雙相不銹鋼2205的焊接工藝對(duì)鐵素體含量的影響

李超勝 劉寶鋒

摘要：文章通過對(duì)2205雙相不銹鋼性能分析，制定合理的焊接工藝，同時(shí)采用兩種不同的焊接方法進(jìn)行施焊，并對(duì)其進(jìn)行各種性能檢測(cè)。結(jié)果表明，由于焊前制定了良好的焊接工藝，層間溫度控制嚴(yán)格，焊接試板性能優(yōu)良，鐵素體含量滿足技術(shù)要求，抗晶間腐蝕和耐點(diǎn)蝕性能好，能應(yīng)用到生產(chǎn)制造中。

關(guān)鍵詞：雙相不銹鋼；焊接工藝；鐵素體；抗晶間腐蝕；耐點(diǎn)蝕性能 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG142 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0066-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.033

我公司在制作加氫反應(yīng)器時(shí)（管板、換熱管材質(zhì)為雙相鋼），由于設(shè)計(jì)文件對(duì)焊縫的鐵素體數(shù)要求為在35FN～65FN，還必須進(jìn)行耐晶間腐蝕試驗(yàn)（按E法進(jìn)行，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4334-2008）和耐點(diǎn)蝕性能試驗(yàn)（不銹鋼三氯化鐵法，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17897-1999）。因此為了保證焊接質(zhì)量，特意對(duì)其焊接性能做了研究，進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，滿足了技術(shù)要求，并將工藝應(yīng)用到產(chǎn)品制造中，獲得了成功。

1 材料性能

2205雙相不銹鋼由于具有奧氏體+鐵素體雙相組織，且兩個(gè)相組織的含量基本相當(dāng)，故兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)。屈服強(qiáng)度可達(dá)400～550MPa，是普通奧氏體不銹鋼的兩倍。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的韌性高，脆性轉(zhuǎn)變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時(shí)又保留了鐵素體不銹鋼的一些特點(diǎn)，如475℃脆性、熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)小，具有超塑性及磁性等。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的強(qiáng)度高，特別是屈服強(qiáng)度顯著提高，且耐孔蝕性、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能也有明顯的改善。

2 焊接性能

2205具有良好的焊接性，冷裂紋和熱裂紋的敏感性較小。焊接前不預(yù)熱，焊后不進(jìn)行熱處理。焊接參數(shù)及焊材選擇合適時(shí)，焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。

3 焊接工藝評(píng)定

根據(jù)2205的材料性能及焊接性能，分別制作了2組工藝評(píng)定，規(guī)格為500×200×10mm。選用的焊接方法一組為鎢極氬弧焊（GTAW），另一組為焊條電弧焊（SMAW）。

3.1 焊材的選擇

雙相不銹鋼選用的焊材，其特點(diǎn)是焊縫組織為奧氏體占優(yōu)的雙相組織，主要耐蝕元素（鉻、鉬等）含量與母材相當(dāng)，從而保證與母材相當(dāng)?shù)哪臀g性。為了保證焊縫中奧氏體的含量，通常是提高鎳和氮的含量，也就是提高約2%～4%的鎳當(dāng)量。在雙相不銹鋼母材中，一般都有一定量的氮含量，在焊材中也希望有一定的含氮量，但一般不宜太高，否則會(huì)產(chǎn)生氣孔。這樣鎳含量較高就成了焊材與母材的一個(gè)主要區(qū)別。

根據(jù)耐腐蝕性、接頭韌性的要求不同來(lái)選擇與母材化學(xué)成分相匹配的焊材，因此焊絲選用哈爾濱焊接研究所生產(chǎn)的氬弧焊絲ER2209，規(guī)格Φ2.0mm；焊條選用天泰生產(chǎn)的E2209-16，規(guī)格Φ3.2mm。

3.2 坡口形式與尺寸

根據(jù)板材規(guī)格，坡口形式采用機(jī)械加工成單V形坡口，坡口形式如圖1所示：

3.3 焊接參數(shù)

評(píng)定選用的焊接參數(shù)見表2：

焊接時(shí)，為了確保道間溫度≤60℃，采用強(qiáng)制冷卻的方式降低道間溫度。前道焊接完成后，立即使用濕毛巾來(lái)回擦拭焊縫兩側(cè)母材，直至溫度降至60℃以下。在這種道間溫度下施焊，焊縫表面白中泛著金黃色，而非焊接奧氏體不銹鋼時(shí)溫度過高焊縫表面經(jīng)常出現(xiàn)的天藍(lán)色或淡藍(lán)色。采用鎢極氬弧焊（GTAW）時(shí)，正面與背面（打底焊）都應(yīng)充

氬氣保護(hù)，氬氣純度在99.99%以上，高純度可防止氧化。

3.4 理化試驗(yàn)

根據(jù)所選用的焊接參數(shù)進(jìn)行施焊，焊接完成后進(jìn)行理化試驗(yàn)。

3.4.1 力學(xué)性能試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。根據(jù)《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》（NB/T 47014-2011）規(guī)定，截取試樣，進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)：

第一，拉伸試驗(yàn)。2件試板拉伸試樣各2件，鎢極氬弧焊（GTAW）抗拉強(qiáng)度為826MPa和834MPa；焊條電弧焊（SMAW）抗拉強(qiáng)度為853MPa和867MPa。

第二，彎曲試驗(yàn)。面彎試樣各2件，背彎試樣各2件，彎心直徑40mm，彎曲角度180°。經(jīng)檢測(cè)無(wú)超過3mm開口缺陷。

3.4.2 焊縫鐵素體含量測(cè)定。由于2205是雙相不銹鋼，鐵素體約占50%左右，技術(shù)協(xié)議要求焊縫鐵素體數(shù)為35～65FN。檢測(cè)時(shí)，分別采用三種方法進(jìn)行檢測(cè)，分別是鐵素體磁性儀、WRC-1992圖法和舍夫勒（Schaeffler）圖法。前一種為磁性法，后兩種方法均為化學(xué)分析法。

第一，磁性法。采用校準(zhǔn)過的鐵素體磁性測(cè)定儀分別對(duì)2組試板焊縫表面測(cè)量鐵素體數(shù)，測(cè)量了5處（每處6個(gè)點(diǎn)），得到的鐵素體數(shù)見表3和表4：

鐵素體數(shù)滿足設(shè)備技術(shù)協(xié)議要求的35～65FN。

第二，化學(xué)分析法。

WRC-1992圖法。從WRC-1992圖可以看出，橫坐標(biāo)為鉻（Cr）當(dāng)量，即把焊縫金屬中這些合金元素的含量折算成鉻的相當(dāng)含量，其計(jì)算公式為：

Creq=Cr+Mo+0.7Nb

圖中縱坐標(biāo)為鎳（Ni）當(dāng)量，即把焊縫金屬中這些合金元素的含量折算成鎳的相當(dāng)含量，其計(jì)算公式為：

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

式中的元素符號(hào)為該元素在鋼中的含量。當(dāng)確定所需的7種合金元素的化學(xué)成分含量后，將其折算成鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量，然后根據(jù)鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的值，在不銹鋼組織圖上找出相應(yīng)的點(diǎn)。根據(jù)化學(xué)分析，得到7種合金元素含量見表5：

根據(jù)公式，將合金元素含量代入公式，得到鎳當(dāng)量與鉻當(dāng)量含量。從WRC-1992圖法查詢得到的鐵素體數(shù)即：鎢極氬弧焊（GTAW）焊縫鐵素體數(shù)為60FN，焊條電弧焊（SMAW）鐵素體數(shù)為40FN，皆滿足技術(shù)協(xié)議要求。

舍夫勒（Schaeffler）圖法。由舍夫勒?qǐng)D得出，橫坐標(biāo)為鉻（Cr）當(dāng)量，即把焊縫金屬中某些合金元素的含量折算成鉻的相當(dāng)含量，其計(jì)算公式為：

Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb/%

圖中縱坐標(biāo)為鎳（Ni）當(dāng)量，即把焊縫金屬中某些合金元素的含量折算成鎳的相當(dāng)含量，其計(jì)算公式為：

Nieq=Ni+30C+0.5Mn/%

式中的元素符號(hào)為該元素在鋼中的含量。當(dāng)確定所需的7種合金元素的化學(xué)成分含量后，將其折算成鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量，然后根據(jù)鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的值，在不銹鋼組織圖上找出相應(yīng)的點(diǎn)。根據(jù)檢測(cè)得到7種合金元素含量，見表6：

根據(jù)圖中公式，將合金元素含量代入公式，得到鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量。從舍夫勒（Schaeffler）圖法得到的鐵素體含量：鎢極氬弧焊（GTAW）焊縫約為45%；焊條電弧焊（SMAW）焊縫約為50%，都滿足技術(shù)協(xié)議要求。

3.4.3 晶間腐蝕試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 4334-2008中E法（硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法）進(jìn)行晶間腐蝕性能試驗(yàn)。試樣經(jīng)過16h腐蝕后，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。彎曲后的試樣在10倍放大鏡下觀察彎曲試驗(yàn)外表面，未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。

3.4.4 耐點(diǎn)蝕試驗(yàn)。雙相鋼點(diǎn)蝕性能試驗(yàn)采用不銹鋼三氯化鐵法，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17897-1999。試樣經(jīng)24h浸泡，計(jì)算腐蝕率。

腐蝕率=

式中：

W前——試驗(yàn)前試樣重量，g

W后——試驗(yàn)后試樣重量，g

S?——試樣總面積，m2

t——試驗(yàn)時(shí)間，h

根據(jù)計(jì)算，鎢極氬弧焊（GTAW）試樣腐蝕率為0.0011g/（m2·h）；焊條電弧焊（SMAW）試樣腐蝕率為0.0015g/（m2·h）。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用良好的焊接工藝既可以滿足技術(shù)協(xié)議要求的鐵素體含量，也可以獲得優(yōu)良的力學(xué)性能焊接接頭，同時(shí)焊縫的耐晶間腐蝕性能、耐點(diǎn)蝕性能也同樣滿足要求；（2）使用鎳含量比母材高、氮含量與母材相當(dāng)?shù)奶畛浣饘賹?duì)鐵素體的含量增加也產(chǎn)生影響；（3）采用兩種不同的焊接方法均可滿足焊接技術(shù)要求；（4）理想的雙相鋼組織應(yīng)為鐵素體和奧氏體各占50%，但實(shí)際上雙相組織在30%～60%都是正常的，都能滿足生產(chǎn)需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 金屬和合金的腐蝕——不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法（GB/T 4334-2008）[S].

[2] 不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)蝕試驗(yàn)方法（GB/T 17897-1999）[S].

[3] 北京石油化工工程有限公司.雙相不銹鋼（S22053）列管式反應(yīng)器管束工程技術(shù)條件[S].

[4] 邢卓.雙相不銹鋼2205的焊接[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2006，（1）.

作者簡(jiǎn)介：李超勝（1981-），男，安徽碭山人，陜西化建工程有限責(zé)任公司工程師，在職研究生，研究方向：非標(biāo)設(shè)備制造。

（責(zé)任編輯：蔣建華）