1 序言

雙相不銹鋼是鐵素體相和奧氏體相各約占一半的不銹鋼，其綜合了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn),，具有良好的韌性,、強(qiáng)度及優(yōu)良的耐氯化物腐蝕性能[1-3]。超級(jí)雙相不銹鋼進(jìn)一步提高了Cr,、Ni含量,，其強(qiáng)度比普通雙相不銹鋼高很多，且PRE值（抗點(diǎn)蝕當(dāng)量）一般＞40,，具有極高的耐點(diǎn)蝕,、縫隙腐蝕與應(yīng)力腐蝕性能，可用于非常惡劣的腐蝕環(huán)境中,。

由于S32750超級(jí)雙相不銹鋼具有優(yōu)異的耐蝕性和力學(xué)性能,，因此被廣泛應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)。目前，海上油氣開發(fā)的主流生產(chǎn)方式——FPSO（海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船）,，為應(yīng)對(duì)海洋環(huán)境富含的氯離子,、硫化氫腐蝕問(wèn)題，管道系統(tǒng)大量使用S32750超級(jí)雙相不銹鋼,，其中涉及大量超級(jí)雙相不銹鋼管的焊接[4,，5]。因此,，為了得到合適的焊接工藝,，獲得良好的焊接接頭性能，本文研究了保護(hù)氣體對(duì)S32750超級(jí)雙相不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響規(guī)律,，進(jìn)行了不同正面保護(hù)氣體及背面保護(hù)氣體下的鎢極氬弧焊焊接試驗(yàn),，并針對(duì)不同保護(hù)氣體所得到的焊接接頭的鐵素體含量、力學(xué)性能及耐腐蝕性能進(jìn)行對(duì)比分析,，最終獲得超級(jí)雙相不銹鋼S32750的最佳保護(hù)氣體配比,，獲得了合適的超級(jí)雙相不銹鋼鎢極氬弧焊焊接工藝。

2 試驗(yàn)材料和焊接工藝

試驗(yàn)所用材料為f356mm×15mm的S32750超級(jí)雙相不銹鋼管,。試驗(yàn)采取鋼管對(duì)接的形式,，6G位置。坡口采用機(jī)械加工,，試驗(yàn)焊接坡口形式如圖1所示,。焊接方法采用GTAW焊接工藝，焊材采用山特維克25.10.4.L ER2594焊絲,。母材及焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分見表1,。

圖1   試驗(yàn)焊接坡口形式     

為獲得焊接質(zhì)量較好的焊接接頭，焊接過(guò)程采用多層多道焊接,，層間溫度控制在100℃以下,，以減少焊縫在脆性轉(zhuǎn)變區(qū)間的停留時(shí)間，減少脆性相的析出,。焊接參數(shù)見表2,。

焊接過(guò)程中，為了避免焊縫氧化,，管子正面,、背面均需通保護(hù)氣體對(duì)焊接熔池進(jìn)行保護(hù)。為了試驗(yàn)保護(hù)氣體對(duì)S32750超級(jí)雙相不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響,，設(shè)計(jì)了4組不同配比的正面及背面保護(hù)氣組合的試驗(yàn)方案,，見表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 RT檢測(cè)結(jié)果

對(duì)4組試樣進(jìn)行RT檢測(cè),，結(jié)果見表4,，只有第4組試驗(yàn)焊接接頭檢測(cè)不合格,，焊縫中出現(xiàn)密集氣孔。將第3組與第4組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,，可以看出,，對(duì)于S32750超級(jí)雙相不銹鋼焊接，背面保護(hù)氣N2含量過(guò)多會(huì)造成焊縫中滲氮,，部分N2在熔池冷卻過(guò)程中來(lái)不及逸出,，導(dǎo)致在焊縫中形成氮?dú)饪住?/p>

3.2 力學(xué)性能

對(duì)RT檢測(cè)合格的3組試樣進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表5,。焊接接頭的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,。

3.3 相比例分析

對(duì)RT檢測(cè)合格的3組試樣的焊接接頭進(jìn)行顯微組織分析，各組試樣母材區(qū),、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)的組織如圖2所示,。按照ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭進(jìn)行相比例分析,，依據(jù)相比例網(wǎng)格圖分別測(cè)量母材區(qū),、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)中的鐵素體含量，每個(gè)區(qū)域取15張金相照片,，綜合求平均值,，得出鐵素體測(cè)量結(jié)果見表6。

由圖2可以看出,，S32750母材區(qū)的顯微組織主要為在鐵素體相基體上均勻分布著條塊狀的奧氏體組織,，奧氏體相和鐵素體相界限分明，兩者含量接近相等,，且均保持軋制態(tài)的組織形貌,。而熱影響區(qū)的顯微組織與母材相比，晶粒明顯粗大,，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的溫度超過(guò)固溶處理溫度,，部分奧氏體相溶入鐵素體基體，且發(fā)生晶粒長(zhǎng)大,，但仍然保持軋制態(tài)的條狀組織形貌,。焊縫區(qū)晶粒細(xì)小，奧氏體在鐵素體基體上呈針狀不規(guī)則分布,。這主要是由于焊接過(guò)程是不平衡冷卻過(guò)程,，奧氏體從鐵素體中析出的過(guò)程沒(méi)有規(guī)律，而焊接過(guò)程冷卻速度很快,，焊縫中的奧氏體來(lái)不及長(zhǎng)大即冷卻到轉(zhuǎn)變溫度以下,。

a）試樣1母材區(qū)

b）試樣2母材區(qū)

c）試樣3母材區(qū)

d）試樣1熱影響區(qū)

e）試樣2熱影響區(qū)

f）試樣3熱影響區(qū)

g）試樣1焊縫區(qū)

h）試樣2焊縫區(qū)

i）試樣3焊縫區(qū)

圖2   不同保護(hù)氣體焊接接頭的金相組織

將3個(gè)試樣不同區(qū)域的金相組織進(jìn)行對(duì)比，可以看出,，母材區(qū)的金相組織基本上沒(méi)有受到焊接的影響,，三者母材區(qū)的相比例基本一樣。3個(gè)試樣的熱影響區(qū)及焊縫區(qū)的相比例均具有較大區(qū)別，總體順序?yàn)殍F素體含量：試樣1＞試樣2＞試樣3,。試樣1的鐵素體相的比例比母材區(qū)要大,；而試樣2在正面保護(hù)氣中加入了2%的N2，其焊縫區(qū)及熱影響區(qū)中奧氏體含量大大增加,；試樣3中在背面保護(hù)氣中加入了2%的N2,，其焊縫區(qū)及熱影響區(qū)中奧氏體含量比試樣2要高，但是提升并不明顯,。

分析原因：氮元素為強(qiáng)奧氏體化元素,，保護(hù)氣體中加入氮元素有利于增加熱影響區(qū)及焊縫區(qū)的奧氏體組織。當(dāng)保護(hù)氣體中無(wú)N2加入時(shí),，由于焊接時(shí)的不平衡冷卻過(guò)程,，奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，而且焊接過(guò)程中出現(xiàn)氮化物的析出,。這是因?yàn)楦邷貢r(shí)N在鐵素體中溶解度較高,，而快速冷卻時(shí)溶解度急劇下降，尤其在焊縫近表面,，由于N的損失,，使鐵素體量增加，氮化物更容易析出,。因此與母材相比,，熱影響區(qū)及焊縫區(qū)奧氏體相的數(shù)量少得多。當(dāng)保護(hù)氣體中加入2%N2后,，焊縫中會(huì)滲入少量N元素,，而且由于N元素分壓的增大，大大減少了熱影響區(qū)和焊縫區(qū)氮化物的析出量,，從而大大增加了熱影響區(qū)及焊縫中奧氏體的含量,。當(dāng)背面保護(hù)氣體中加入2%N2時(shí)，由于打底焊道與背面保護(hù)氣體直接接觸,，可提高打底焊道的奧氏體含量,，這對(duì)提高焊接接頭內(nèi)壁的耐腐蝕性能是有利的，但是對(duì)整個(gè)焊接接頭的奧氏體含量提升效果不是太明顯,，而且當(dāng)背面保護(hù)氣體中N2的加入量過(guò)多時(shí),，容易在焊縫中形成氮?dú)饪兹毕荨?/p>

3.4 耐腐蝕性能

按照ASTM G48 方法A對(duì)3個(gè)試樣的焊接接頭進(jìn)行麻點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，點(diǎn)蝕試樣尺寸為t×25mm×50mm,。在腐蝕試驗(yàn)前,，按照DNVGL-RU-SHIP-Pt2規(guī)范，先對(duì)點(diǎn)蝕試樣進(jìn)行酸洗鈍化,，在溫度為60℃的20%HNO3+5%HF溶液中酸洗5min,。然后將試樣稱重后,，進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)，將整個(gè)試樣浸入標(biāo)準(zhǔn)要求的FeCl3溶液中,，在40℃恒溫條件下腐蝕24h,，試驗(yàn)后進(jìn)行稱重，計(jì)算腐蝕率,。試驗(yàn)結(jié)果見表7,。

通過(guò)點(diǎn)蝕試驗(yàn)，可知正面,、背面保護(hù)氣均為Ar的情況下,，焊接接頭腐蝕率較大，點(diǎn)蝕腐蝕率雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,，但是如果焊接過(guò)程控制不好,，有較大幾率出現(xiàn)點(diǎn)蝕不合格的情況。而正面保護(hù)氣體加入2%N2時(shí),，焊接接頭腐蝕率大大降低,，表明N2的加入有利于耐腐蝕性的提高。背保護(hù)氣體中加入2%N2,，可進(jìn)一步提高焊接接頭的耐腐蝕性,。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）正面保護(hù)氣加入2%N2，可有效提高焊接接頭的奧氏體含量,，有效提高接頭的耐腐蝕性能。

2）背面保護(hù)氣加入2%N2,，對(duì)整個(gè)焊接接頭的奧氏體含量提升效果不太明顯,，但是可以進(jìn)一步提高焊接接頭的耐腐蝕性能，尤其是管焊縫內(nèi)壁的耐腐蝕性能,。

3）背面保護(hù)氣加入過(guò)量N2,，會(huì)導(dǎo)致焊縫中形成氮?dú)饪兹毕荨?/p>

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