奥氏体不锈钢背面免充氩焊接工艺研究

邵洪波， 张西雷， 薛 慧

（中国石油天然气管道第二工程有限公司， 江苏 徐州221006）

不锈钢是指耐空气、 水、 酸、 碱、 盐及其溶液和其他介质腐蚀的具有高度化学稳定性的钢种。 这类钢除了具有优良的耐蚀性能外， 还具有优良的力学性能、 工艺性能及较大的工作温度范围 （－269～1 050 ℃）， 适于制造要求耐腐蚀、 抗氧化、 耐高温和超低温的零部件和设备， 广泛应用于石油、 化工、 电力、 仪表、 食品、 医疗、 航空及核能等工业部门。 不锈钢按使用状态的金相组织分类， 可分为铁素体不锈钢、 马氏体不锈钢、 奥氏体不锈钢、 铁素体+奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢5 种。 其中奥氏体不锈钢应用最为广泛 （约占70%）， 与其他不锈钢相比具有优良的耐蚀性、 耐热性和高塑性， 其焊接性能比较好。 管线施工中常用的奥氏体不锈钢有06Cr19Ni10 （304） 和022Cr17Ni12Mo2 （316L），笔者以022Cr17Ni12Mo2 （316L） 为例进行介绍。

1 022Cr17Ni12Mo2 奥氏体不锈钢简介

022Cr17Ni12Mo2 （316L） 奥氏体不锈钢的平均含碳量为0.022%， 属于超低碳不锈钢， 具有良好的耐晶间腐蚀能力及较高的抗刀状腐蚀能力，其抗拉强度不低于480 MPa， 化学成分见表1。

表1 022Cr17Ni12Mo2 奥氏体不锈钢的化学成分 %

2 施工现状

不锈钢焊接常采用钨极氩弧焊或钨极氩弧焊根焊、 焊条电弧焊填充盖面的方法， 根焊焊缝背面多采用专用装置进行局部充氩， 充氩置换时间根据施工经验或专用装置测定管内氧含量， 充氩置换完全后方可进行焊接。 焊接过程中因背面焊缝一直需要充氩保护， 则无法进行其他焊口的组对及焊接， 严重影响施工效率。 连头管段焊接施工时， 充氩装置无法放入管内， 需对整个管段充氩， 增加了施工成本， 降低了施工工效。

3 背面免充氩工艺

根焊采用自保护药皮氩弧焊丝代替背面内充氩， 药皮氩弧焊丝采用与母材奥氏体不锈钢022Cr17Ni12Mo2 （316L） 相匹配的ER316L Mod（modified） 焊丝， 其结构与焊条基本相同， 内部为实心焊丝， 外面涂敷一层药皮， 抗拉强度不低于490 MPa， 其化学成分见表2。

填充盖面焊采用实心氩弧焊丝ER316L， 其抗拉强度及化学成分要求与药皮氩弧ER316L Mod 焊丝相同。

表2 ER316L Mod 焊丝化学成分 %

3.1 焊前清理及组对

焊件组对前应采用无水酒精或丙酮溶液将焊件坡口及其两侧20 mm 范围内的杂质、 污物、 毛刺等清理干净， 按工艺要求进行组对， 其坡口形式及尺寸如图1 所示。 采用定位焊进行组对， 焊接定位焊缝时， 应采用与根部焊道相同的焊接材料和焊接工艺， 定位焊缝应沿圆周均布2～3 点，长度宜为12～17 mm。 定位焊缝应焊透及熔合良好， 并应无裂纹、 气孔、 夹渣等缺陷。

图1 背面免充氩焊接坡口形式及尺寸

3.2 焊接工艺参数

为了避免焊缝枝晶粗大和过热区晶粒粗化，致使偏析增大， 奥氏体不锈钢焊接应尽量采用小的焊接热输入， 而且不应预热， 并降低层间温度。 为了减小热输入， 不应过分增大焊接速度， 而应适当降低焊接电流。 因为过高的焊接速度， 必然加快高温冷却速度， 使焊缝凝固过程承受大的收缩应变。 降低焊接电流可减少熔深， 热裂倾向小， 焊接过程中应严格控制层间温度不超过100 ℃。 具体焊接工艺参数见表3。

表3 022Cr17Ni12Mo2 奥氏体不锈钢背面免充氩焊接工艺参数

4 焊后检验

4.1 外观检查

焊后将焊缝表面的飞溅物清理干净。 对焊缝表面进行外观检查， 未发现裂纹、 气孔、 夹渣、夹钨、 焊瘤、 未焊透及未熔合等缺陷， 焊缝余高1.0～2.0 mm。

4.2 无损检测

无损检测按照NB/T 47013—2015 《承压设备无损检测》 执行， 进行100%射线检测， 检测结果为Ⅰ级（不低于Ⅱ级合格）。

4.3 拉伸试验

根据要求分别从平焊和仰焊位置取样（如图2所示）， 将试样加工后进行拉伸试验， 试验按照GB/T 228.1—2010 规定的试验方法测定焊接接头的抗拉强度， 试验参数及结果见表4。 由表4 可以看出， 试样抗拉强度均高于母材要求的抗拉强度480 MPa， 试验结果合格。

图2 焊接接头拉伸试样

表4 焊接接头拉伸试验参数及结果

4.4 弯曲试验

根据要求分别从管周向45°位置分别取面弯、 背弯试样各两件 （如图3 所示）。 将试样加工后进行弯曲试验， 试验按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》 进行， 试验参数及试验结果见表5。 由表5 可以看出， 试验结果合格。

图3 焊接接头弯曲试样

表5 弯曲试验参数及结果

4.5 晶间腐蚀试验

为验证奥氏体不锈钢背面免充氩工艺的可靠性， 除标准要求的拉伸、 弯曲试验外， 还进行了晶间腐蚀试验。 晶间腐蚀试验采用不锈钢硫酸－硫酸铜腐蚀试验方法， 试验周期16 h。 晶间腐蚀试样如图4 所示， 由图4 可以看出， 弯曲后的晶间腐蚀试样在10 倍放大镜下观察， 未发现晶间腐蚀裂纹。

图4 焊接接头晶间腐蚀试样

5 结 论

（1） 通过外观检查、 无损检测以及焊接接头的拉伸试验、 弯曲试验和晶间腐蚀试验， 结果表明可采用自保护药皮焊丝进行根焊， 代替传统的内充氩进行焊缝背面保护， 022Cr17Ni12Mo2（316L） 奥氏体不锈钢背面免充氩焊接工艺质量可靠， 焊接接头的抗拉强度、 塑性和耐腐蚀性能可以满足相应的标准要求。

（2） 采用奥氏体不锈钢背面免充氩焊接工艺解决了现场施工充氩时间长的难题， 同时由于不再采用内充氩装置， 现场施工在确保钢管平稳的情况下， 可连续组对和交叉焊接， 可大大缩短施工周期， 提高了经济效益。