Ar-N2混合气体对奥氏体不锈钢焊缝化学成分的影响

程尚华，李晓明，王世达，李方亮，程方杰，3

(1.天津大学，天津 300350；2.蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司,山东 蓬莱 265607；3.天津市现代连接技术重点实验室，天津 300350)

0 前言

液化天然气(liquefied natural gas，LNG)作为清洁能源正在迎来蓬勃的发展，全世界尤其是中国对于天然气的应用范围也在迅速的扩大，所以市场上对LNG化工厂的需求与日俱增[1]。LNG化工厂项目中输送天然气的管道材质绝大部分都是SS304/304L，其焊接接头要求-196 ℃的低温冲击吸收能量不小于27 J，以及焊缝铁素体数(FN值)不大于7[2]。在美国标准中焊接SS304L的焊材ER308L的铁素体数要求一般在3～13即可，而常规焊材品牌得到的焊道FN值大约在8～10，因此需要特殊定制原材料才能将焊缝铁素体数控制在3～7之内，提高了焊材采购成本和难度。

已有文献表明，N是强奥氏体化元素[3-5]，通过加入N元素(保护气体中加氮气或药粉中加氮化物)调整和提高焊缝中的奥氏体含量是工程上常用的一种手段[6-8]。因此在GTAW焊接的保护气体中增加少量的氮气调整FN值是非常有工程价值的思路[9]，但Ar-N2混合气体对焊缝中各元素含量和FN值的影响有必要进行验证，为焊接技术在工程中的应用提供有力的支撑[10]。因此文中通过试验研究了保护气体中增加氮气对于GTAW多层多道焊缝中相关元素含量的影响规律。

1 试验方法

试验使用的母材为SS304L奥氏体不锈钢管，外径508 mm，壁厚32.54 mm。焊材选用直径φ2.4 mm的T-308L焊丝。母材和焊材的化学成分见表1。

表1 母材及熔敷金属化学成分(质量分数，%)

采用填丝GTAW焊工艺，保护气体流量为10～15 L/min，分别使用SG-A，SG-AN-0.5，SG-AN-1, SG-AN-1.5 4种保护气体进行焊接，该保护气体种类表示方法参考AWS A5.32[11]，焊接位置选择3G(立向上)，选用60°V形坡口，根部间隙3～6 mm，每一种保护气体施焊的焊缝长度为1/4周，每一层与上一层焊道长度减少17～20 mm，示意图如图1所示，焊接工艺参数见表2。

表2 焊接工艺参数

图1 焊道分布及坡口示意图

焊接完成后，对各焊道分别取样，并进行化学元素成分分析，考虑到每一层相对较薄，如果采用钻取粉末的方法，难以保证取样位置的准确性，因此采用光谱分析，检测设备为美国热电(THERMO FISHER CORPORATION)旗下的ARL3460光谱仪(采用深紫外光学系统)。

2 结果与分析

2.1 取样

在焊缝的每一层取一组金相试样，去除金相试样焊缝上的多余部分，并在表面进行化学成分分析，取样示例如图2所示。

图2 化学成分取样示例

由于采用人工操作原因，每一段的焊接层数并不完全相同，SG-A，SG-AN-0.5，SG-AN-1和SG-AN-1.5 4种保护气体进行焊接时，实际焊接层数依次为16，11，16和13。

2.2 化学元素成分

试验共检测了11 种化学元素成分，对所有数值进行整理统计，对同一接头中所有层化学元素成分含量取平均值。不同保护气体类型的焊缝化学成分具体趋势如图3所示，可以看到只有N元素随着保护气体中氩气比例的升高而明显增加，其它元素则没有明显的影响，这表明在保护气体中加氮并不会明显影响除N元素以外其它元素的过渡系数。

图3 各元素在不同保护气体类型的变化趋势

对每个元素在每层焊道上的变化趋势进行统计，发现C元素含量随着层数的增加而下降；Si，P，S和Nb元素含量随着层数的增加无明显上升或下降趋势；Mn，Ni，Cr，Mo和Cu元素含量随着层数的增加而上升；而N元素在纯氩保护气体SG-A时的含量随着层数的增加而稍微下降，在SG-AN-0.5，SG-AN-1，SG-AN-1.5 3种保护气体中N元素含量随着层数的增加而上升。从打底、填充到盖面，各元素含量在板厚方向随层数增加的变化趋势如图4～图6所示。

图4 N,C和Si元素含量在板厚方向的变化趋势

图5 Mn,P,S和Ni元素含量在板厚方向的变化趋势

图6 Cr,Mo，Cu和Nb元素含量在板厚方向的变化趋势

对比观察表1和图3不难看出：除N元素外，当某元素在焊材中的含量比母材高时，焊缝中该元素含量随着层数的增加而缓慢上升；当某元素在焊材中的含量比母材低时，焊缝中该元素含量随着层数的增加而缓慢下降；当某元素在焊材中的含量与母材相近时，焊缝中该元素含量随着层数的增加而没有明显变化趋势。由此可见，在奥氏体不锈钢SS304L纯氩气或Ar-N2混合气体的GTAW焊缝中，除N元素外，其它元素含量的变化趋势主要与母材和焊材的稀释有关，与保护气体中氮气含量无关。对每道焊缝的化学成分取平均值，使用WRC-1992 相图的当量公式分别计算焊缝的Creq和Nieq平均值，计算Creq/Nieq结果和实测FN值如图7所示。由图可知，Creq/Nieq值和焊缝铁素体数FN值有相同的变化趋势，都与氮气含量呈现反比关系

图7 不同保护气体铬镍当量比例及FN值变化趋势

Creq= Cr + Mo + 0.7Nb

(1)

Nieq= Ni + 35C + 20N + 0.25Cu

(2)

3 结论

(1)对于不同保护气体类型的焊缝化学成分，只有N元素随着保护气体中氮气比例的升高而明显增加，其它元素则没有明显的影响。这表明在保护气体中加氮气并不会明显影响除N元素以外其它元素的过渡系数。

(2)在不同保护气体的同一焊缝中，由于稀释率的原因，C元素含量随着层数的增加而下降；Si，P，S和Nb元素含量随着层数的增加无明显上升或下降趋势；Mn，Ni，Cr，Mo和Cu元素含量随着层数的增加而上升；而N元素在纯氩保护SG-A时的含量随着层数的增加而稍微下降，在SG-AN-0.5，SG-AN-1，SG-AN-1.5 3种保护气体中N元素含量随着层数的增加而上升。

(3)Creq/Nieq值和焊缝铁素体数FN值曲线有相同的变化趋势，都与氮气含量呈现反比关系。