，在石油化工、能源工业、交通运输业等领域有着广泛的应用[1-3]。双相不锈钢传统的焊接方法为手工钨极氩弧焊，焊接效率较低。

TIP TIG[4]焊接专利技术（简称TT）是一种独特的动态振动自动送丝热丝TIG 焊接技术（dynamic hot wire automation），2000 年诞生于奥地利Wels。TIP TIG 焊优于一般的热丝TIG焊接技术，从根本上突破了传统TIG 焊接技术和工艺的局限，被认为是效率最高的氩弧焊焊接技术之一，焊接质量高，在欧美国家已经成功应用于核电、航空航天、造船、海洋石油、化工等领域。

海洋工程油气田钻采组块平台，涉及到工艺管线的焊接，对焊接设计、焊接执行标准、焊接工艺和焊材的要求较高，以保证整个海洋工程平台组块的服役安全性能。特殊的输送介质往往需要用到特殊材料——双相不锈钢。双相不锈钢传统的焊接方法为GTAW 和SAW，但GTAW 焊接效率较低，SAW 焊接位置受限，仅能焊接厚壁钢管的平焊位置。本研究将TIP TIG 焊接方法应用于东方13-2、陆丰14-4、恩平20-4/18-6、惠州26-6 海洋工程油气田开采平台组块项目用UNS S31803 双相不锈钢焊接，从而对此种焊接工艺进行研究。

1 试验材料

试验母材为ASTM A790 UNS S31803[5]双相不锈钢无缝钢管，规格为Φ168 mm×10.97 mm，母材化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 UNS S31803双相不锈钢的化学成分 %

表2 UNS S31803的力学性能

2 试验方法

2.1 TIP TIG焊接方法介绍

相比于传统的TIG焊接技术，TIP TIG焊具备独特的送丝机构、焊枪设计以及热丝功能，实现了氩弧焊的单手操作，并且可以实现氩弧焊的全位置半自动焊接。TIP TIG 焊接系统工作原理及设备实物如图1 所示，由图1（a）可知，TIP TIG 焊接系统由焊接电源、热丝电源、送丝机构及焊枪组成[6]。TIP TIG 采用四辊送丝装置及送丝系统一体化的焊枪，实现了自动送丝，有效解决了手动送丝的不足。

图1 TIP TIG焊接系统工作原理及设备实物图

TIP TIG焊丝高频振动对熔池产生强烈搅拌，有利于筛除熔池中的气体和杂质，增强结晶过程中液态金属流动，从而有效减少焊缝缺陷，提高焊接质量。TIP TIG焊采用的保护气体为纯氩气，在一定程度上降低了气体成本，也避免了混合气体配比对焊接接头性能的影响[7]。

TIP TIG 实现了自动送丝，能够以一定角度按恒定速度进行送丝，使进入熔池的焊丝长度始终保持一致，从而保证焊接局部冶金过程持续稳定进行，保证了焊接质量；同时，较小的焊接电流和热输入可缩小热影响区，使工件发生较小的热变形，保证焊缝表面成形良好，提高焊接效率，可控性强，节省了生产和施工的成本，TIP TIG焊接设备实物如图1（b）所示。

2.2 焊接工艺试验

焊接工艺评定试验根据 ASME IX《容器和工艺管线焊接和钎焊工艺评定》[8]进行，选用AWSA5.9 ER2209 焊丝，焊材牌号为Sandvik 22.8.3L，直径为1.0 mm，焊丝化学成分见表3。焊接坡口采用单面V形坡口，如图2所示，坡口角度60°，焊接位置为6点钟，极性为DCEN直流正接，为保证焊接接头性能试验取样，焊接2个试验件。

表3 AWSA5.9 ER2209焊丝化学成分 %

图2 焊接坡口示意图

采用纯度为99.997%的氩气为保护气体，气体流量为15～25 L/min，焊接前除去母材表面的水分，用丙酮擦拭焊丝，焊接时背面也需要充氩气保护，避免背部焊道氧化，使用测氧仪测氧气含量，保证背部充氧气浓度低于0.1%时开始焊接。每焊完一层，须进行层间清理，控制焊接热输入在0.7～1.5 kJ/mm，层间温度低于150 ℃。焊道布置如图3所示，详细焊接工艺参数见表4。

图3 焊道布置图

表4 TIP TIG焊接工艺参数

在焊接过程中，焊接参数对焊接接头的金相组织有很大影响，从而影响焊接接头的性能。若焊接过程中的线能量过低，冷却速度过快，则在焊缝及热影响区就会产生较多铁素体和氮化物，氮化物主要以Cr2N、CrN相析出，其析出是因为在高温时，氮在铁素体中溶解度较高，在快速冷却时溶解度又开始下降，尤其在靠近焊缝表面的部位，由于铁素体含量较高，氮化物更易析出，从而降低了焊接接头的耐蚀性和韧性；若焊接线能量过高，冷却速度过慢，则焊缝及热影响区可能析出金属间化合物，该金属间化合物为金属间脆化相（如高铬σ相），同样会使焊接接头的耐蚀性和韧性降低[9-10]。由此可见，在不影响焊接接头质量的前提下，焊接时应尽量选用较小的焊接线能量，使焊接部位可以快速冷却，保证得到满足要求的铁素体和奥氏体组织。

3 结果分析

3.1 无损检测

焊接完成后对焊接接头进行外观检测VT 和无损检测RT、PT，焊缝无焊接缺陷，焊缝VT和NDT 检测结果均满足ASME IX 和ASME B31.3[11]标准的接收准则要求，满足东方13-2、陆丰14-4、恩平20-4/18-6、惠州26-6 海洋工程油气田开采平台组块建造项目规格书的要求。

3.2 力学性能试验

根据ASME IX 标准[10]、ASTM A370 标准[12]、ASTM E340 标准[13]、ASTM E92 标准[14]的相关要求对焊接接头取样并进行力学性能试验，包括拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、宏观形貌和硬度测试。拉伸试验结果见表5，冲击试验结果见表6；显微硬度测量位置如图4 所示，显微硬度试验结果数据见表7。

表5 TIP TIG焊接接头试样拉伸试验结果

表6 TIP TIG夏比冲击试验结果

图4 硬度测量位置示意图

表7 显微硬度测试结果

拉伸试验数据及结果表明：焊接接头拉伸试验断裂位置在母材区域，焊接接头的最小抗拉强度高于ASTM A790 UNS S31803 标准规定的母材最小抗拉强度，拉伸试验结果符合ASME IX 标准的接收准则要求，焊接接头具有较高的强度。

弯曲试验结果表明：焊接接头弯曲试样在弯轴直径为4t, 弯曲角度为180°三点弯曲后，弯曲试样表面未出现任何裂纹，弯曲试验结果合格，且满足ASME IX标准。

低温冲击试验结果表明：根据ASME B31.3标准，冲击试样规格为55 mm×10 mm×75 mm，低温冲击温度在-46 ℃基础上对应再降低2.8 ℃，焊缝区、熔合线、熔合线+2 mm、熔合线+5 mm区域的低温冲击功最小值均大于项目要求（27 J）低温冲击试验满足项目规格书规定的要求，这表明焊接接头的韧性较好。

硬度试验结果表明，焊接接头的最大硬度值出现在焊缝根部区，最大硬度为294HV10，低于项目规格书规定的334HV10。

焊接接头的力学性能试验表明，UNS S31803双相不锈钢TIP TIG 焊获得的焊接接头焊接质量完好，具有良好的塑性和韧性。

3.3 相比例分析

根据ASTM E562标准[15]，对焊缝和热影响区进行相比例（铁素体含量测试）分析。沿焊缝横截面截取试样，经打磨抛光处理，用NaOH 溶液（100 mL H2O + 40 g NaOH）电解腐蚀，然后在显微镜下观察，奥氏体呈白色，铁素体呈灰色或棕黄色。

沿焊缝和热影响区纵向上分别取10 处位置进行显微组织观察，具体位置如图5所示，典型位置点（焊缝1、焊缝2、HAZ-1 和HAZ-2）的显微组织如图6 所示，通过格栅点数计算焊缝和热影响区中的铁素体相比例，测试结果见表8。

图5 相比例（铁素体含量测试）检测位置

图6 TIP TIG不同位置处的显微组织

根据表8 可知，焊缝区的铁素体相平均含量为42.5%，热影响区铁素体相平均含量为47%，焊缝和热影响区的铁素体相含量均在35%～60%，满足项目规格书的要求（焊缝金属和HAZ 的铁素体含量为35%～60%）。

表8 相比例分析测试结果

3.4 金属间化合物检测

根据ASTM A923 标准[16]方法A 对焊接接头金属间化合物进行检测，金属间化合物的具体检测位置如图7 所示，金属间化合物的显微组织如图8 所示。

图7 金属间化合物的检测位置

由图8可知，UNS S31803双相不锈钢TIP TIG焊接接头显微组织均为奥氏体+铁素体，无连续晶界沉淀，未见其他金属间化合物和析出相产生。金属间化合物检测结果满足项目规格书的要求。

图8 TIP TIG不同位置处的金属间化合物显微组织形貌

3.5 点蚀试验

根据ASTM G48[17]中的要求对TIP TIG 焊焊接接头做点腐蚀试验，制取3组腐蚀试样并分别编号1#、2#、3#，试样规格为50 mm×25 mm×8 mm。腐蚀液为100 g FeCl3·6H2O+900 mL 蒸馏水，试验温度为（25±2）℃，采用恒温水浴控制温度，试验时间为24 h，点蚀试验结果见表9。