254SMO超级不锈钢焊接工艺试验研究及应用

朱 池，徐进安

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433)

中船澄西船舶修造有限公司(以下简称我公司)承接了 “斯克莱娜”船新装排烟脱硫装置改装工程，该装置属于绿色环保新型设备，由于我公司首次承接该类型设备的改装工程，且系统中大量管系及附件、泵的材料均为254SMO超级不锈钢(也称超级奥氏体不锈钢)，制造要求和焊接技术难度较大，因此对254SMO超级不锈钢进行分析、研究与试验应用。254SMO超级不锈钢是一种对多种腐蚀媒介都有耐蚀性的高镍、高钼、高铬的“三高”低碳合金。高合金化的254SMO超级不锈钢不仅在空气、海水、中性盐和碱等弱酸弱碱介质中通常不会发生腐蚀现象[1]，而且在恶劣的介质中，也具有很好的抗点蚀和缝隙腐蚀能力，其中高镍含量避免合金出现氯离子应力腐蚀开裂。在该改装工程中，对254SMO超级不锈钢管材从焊接参数选择、焊接操作技术、变形控制等方面进行反复试验，解决了254SMO超级不锈钢焊接技术难题，掌握了管系焊接技巧，为脱硫装置改装工程的顺利推进打下了坚实基础。

1 焊接性分析

254SMO超级不锈钢制造工艺要求较高，难度系数较大。因高合金具有难熔炼、易开裂、易偏析等特性，需要经过冶炼、热轧、连铸、加热及酸洗等，才能制造出254SMO超级不锈钢材料[2]。此次改装项目中，254SMO超级不锈钢管管径27～609 mm，壁厚3～6 mm，其化学成分与力学性能如表1、表2所示。

表1 254SMO超级不锈钢的化学成分 %

表2 254SMO超级不锈钢的力学性能

由表1和表2可以看出，254SMO超级不锈钢的化学成分和力学性能与常用奥氏体不锈钢有很大差异，焊接性能也有较大区别，焊接时要综合考虑各种工艺参数因素。254SMO超级不锈钢焊接难点主要有以下4点。

1)焊接易产生热裂纹。254SMO超级不锈钢具有较高的热裂纹敏感性。热裂纹可分为结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹。结晶裂纹常产生在焊道弧坑处，从焊缝中心纵向开裂且有氧化色；液化裂纹多出现在焊接接头的热影响区，也会在多层焊的层间焊缝中产生；高温失塑裂纹既可发生在熔合线附近，也能发生在焊缝及热影响区中。各种裂纹既可能是宏观裂纹，也可能是微观裂纹。

2)焊接接头易氧化。254SMO超级不锈钢在高温状态下易氧化，焊接过程中要求焊缝在高温时避免接触空气。若出现氧化现象，焊接接头的耐蚀性能将大幅降低，在熔池中氧化形成铬的氧化物，阻碍熔池中金属液的流动性，易造成焊缝的外观成形不良。

3)熔池流动性差。254SMO超级不锈钢液态焊缝金属流动性较差，不如碳钢、低合金钢焊缝熔池易浸润，采用加大焊接电流的方法也不能改变焊缝金属的流动性，还对流动性起反作用，这是镍基合金的固有焊接特性。若焊接电流过大，熔池过热且增大，裂纹热敏感性增强，熔池中的脱氧剂逸出，易产生气孔；采用熔化极活性气体保护焊(MAG)焊接时，容易使焊丝及其合金元素烧损，焊缝耐蚀性和强度降低[3]。又因熔池流动性差，坡口边缘熔合变差，故而焊接过程中采用横摆工艺，以获得良好的焊缝外观成形，摆幅的最大距离不能超过12 mm。焊接操作者在横摆到每侧焊缝的极限位置时要稍停顿1～2 s，使熔化的焊缝金属填满熔池，减少咬边和下凹缺陷，同时采用短弧过渡操作技术。

4)焊接热输入影响。采用高热输入的工艺参数对焊接254SMO超级不锈钢会产生副作用，在熔合线附近会产生退火和晶粒长大。高热输入将导致焊缝偏析、碳化物沉淀或其它有害的冶金现象，从而使焊接接头耐蚀性降低，热裂纹倾向变大，最终影响产品使用效果。

2 焊接试验与焊接工艺

2.1 焊接材料和方法的选择

根据254SMO超级不锈钢的焊接性分析，焊接材料使用SMT-625高合金焊材可以避免焊接过程中造成过多奥氏体转变、合金元素烧损及耐蚀性降低的现象，有利于焊接接头匹配母材性能。采用热输入量低的氩弧焊，为了控制接头过热和避免晶界析出，故而采用钨极氩焊打底、填充及盖面的方法。焊接设备采用手工氩弧焊焊机进行接头试样的焊接。

该项焊接试验母材为254SMO超级不锈钢管,其焊接试验管材规格为：D114 mm×6 mm×150 mm×4组管材。

2.2 接头形式设计

设计接头形式、坡口形式与尺寸见图1、图2。

图1 2G管子垂直固定焊接头以及坡口形式与尺寸

图2 5G管子水平固定焊接头以及坡口形式与尺寸

3 焊接工艺要领

1)焊前准备。 254SMO超级不锈钢管可以采用机械方式制备坡口。坡口及其两侧各30 mm范围内，应用机械方法及丙酮进行表面清理，清除表面的油污、金属屑、毛刺及其他污染物，其中标记需要用不含氯离子的专用笔。

2)焊接保护气体。采用氩气，其气体纯度≥99.99%，焊接时保护气体流量为10～15 L/min，管内采用充气保护，管内保护气体流量为10～20 L/min，焊接前预先充气时间不少于3 min。手工氩弧焊接时，提前和滞后4～5 s送气，保护熔池，以免焊缝金属氧化。

3)焊接电源极性。采用直流正接方式。相比直流反接方式，直流正接方式熔深大，焊缝窄、变形小、热影响区小，在保证焊透情况下，有利于减小焊接热输入量。

4)定位焊要求。采用对称四点定位焊，定位焊采用手工钨极惰性气体保护焊(TIG)，定位焊长度约10～15 mm，两端需要打磨成大于或等于45°的斜面，其中焊丝牌号为STM-625，直径2.0 mm。

5)焊接顺序及焊道布置。为保证焊接质量，采用氩弧焊打底、填充及盖面，每道或每层焊缝都采用钢丝刷清理。焊接顺序及焊道布置见图3。

图3焊接顺序及焊道布置

6)焊接工艺参数。具体焊接参数如表3和表4所示。

表3 2G管子垂直固定焊焊接参数

焊接过程中工艺要求包括：打底焊道完成后应及时进行填充、盖面焊接；焊缝应一次连续完成，同时应避免产生弧坑裂纹；若有弧坑裂纹，应马上剔除并补焊，以免影响后道焊接质量。

表4 5G管子水平固定焊焊接参数

7)防止焊接裂纹。在焊接收弧时要填满弧坑，在收弧处多停留3～5 s，避免产生弧坑裂纹，若出现弧坑裂纹，应马上打磨处理。焊接过程中避免材料与铜和锌发生接触，以免铜和锌渗入钢的晶粒边界引起裂纹。

8)控制层间温度。为了确保254SMO超级不锈钢管焊接性，应严格控制焊接热输入，焊接采用较小焊接工艺参数，尽量采用快速多层多道焊以减少焊道热输入量，并通过多层焊的后热作用细化晶粒。多层焊时要控制层间温度，热输入尽量控制在0.8～1.5 kJ/mm范围内，多层焊层间温度小于100 ℃，避免接头过热。在焊接过程中，焊丝不能脱离氩气保护范围。

9)防止焊接缩孔。焊接254SMO不锈钢高合金钢收弧时，由于焊接接头吸收了大量焊接热，焊缝区域金属的温度不断升高，收弧速度过快造成高温液态的金属快速冷却、收缩，液态熔池金属来不及填满弧坑容易产生缩孔。为防止缩孔，在根部焊时尽量将电弧引到坡口面处进行收弧减少缩孔；在进行填充盖面时，收弧时轻抬焊枪，适当的加快行走速度，使熔池逐渐缩小(在氩弧焊机中设置电流衰减作用)，直至熄弧[4]。

10)焊后处理。焊后呈过热或氧化颜色的部位，应打磨处理。焊后采取缓慢冷却措施，以防弧坑裂纹。为获得最佳耐腐蚀能力，焊后应对焊件做酸性钝化处理。

4 焊后试验结果与分析

管材焊接工艺评定采用LR船级社规范、ASME Section Ⅸ及ASME B31.3标准要求。各项性能测试试验是严格按照船级社标准及产品使用工况要求进行。管材焊缝试验内容包括外观检测、无损探伤、拉伸试验、弯曲试验、宏观金相、微观金相、晶间腐蚀试验及铁素体含量测定。

1)无损探伤检测。焊接结束后48 h，对焊接试样焊缝进行100%外观检测：焊缝及热影响区未发现咬边、表面气孔、裂纹及夹渣等缺陷，焊缝余高0.3～1.2 mm，焊缝与母材之间过渡光顺；焊接试验焊缝经过X光射线探伤和PT检测，未发现裂纹、未熔合、未焊透及夹渣等缺陷，焊接接头焊缝质量满足检验标准要求。

2)拉伸试验。将拉伸试验样固定在某型万能试验机上，拉伸试验断裂位置为母材处。拉伸试验结果满足LR船级社规范要求。

3)弯曲试验。将加工好的弯曲试验样固定在某型万能试验机上进行弯曲试验。按照规范要求，使用24 mm直径的压头进行2正弯和2反弯弯曲试验。弯曲角度180°，在弯曲后的试样表面无裂纹且在任何方向上无长度大于3 mm的其他缺陷，试验结果满足规范要求。

4)宏观金相及微观金相。焊缝宏观断面检查发现焊缝完全焊透，无裂纹、气孔、未熔合等缺陷，试样检测合格。

5)晶间腐蚀试验。按LR船级社规范要求试验，弯曲试样内外表面无裂纹缺陷，试验合格。

6)铁素体含量测定。从金相图知，焊缝根部：铁素体含量1%；热影响区：未发现明显铁素体含量；熔合线：极少量铁素体，没有发现晶间析出相的现象。以上试验数据满足技术条件要求，可以保证力学性能和耐蚀性能。见图4、图5、图6、图7、图8所示。

图4 焊缝根部金相200x

图5 焊缝熔合线金相200x

图6 热影响区金相200x

图7 熔合线区域金相 500x

图8 热影响区金相500x

7)抗点腐蚀试验。进行ASTM G48 C类腐蚀试验，试验合格,试验结果及评定见表5所示。

表5 抗点腐蚀试验结果及评定

抗点腐蚀结果表明，焊接接头具有良好的耐氯离子局部腐蚀性能。晶间腐蚀试验结果表明，焊接接头具有良好的抗晶间腐蚀性能。

综上所述，制定的焊接工艺试验满足工艺要求，焊接参数合适，试验结果满足LR及相关标准技术要求，焊接接头性能符合设计图纸要求。

5 实船应用

254SMO超级不锈钢管系制作消耗了5 t左右管材和75 kg焊材。此次 “斯克莱娜”船脱硫装置改装工程中，焊接工艺评定试验取得了LR船级社认可，同时254SMO超级不锈钢管系的成功焊接，对今后船舶建造、修理及改装结构制造提供了技术经验。

6 结束语

采用钨极氩弧焊打底、填充及盖面，配合SMT-625焊丝焊接254SMO超级不锈钢管系，在合理的焊接工艺条件下，能够得到高质量的焊接接头，焊接工艺评定试验的各项性能指标均符合技术要求，基本掌握了254SMO超级不锈钢管材的钨极氩弧焊打底、填充及盖面的管系焊接技术，为今后脱硫改装生产提供了技术经验。

对于焊接操作者，焊接过程中一些细小的缺陷也必须消除，防止影响后道工序，必须严格地执行焊接工艺才能保证焊缝质量。

经过对254SMO超级不锈钢的工艺试验，编制了合理的焊接工艺，确保焊接工艺评定试样的力学性能、抗晶间腐蚀和抗点腐蚀性能。在改装船脱硫装置的生产制作过程中，根据焊接工艺评定结果，制定了详细的工艺规程，并在焊接施工过程中严格按照工艺执行，保证了254SMO超级不锈钢管系的生产进度和焊接质量。