奧氏體不銹鋼背面免充氬焊接工藝研究

邵洪波， 張西雷， 薛 慧

（中國石油天然氣管道第二工程有限公司， 江蘇 徐州221006）

不銹鋼是指耐空氣、 水、 酸、 堿、 鹽及其溶液和其他介質腐蝕的具有高度化學穩定性的鋼種。 這類鋼除了具有優良的耐蝕性能外， 還具有優良的力學性能、 工藝性能及較大的工作溫度范圍 （－269～1 050 ℃）， 適于制造要求耐腐蝕、 抗氧化、 耐高溫和超低溫的零部件和設備， 廣泛應用于石油、 化工、 電力、 儀表、 食品、 醫療、 航空及核能等工業部門。 不銹鋼按使用狀態的金相組織分類， 可分為鐵素體不銹鋼、 馬氏體不銹鋼、 奧氏體不銹鋼、 鐵素體+奧氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼5 種。 其中奧氏體不銹鋼應用最為廣泛 （約占70%）， 與其他不銹鋼相比具有優良的耐蝕性、 耐熱性和高塑性， 其焊接性能比較好。 管線施工中常用的奧氏體不銹鋼有06Cr19Ni10 （304） 和022Cr17Ni12Mo2 （316L），筆者以022Cr17Ni12Mo2 （316L） 為例進行介紹。

1 022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼簡介

022Cr17Ni12Mo2 （316L） 奧氏體不銹鋼的平均含碳量為0.022%， 屬于超低碳不銹鋼， 具有良好的耐晶間腐蝕能力及較高的抗刀狀腐蝕能力，其抗拉強度不低于480 MPa， 化學成分見表1。

表1 022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼的化學成分 %

2 施工現狀

不銹鋼焊接常采用鎢極氬弧焊或鎢極氬弧焊根焊、 焊條電弧焊填充蓋面的方法， 根焊焊縫背面多采用專用裝置進行局部充氬， 充氬置換時間根據施工經驗或專用裝置測定管內氧含量， 充氬置換完全后方可進行焊接。 焊接過程中因背面焊縫一直需要充氬保護， 則無法進行其他焊口的組對及焊接， 嚴重影響施工效率。 連頭管段焊接施工時， 充氬裝置無法放入管內， 需對整個管段充氬， 增加了施工成本， 降低了施工工效。

3 背面免充氬工藝

根焊采用自保護藥皮氬弧焊絲代替背面內充氬， 藥皮氬弧焊絲采用與母材奧氏體不銹鋼022Cr17Ni12Mo2 （316L） 相匹配的ER316L Mod（modified） 焊絲， 其結構與焊條基本相同， 內部為實心焊絲， 外面涂敷一層藥皮， 抗拉強度不低于490 MPa， 其化學成分見表2。

填充蓋面焊采用實心氬弧焊絲ER316L， 其抗拉強度及化學成分要求與藥皮氬弧ER316L Mod 焊絲相同。

表2 ER316L Mod 焊絲化學成分 %

3.1 焊前清理及組對

焊件組對前應采用無水酒精或丙酮溶液將焊件坡口及其兩側20 mm 范圍內的雜質、 污物、 毛刺等清理干凈， 按工藝要求進行組對， 其坡口形式及尺寸如圖1 所示。 采用定位焊進行組對， 焊接定位焊縫時， 應采用與根部焊道相同的焊接材料和焊接工藝， 定位焊縫應沿圓周均布2～3 點，長度宜為12～17 mm。 定位焊縫應焊透及熔合良好， 并應無裂紋、 氣孔、 夾渣等缺陷。

圖1 背面免充氬焊接坡口形式及尺寸

3.2 焊接工藝參數

為了避免焊縫枝晶粗大和過熱區晶粒粗化，致使偏析增大， 奧氏體不銹鋼焊接應盡量采用小的焊接熱輸入， 而且不應預熱， 并降低層間溫度。 為了減小熱輸入， 不應過分增大焊接速度， 而應適當降低焊接電流。 因為過高的焊接速度， 必然加快高溫冷卻速度， 使焊縫凝固過程承受大的收縮應變。 降低焊接電流可減少熔深， 熱裂傾向小， 焊接過程中應嚴格控制層間溫度不超過100 ℃。 具體焊接工藝參數見表3。

表3 022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼背面免充氬焊接工藝參數

4 焊后檢驗

4.1 外觀檢查

焊后將焊縫表面的飛濺物清理干凈。 對焊縫表面進行外觀檢查， 未發現裂紋、 氣孔、 夾渣、夾鎢、 焊瘤、 未焊透及未熔合等缺陷， 焊縫余高1.0～2.0 mm。

4.2 無損檢測

無損檢測按照NB/T 47013—2015 《承壓設備無損檢測》 執行， 進行100%射線檢測， 檢測結果為Ⅰ級（不低于Ⅱ級合格）。

4.3 拉伸試驗

根據要求分別從平焊和仰焊位置取樣（如圖2所示）， 將試樣加工后進行拉伸試驗， 試驗按照GB/T 228.1—2010 規定的試驗方法測定焊接接頭的抗拉強度， 試驗參數及結果見表4。 由表4 可以看出， 試樣抗拉強度均高于母材要求的抗拉強度480 MPa， 試驗結果合格。

圖2 焊接接頭拉伸試樣

表4 焊接接頭拉伸試驗參數及結果

4.4 彎曲試驗

根據要求分別從管周向45°位置分別取面彎、 背彎試樣各兩件 （如圖3 所示）。 將試樣加工后進行彎曲試驗， 試驗按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》 進行， 試驗參數及試驗結果見表5。 由表5 可以看出， 試驗結果合格。

圖3 焊接接頭彎曲試樣

表5 彎曲試驗參數及結果

4.5 晶間腐蝕試驗

為驗證奧氏體不銹鋼背面免充氬工藝的可靠性， 除標準要求的拉伸、 彎曲試驗外， 還進行了晶間腐蝕試驗。 晶間腐蝕試驗采用不銹鋼硫酸－硫酸銅腐蝕試驗方法， 試驗周期16 h。 晶間腐蝕試樣如圖4 所示， 由圖4 可以看出， 彎曲后的晶間腐蝕試樣在10 倍放大鏡下觀察， 未發現晶間腐蝕裂紋。

圖4 焊接接頭晶間腐蝕試樣

5 結 論

（1） 通過外觀檢查、 無損檢測以及焊接接頭的拉伸試驗、 彎曲試驗和晶間腐蝕試驗， 結果表明可采用自保護藥皮焊絲進行根焊， 代替傳統的內充氬進行焊縫背面保護， 022Cr17Ni12Mo2（316L） 奧氏體不銹鋼背面免充氬焊接工藝質量可靠， 焊接接頭的抗拉強度、 塑性和耐腐蝕性能可以滿足相應的標準要求。

（2） 采用奧氏體不銹鋼背面免充氬焊接工藝解決了現場施工充氬時間長的難題， 同時由于不再采用內充氬裝置， 現場施工在確保鋼管平穩的情況下， 可連續組對和交叉焊接， 可大大縮短施工周期， 提高了經濟效益。