熱輸入對超級雙相不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響

劉 劍，牛虎理，孫 麗，何亞章，王 紅，孫欣妍

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

3.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井分公司，天津 300480

油氣田集輸管網輸送介質多為含Cl?、CO2、S等腐蝕性極強物質的液體或氣體，以往常用的碳素鋼難以滿足防腐要求，雙相不銹鋼由于具有良好的耐點蝕、應力腐蝕和晶間腐蝕性能廣泛應用于石油天然氣、化工、海洋工程等領域[1?3]。

S31803 雙相不銹鋼是使用最為廣泛的雙相不銹鋼之一，其鐵素體和奧氏體的含量各為50%，兼具了兩相組織的特點：鐵素體不銹鋼的高強度，耐腐蝕性和奧氏體不銹鋼優良的韌性與焊接性[4?7]。雙相不銹鋼的以上特點與焊縫中的組織和兩相比例有著直接關系，其中焊接熱輸入是保證焊接過程中焊接接頭和熱影響區的兩相比例的關鍵因素[8?10]。焊接時若使用過小的熱輸入，熱影響區的快速冷卻將導致奧氏體來不及析出，鐵素體含量過高，沖擊韌性下降；若使用過大的熱輸入，則會使冷卻速度太慢，延長焊縫高溫停留時間，雖然能夠得到足夠的奧氏體，但會導致鐵素體晶粒長大以及σ 相等脆性相的析出，造成焊接接頭脆化[11]。因此，要獲得優質的焊縫金屬必須嚴格控制焊接過程中的熱輸入量。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用ASTM A928 S31803 雙相不銹鋼管，尺寸規格為D323.9 mm × 25.4 mm，焊接方法為GTAW+SMAW，焊材材料分別為?2.0 mm 的ER316L 氬弧焊絲和?3.2 mm 的ER316L?16 焊條。母材和焊材成分見表1。

表1 母材和焊絲的化學成分

1.2 焊接工藝

管道接頭加工成如圖1 所示的單面V 形坡口形式，角度為60°～65°，鈍邊c為0.5～2.0 mm，根部間隙b為1.0～3.0 mm。為研究熱輸入對接頭組織性能影響，采用如表2 所示的4 組不同熱輸入的焊接參數進行焊接。其中，根焊和熱焊均為GTAW，保護氣為98%氬氣+2%氮氣，焊接過程中背面保持充氬狀態，防止被氧化。填充蓋面采用多層多道焊，促進奧氏體進一步析出，實現細化晶粒的目的。

圖1 坡口設計示意

表2 焊接熱輸入單位：kJ/mm

1.3 焊接接頭組織與性能試驗

試件焊接完成后，進行了焊接接頭無損檢測，包括外觀檢查、X 射線檢測。外觀檢查結果表明焊縫無裂紋、未熔、夾渣、氣孔、咬邊等缺陷，探傷檢驗結果表明，焊縫及熱影響區均無不合格缺陷。為進一步研究接頭組織與性能和熱輸入的關系，開展了焊接接頭試件的沖擊試驗、微觀金相試驗、相比例試驗和點蝕試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 沖擊韌性性能分析

按照標準ASTM A370?22 要求，制取并完成低溫沖擊試驗，試驗溫度為0 ℃，表3記錄了4組試樣的焊縫和熱影響區沖擊功，二者關系如圖2所示。

圖2 沖擊功與熱輸入關系

表3 4組試樣沖擊功

隨著熱輸入的增加，試樣的沖擊韌性得到提升，在1.15～1.55 kJ/mm（此處熱輸入值為平均熱輸入值）區間內，沖擊功增加趨勢明顯，當熱輸入超過1.55 kJ/mm，沖擊功有小幅降低。因此，試驗結果表明，當熱輸入在合理范圍內，接頭的沖擊韌性較好，過低或過高都會引起沖擊韌性的降低。

2.2 微觀組織分析

取試樣剖面，經磨拋至鏡面，使用電解NaOH溶液（40 g NaOH+100 g H2O），按ASTM E562?11標準進行侵蝕，利用德國Zeiss 公司的光學金相顯微鏡觀察焊接接頭顯微組織，圖3 為3 號試樣中間厚度區域母材、熱影響區和焊縫微觀照片，未見碳化物、氮化物、σ 相和其他有害相。其中白色部分為奧氏體，灰黑色條塊狀部分為鐵素體。

圖3 微觀顯微組織

圖3（a）中，母材微觀組織中有規律地分布著鐵素體和奧氏體組織，奧氏體呈規則的帶狀分布于鐵素體上，兩相間界限清晰可見，約各占一半。圖3（b）中，熱影響區中兩相比例發生明顯變化，其中鐵素體相因焊接熱過程影響，晶粒較母材區域粗大，奧氏體數量銳減，呈零星的板條狀存在，且出現三類奧氏體：晶粒內奧氏體、晶粒邊界奧氏體和魏氏奧氏體[12?13]。圖3（c）焊縫區組織中奧氏體晶粒呈樹枝狀分布在鐵素體晶粒周圍，二者的分布較為凌亂，均勻性也比母材差[14?15]。由于處于焊縫中間厚度，受后續焊道熱循環加熱，鐵素體進一步轉變為奧氏體，其晶粒得到細化，兩相比例總體上奧氏體多于鐵素體。

2.3 鐵素體含量分析

按ASTM E562?11標準中表3（33%相對精度中的25點10個視場）在200倍放大倍率下，通過人工數點法對各區域鐵素體含量進行測量，測量結果見表4，1～4號試樣焊縫區域微觀組織見圖4。

圖4 試樣焊縫區域微觀組織

表4 焊縫區域鐵素體含量

焊接過程中熱輸入的高低會引起相變程度不同，1 號工藝熱輸入較低，鐵素體未充分轉變為奧氏體，因此鐵素體含量較高。隨著焊接熱輸入的增加，奧氏體在其與鐵素體晶界最先成核，之后是晶粒內部成核，最后是從晶界或晶粒內部形成二次奧氏體即魏氏體。因此，鐵素體含量總體趨勢是隨著熱輸入的增加而減少。4 號工藝由于焊縫在520～820 ℃溫度范圍長時間加熱，試樣焊縫區域出現了部分σ 相和二次奧氏體相，而σ 相會引起接頭韌性降低[16]，因此4 號試驗沖擊吸收功較3 號試樣有所降低。

嚴格控制熱輸入（采用3 號工藝）可以獲得適宜的兩相比例。若線能量過高，則冷卻過程比較長，奧氏體相的析出過多，鐵素體含量就會降低，接頭的耐腐蝕性能降低；若線能量過低，冷卻時間短，則只會析出較少的奧氏體相，鐵素體含量會過高，接頭韌性變差[17]。

2.4 耐FeCl3點蝕能力分析

按ASTM G48?11 方法A，將試樣浸入溫度為（22±2）℃的約6%濃度的FeCl3溶液中進行24 h 點腐蝕試驗[7]。腐蝕前后用天平進行稱重，計算失重。4 組試樣點蝕試驗詳細數據見表5，試樣腐蝕后照片如圖5 所示，經20 倍放大觀察，觀察表面是否出現點腐蝕痕跡。

圖5 接頭點蝕試驗后照片

表5 點蝕試驗后失重數據

結果表明，1 號試樣表面出現點蝕坑，其余3組試樣表面均未出現明顯的點腐蝕痕跡。1 號工藝由于熱輸入較小，焊縫組織冷卻快，奧氏體來不及充分析出，影響其接頭的耐蝕性。分析4組試樣腐蝕速率和鐵素體含量可以看出，在一定范圍內，熱輸入的增加會使奧氏體充分析出，兩相比例接近1∶1，能夠得到可靠的耐蝕性，而過高的熱輸入會破壞兩相比例[18?19]，從而降低接頭耐蝕性。

3 結論

1） 在一定范圍內，隨著熱輸入的增加，S31803 雙相不銹鋼焊接接頭沖擊韌性和耐點蝕性能得到提高。焊接熱輸入量在1.35～1.55 kJ/mm 范圍內，雙相鋼焊接接頭具有較好的兩相比例和耐點蝕性能。

2）母材、熱影響區和焊縫區域奧氏體組織的形狀存在差異，母材區域奧氏體呈規則的帶狀分布于鐵素體上，兩相約各占一半；熱影響區的奧氏體晶粒粗大，呈板條狀；焊縫區域的奧氏體呈樹枝狀分布在鐵素體晶粒周圍。

3）選用合適的熱輸入能夠控制兩相組織的比例，保證接頭的各項性能滿足標準要求，為雙相不銹鋼的焊接提供科學依據。