焊接方法對雙相不銹鋼焊接接頭耐蝕性的影響

張三艷等

摘要： 采用氣體保護鎢極氬弧焊（GTAW）、焊條電弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）對2205雙相不銹鋼進行焊接，采用光學顯微鏡對接頭組織進行觀察，采用數(shù)點法計算鐵素體相的含量，測定接頭的耐點蝕和耐CO2應力腐蝕性能，研究焊接方法對接頭耐蝕性的影響。結(jié)果表明，焊接方法影響焊縫組織形態(tài)及鐵素體含量。GTAW焊縫由不規(guī)則的條狀組織和兩相交織分布的塊狀組織組成，而SMAW和SAW焊縫為方位不一的條狀組織和少量的塊狀組織。GTAW和SMAW焊縫的鐵素體含量為35%～55%，而SAW的不足20%。接頭的耐蝕性與鐵素體相比例密切相關(guān)，GTAW、SMAW和SAW的耐蝕性依次降低。從鐵素體相比例和耐蝕性角度考慮，GTAW和SMAW能夠獲得滿意的焊接接頭。

關(guān)鍵詞： 雙相不銹鋼；焊接方法；焊接接頭；耐腐蝕性能

中圖分類號： TG442

Abstract： Duplex stainless steel 2205 was fabricated by gas tungsten arc welding （GTAW）， shielded metal arc welding （SMAW） and submerged arc welding （SAW） respectively. Microstructure was observed by an optical microscope， and the ferrite content was calculated using counting point method. Moreover， the pitting corrosion test and resistance to stress corrosion characterized by CO2 were measured to investigate the effect of welding process on the corrosion resistance properties of the welded joint. The results show that the effect of welding process on the microstructure morphology of weld metal and the ferrite content is obvious. The weld metal with GTAW consists of both irregular strip microstructure and block microstructure with its two phases interleaving distribution， while the weld metal with SMAW and SAW is composed of a great amount of strip microstructure whose grain orientations are different and a small amount of block microstructure. The ferrite content of the weld metal with GTAW and SMAW is the range of 35%-55%， while that of the weld metal with SAW is lower than 20%. The corrosion resistance properties of the welded joint are related to the ferrite content. The corrosion resistance properties of GTAW are higher than that of SMAW， and that SMAW are higher than SAW. Considering the ferrite phase ratio and corrosion resistance properties， GTAW and SMAW are preferred.

Key words： duplex stainless steel（DSS）； welding process； welded joint； corrosion resistance properties

0前言

2205雙相不銹鋼具有較高的屈服強度、良好的塑性和低溫韌性，以及優(yōu)良的耐應力腐蝕、晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕性能，廣泛應用于化工、石油能源及海洋工程等領(lǐng)域，是目前應用最普遍的雙相不銹鋼[1]。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼導熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、熱裂傾向小，但仍然被公認為較難焊接的材料[2， 3]，存在的主要問題是焊接熱循環(huán)引起的焊縫耐蝕性以及塑韌性降低[4， 5]。由于雙相不銹鋼的性能優(yōu)良，幾乎所有的焊接方法均可用于雙相不銹鋼，常用的方法有氣體保護鎢極氬弧焊（GTAW）、氣體保護金屬極弧焊（MIG）、藥芯焊絲電弧焊（FCW）、焊條電焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）等。本文針對雙相不銹鋼接頭的耐蝕性降低的問題，研究了GTAW、SMAW以及SAW三種焊接方法對2205雙相不銹鋼接頭的耐腐蝕性能的影響，為其焊接方法的選擇提供理論依據(jù)。

1實驗材料與方法

11焊接材料及工藝

試樣母材為2205雙相不銹鋼管，其化學成分如表1所示。分別采用GTAW、SMAW和SAW三種焊接方法對其進行焊接，焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊接完成后，經(jīng)過無損檢測合格，再對焊接接頭的耐蝕性進行

12鐵素體相比例實驗

鐵素體相比例實驗按照ASTM E562進行。首先，對試樣進行粗磨、細磨、拋光，采用30 g KOH+30 g K3Fe（CN）6+100 mLH2O著色腐蝕劑進行腐蝕，腐蝕后鐵素體呈灰色，奧氏體呈白色。將腐蝕后的試樣在萊卡共聚焦DM2500M/S6D顯微鏡下觀察微觀組織，放大倍數(shù)為500倍，觀察位置覆蓋了整個焊接接頭的厚度方向。然后，對焊縫區(qū)、母材及熱影響區(qū)的鐵素體含量通過人工數(shù)點的方法確定鐵素體相比例。實驗測試每個視野網(wǎng)格包含100個（10×10）等間距的點，每個區(qū)域為10個測量視野，合計1000個點。

13點蝕實驗

點蝕實驗按照ASTM G48 Method A進行。首先，將試樣的各個面用1000號砂紙磨光。然后，將試樣放在恒溫浴槽中的腐蝕液中，腐蝕介質(zhì)為100 g FeCl3·6H2O+900 mL蒸餾水，實驗溫度22℃，實驗時間為72 h。用腐蝕速率評定接頭的耐點蝕性能。

14CO2應力腐蝕實驗

CO2應力腐蝕實驗按照ASTM G39進行。實驗溫度為50℃，CO2分壓為10 kPa，使用四點彎曲方法進行試驗，實驗溶液為10%NaCl和0.5%的CH3COOH，PH值控制在4.5，施加應力為90%的名義屈服強度。用腐蝕速率評定接頭的耐CO2應力腐蝕性能。

2結(jié)果及分析

2.1顯微組織

母材及不同焊接方法所得接頭的焊縫及熱影響區(qū)的組織形貌如圖1～圖2所示。由圖1可知，母材2205的顯微組織由約50%的鐵素體（灰色）和約50%的奧氏體（白色）雙相組成，且鐵素體和奧氏體組織沿軋制方向呈帶狀分布。由圖2a，2b，2c可知，從焊縫鐵素體中析出的奧氏體分布于鐵素體的晶界或晶內(nèi)，但是焊接方法影響焊縫中鐵素體的形貌特征。GTAW焊縫由于焊接熱輸入小，組織細小，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征，在塊狀組織中，γ相被α相包圍在一起，且塊狀γ相中還有點狀的α相。SMAW和SAW焊縫為方位不一的條狀組織形態(tài)和少量的塊狀組織，由于熱輸入大，導致晶粒粗大。另外，焊縫中鐵素體的含量與焊接熱輸入密切相關(guān)，焊接熱輸入較大鐵素體含量較低，這是因為焊接熱輸入大，高溫停留時間長，奧氏體有充分的時間從鐵素體中析出。圖1母材顯微組織由圖2d，2e，2f可知，熱影響區(qū)組織形態(tài)與母材類似，由條狀或塊狀的奧氏體和鐵素體相間排列。

2.2鐵素體相比例實驗

要保證雙相不銹鋼焊接接頭具有同母材相近的優(yōu)良耐腐蝕性能，焊接接頭中鐵素體和奧氏體要保持一定的比例，相關(guān)標準規(guī)定鐵素體含量在35%～55%，能保證焊接接頭具有良好的耐蝕性能。因此，測定焊接接頭的相比例是非常必要的。2205雙相不銹鋼GTAW、SMAW和SAW接頭母材、焊縫、熱影響區(qū)的鐵素體含量如圖3所示。由圖可知，三種焊接方法接頭母材和熱影響區(qū)的鐵素體含量較高，焊縫區(qū)鐵素體含量較少。GTAW和SMAW焊接方法所得到的焊縫和熱影響區(qū)中的鐵素體含量均能滿足35%～55%的比例，因此可以認定GTAW和SMAW雙向不銹鋼焊接接頭組織中相比例是可以滿足要求的。但是，SAW接頭熱影響區(qū)的鐵素體含量滿足要求，而焊縫區(qū)鐵素體含量不足20%，因而認定SAW不合格。SAW接頭焊縫區(qū)的鐵素體含量低與焊接熱輸入密切相關(guān)，當焊接熱輸入高時，冷卻時間得到延長，提升了轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定了相平衡，奧氏體轉(zhuǎn)變較完全，導致鐵素體含量較低，這與圖1～圖2所示的組織特征所得結(jié)論一致。

2.3點蝕實驗

GTAW、SMAW和SAW接頭點蝕實驗結(jié)果見表3。由表可知，焊接方法不同，點蝕速率稍有差別，GTAW的點蝕速率最低，SMAW的點蝕速率較高，SAW的點蝕速率最高。點蝕速率的高低與接頭組織中兩相的比例有關(guān)，兩相的比例在50%左右時耐蝕性最好，所得實驗結(jié)果與鐵素體相比例實驗結(jié)果一致。

2.4CO2應力腐蝕實驗

GTAW、SMAW和SAW接頭耐應力腐蝕實驗結(jié)果如表4所示。由表可知，雖然經(jīng)過7天腐蝕，GTAW、

（1） 焊接方法影響焊縫組織形貌。GTAW焊縫焊接熱輸入小，組織細小，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征。SMAW和SAW熱輸入大，晶粒粗大，焊縫為方位不一的條狀組織形態(tài)和少量的塊狀組織。

（2） 焊接方法對焊縫的鐵素體含量影響較大。GTAW和SMAW焊縫的鐵素體含量為35%～55%，而SAW焊縫的鐵素體含量不足20%。

（3） 焊接方法影響接頭的耐點蝕和CO2應力腐蝕性能。GTAW，SMAW和SAW接頭的耐點蝕和CO2應力腐蝕敏感性依次增加。

（4） 鑒于2205雙相不銹鋼接頭的鐵素體相比例和耐蝕性要求，GTAW和SMAW能夠獲得滿意的接頭。若采用SAW，應嚴格控制焊接熱輸入，以保證焊縫的鐵素體相比例。

參考文獻

[1]張建勛， 李為衛(wèi). 2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬組織與沖擊韌性[J]. 焊管， 2006， 29（ 5 ）： 21-24.

[2]Mats Liljas. The welding metallurgy of duplex steel [C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 25- 39.

[3]Rouault P， Bonnet C. Make the duplex and super-duplex welding easier through metallurgical and practical simple recommendations[C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 95-97.

[4]Kordatos J D， Fourlaris G， Papadimitriou G. The effect of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of UNS 31803 duplex stainless steel welds[J]. Scripta Mater， 2001， 44（3）： 401-408.

[5]熊慶人， 霍春勇， 李為衛(wèi)， 等.2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為[J].焊接學報， 2007， 28（11）： 53-57.

13點蝕實驗

點蝕實驗按照ASTM G48 Method A進行。首先，將試樣的各個面用1000號砂紙磨光。然后，將試樣放在恒溫浴槽中的腐蝕液中，腐蝕介質(zhì)為100 g FeCl3·6H2O+900 mL蒸餾水，實驗溫度22℃，實驗時間為72 h。用腐蝕速率評定接頭的耐點蝕性能。

14CO2應力腐蝕實驗

CO2應力腐蝕實驗按照ASTM G39進行。實驗溫度為50℃，CO2分壓為10 kPa，使用四點彎曲方法進行試驗，實驗溶液為10%NaCl和0.5%的CH3COOH，PH值控制在4.5，施加應力為90%的名義屈服強度。用腐蝕速率評定接頭的耐CO2應力腐蝕性能。

2結(jié)果及分析

2.1顯微組織

母材及不同焊接方法所得接頭的焊縫及熱影響區(qū)的組織形貌如圖1～圖2所示。由圖1可知，母材2205的顯微組織由約50%的鐵素體（灰色）和約50%的奧氏體（白色）雙相組成，且鐵素體和奧氏體組織沿軋制方向呈帶狀分布。由圖2a，2b，2c可知，從焊縫鐵素體中析出的奧氏體分布于鐵素體的晶界或晶內(nèi)，但是焊接方法影響焊縫中鐵素體的形貌特征。GTAW焊縫由于焊接熱輸入小，組織細小，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征，在塊狀組織中，γ相被α相包圍在一起，且塊狀γ相中還有點狀的α相。SMAW和SAW焊縫為方位不一的條狀組織形態(tài)和少量的塊狀組織，由于熱輸入大，導致晶粒粗大。另外，焊縫中鐵素體的含量與焊接熱輸入密切相關(guān)，焊接熱輸入較大鐵素體含量較低，這是因為焊接熱輸入大，高溫停留時間長，奧氏體有充分的時間從鐵素體中析出。圖1母材顯微組織由圖2d，2e，2f可知，熱影響區(qū)組織形態(tài)與母材類似，由條狀或塊狀的奧氏體和鐵素體相間排列。

2.2鐵素體相比例實驗

要保證雙相不銹鋼焊接接頭具有同母材相近的優(yōu)良耐腐蝕性能，焊接接頭中鐵素體和奧氏體要保持一定的比例，相關(guān)標準規(guī)定鐵素體含量在35%～55%，能保證焊接接頭具有良好的耐蝕性能。因此，測定焊接接頭的相比例是非常必要的。2205雙相不銹鋼GTAW、SMAW和SAW接頭母材、焊縫、熱影響區(qū)的鐵素體含量如圖3所示。由圖可知，三種焊接方法接頭母材和熱影響區(qū)的鐵素體含量較高，焊縫區(qū)鐵素體含量較少。GTAW和SMAW焊接方法所得到的焊縫和熱影響區(qū)中的鐵素體含量均能滿足35%～55%的比例，因此可以認定GTAW和SMAW雙向不銹鋼焊接接頭組織中相比例是可以滿足要求的。但是，SAW接頭熱影響區(qū)的鐵素體含量滿足要求，而焊縫區(qū)鐵素體含量不足20%，因而認定SAW不合格。SAW接頭焊縫區(qū)的鐵素體含量低與焊接熱輸入密切相關(guān)，當焊接熱輸入高時，冷卻時間得到延長，提升了轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定了相平衡，奧氏體轉(zhuǎn)變較完全，導致鐵素體含量較低，這與圖1～圖2所示的組織特征所得結(jié)論一致。

2.3點蝕實驗

GTAW、SMAW和SAW接頭點蝕實驗結(jié)果見表3。由表可知，焊接方法不同，點蝕速率稍有差別，GTAW的點蝕速率最低，SMAW的點蝕速率較高，SAW的點蝕速率最高。點蝕速率的高低與接頭組織中兩相的比例有關(guān)，兩相的比例在50%左右時耐蝕性最好，所得實驗結(jié)果與鐵素體相比例實驗結(jié)果一致。

2.4CO2應力腐蝕實驗

GTAW、SMAW和SAW接頭耐應力腐蝕實驗結(jié)果如表4所示。由表可知，雖然經(jīng)過7天腐蝕，GTAW、

（1） 焊接方法影響焊縫組織形貌。GTAW焊縫焊接熱輸入小，組織細小，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征。SMAW和SAW熱輸入大，晶粒粗大，焊縫為方位不一的條狀組織形態(tài)和少量的塊狀組織。

（2） 焊接方法對焊縫的鐵素體含量影響較大。GTAW和SMAW焊縫的鐵素體含量為35%～55%，而SAW焊縫的鐵素體含量不足20%。

（3） 焊接方法影響接頭的耐點蝕和CO2應力腐蝕性能。GTAW，SMAW和SAW接頭的耐點蝕和CO2應力腐蝕敏感性依次增加。

（4） 鑒于2205雙相不銹鋼接頭的鐵素體相比例和耐蝕性要求，GTAW和SMAW能夠獲得滿意的接頭。若采用SAW，應嚴格控制焊接熱輸入，以保證焊縫的鐵素體相比例。

參考文獻

[1]張建勛， 李為衛(wèi). 2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬組織與沖擊韌性[J]. 焊管， 2006， 29（ 5 ）： 21-24.

[2]Mats Liljas. The welding metallurgy of duplex steel [C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 25- 39.

[3]Rouault P， Bonnet C. Make the duplex and super-duplex welding easier through metallurgical and practical simple recommendations[C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 95-97.

[4]Kordatos J D， Fourlaris G， Papadimitriou G. The effect of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of UNS 31803 duplex stainless steel welds[J]. Scripta Mater， 2001， 44（3）： 401-408.

[5]熊慶人， 霍春勇， 李為衛(wèi)， 等.2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為[J].焊接學報， 2007， 28（11）： 53-57.

13點蝕實驗

點蝕實驗按照ASTM G48 Method A進行。首先，將試樣的各個面用1000號砂紙磨光。然后，將試樣放在恒溫浴槽中的腐蝕液中，腐蝕介質(zhì)為100 g FeCl3·6H2O+900 mL蒸餾水，實驗溫度22℃，實驗時間為72 h。用腐蝕速率評定接頭的耐點蝕性能。

14CO2應力腐蝕實驗

CO2應力腐蝕實驗按照ASTM G39進行。實驗溫度為50℃，CO2分壓為10 kPa，使用四點彎曲方法進行試驗，實驗溶液為10%NaCl和0.5%的CH3COOH，PH值控制在4.5，施加應力為90%的名義屈服強度。用腐蝕速率評定接頭的耐CO2應力腐蝕性能。

2結(jié)果及分析

2.1顯微組織

母材及不同焊接方法所得接頭的焊縫及熱影響區(qū)的組織形貌如圖1～圖2所示。由圖1可知，母材2205的顯微組織由約50%的鐵素體（灰色）和約50%的奧氏體（白色）雙相組成，且鐵素體和奧氏體組織沿軋制方向呈帶狀分布。由圖2a，2b，2c可知，從焊縫鐵素體中析出的奧氏體分布于鐵素體的晶界或晶內(nèi)，但是焊接方法影響焊縫中鐵素體的形貌特征。GTAW焊縫由于焊接熱輸入小，組織細小，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征，在塊狀組織中，γ相被α相包圍在一起，且塊狀γ相中還有點狀的α相。SMAW和SAW焊縫為方位不一的條狀組織形態(tài)和少量的塊狀組織，由于熱輸入大，導致晶粒粗大。另外，焊縫中鐵素體的含量與焊接熱輸入密切相關(guān)，焊接熱輸入較大鐵素體含量較低，這是因為焊接熱輸入大，高溫停留時間長，奧氏體有充分的時間從鐵素體中析出。圖1母材顯微組織由圖2d，2e，2f可知，熱影響區(qū)組織形態(tài)與母材類似，由條狀或塊狀的奧氏體和鐵素體相間排列。

2.2鐵素體相比例實驗

要保證雙相不銹鋼焊接接頭具有同母材相近的優(yōu)良耐腐蝕性能，焊接接頭中鐵素體和奧氏體要保持一定的比例，相關(guān)標準規(guī)定鐵素體含量在35%～55%，能保證焊接接頭具有良好的耐蝕性能。因此，測定焊接接頭的相比例是非常必要的。2205雙相不銹鋼GTAW、SMAW和SAW接頭母材、焊縫、熱影響區(qū)的鐵素體含量如圖3所示。由圖可知，三種焊接方法接頭母材和熱影響區(qū)的鐵素體含量較高，焊縫區(qū)鐵素體含量較少。GTAW和SMAW焊接方法所得到的焊縫和熱影響區(qū)中的鐵素體含量均能滿足35%～55%的比例，因此可以認定GTAW和SMAW雙向不銹鋼焊接接頭組織中相比例是可以滿足要求的。但是，SAW接頭熱影響區(qū)的鐵素體含量滿足要求，而焊縫區(qū)鐵素體含量不足20%，因而認定SAW不合格。SAW接頭焊縫區(qū)的鐵素體含量低與焊接熱輸入密切相關(guān)，當焊接熱輸入高時，冷卻時間得到延長，提升了轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定了相平衡，奧氏體轉(zhuǎn)變較完全，導致鐵素體含量較低，這與圖1～圖2所示的組織特征所得結(jié)論一致。

2.3點蝕實驗

GTAW、SMAW和SAW接頭點蝕實驗結(jié)果見表3。由表可知，焊接方法不同，點蝕速率稍有差別，GTAW的點蝕速率最低，SMAW的點蝕速率較高，SAW的點蝕速率最高。點蝕速率的高低與接頭組織中兩相的比例有關(guān)，兩相的比例在50%左右時耐蝕性最好，所得實驗結(jié)果與鐵素體相比例實驗結(jié)果一致。

2.4CO2應力腐蝕實驗

GTAW、SMAW和SAW接頭耐應力腐蝕實驗結(jié)果如表4所示。由表可知，雖然經(jīng)過7天腐蝕，GTAW、

（1） 焊接方法影響焊縫組織形貌。GTAW焊縫焊接熱輸入小，組織細小，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征。SMAW和SAW熱輸入大，晶粒粗大，焊縫為方位不一的條狀組織形態(tài)和少量的塊狀組織。

（2） 焊接方法對焊縫的鐵素體含量影響較大。GTAW和SMAW焊縫的鐵素體含量為35%～55%，而SAW焊縫的鐵素體含量不足20%。

（3） 焊接方法影響接頭的耐點蝕和CO2應力腐蝕性能。GTAW，SMAW和SAW接頭的耐點蝕和CO2應力腐蝕敏感性依次增加。

（4） 鑒于2205雙相不銹鋼接頭的鐵素體相比例和耐蝕性要求，GTAW和SMAW能夠獲得滿意的接頭。若采用SAW，應嚴格控制焊接熱輸入，以保證焊縫的鐵素體相比例。

參考文獻

[1]張建勛， 李為衛(wèi). 2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬組織與沖擊韌性[J]. 焊管， 2006， 29（ 5 ）： 21-24.

[2]Mats Liljas. The welding metallurgy of duplex steel [C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 25- 39.

[3]Rouault P， Bonnet C. Make the duplex and super-duplex welding easier through metallurgical and practical simple recommendations[C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 95-97.

[4]Kordatos J D， Fourlaris G， Papadimitriou G. The effect of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of UNS 31803 duplex stainless steel welds[J]. Scripta Mater， 2001， 44（3）： 401-408.

[5]熊慶人， 霍春勇， 李為衛(wèi)， 等.2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為[J].焊接學報， 2007， 28（11）： 53-57.