焊接參數(shù)對(duì)2205雙相鋼焊接接頭理化性能的影響

馬蕊　暴春娟　孫忠國

摘 要：2205雙相不銹鋼憑借優(yōu)越的力學(xué)性能和耐蝕性能已得到廣泛應(yīng)用，雙相鋼的焊接技術(shù)也隨著行業(yè)的發(fā)展而得以深入，該材料焊接工序復(fù)雜，工藝要求高，加上雙相鋼設(shè)備焊接的特殊性和現(xiàn)場條件的限制，施焊難度很大，為了保證焊接接頭的優(yōu)良性能，控制焊接熱循環(huán)，注意焊接的質(zhì)量控制要點(diǎn)成為了焊接施工的關(guān)鍵。以本文主要分析的就是焊接參數(shù)對(duì)2205雙相鋼焊接接頭理化性能的影響，進(jìn)而提出以下內(nèi)容，希望能夠?yàn)橥袠I(yè)工作人員提供相應(yīng)的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：焊接參數(shù)；2205；雙相焊接；接頭理化性能；分析

1導(dǎo)言

雙相不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能及耐點(diǎn)蝕性能與焊縫中的兩相比例密切相關(guān)，而焊接熱輸入則對(duì)雙相組織的平衡起著關(guān)鍵作用。由于雙相不銹鋼在高溫固態(tài)下是穩(wěn)定的鐵素體組織，冷卻過程中才會(huì)生成奧氏體，焊接時(shí)若使用過小的熱輸入，熱影響區(qū)的快速冷卻將導(dǎo)致奧氏體來不及析出，鐵素體含量過高，沖擊韌性下降；若使用過大的熱輸入，則會(huì)使冷卻速度太慢，延長焊縫高溫停留時(shí)間，雖然能夠得到足夠的奧氏體，但會(huì)導(dǎo)致鐵素體晶粒長大以及σ相等脆性相的析出，造成焊接接頭脆化。

2 2205雙相鋼高壓空冷器制造技術(shù)要求

2.1采用比標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的硬度值控制以及更合適的硬度檢測方法

2.1.1硬度值控制

大多標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)2205材料規(guī)定硬度值均在HRC29-HRC31，較高的硬度對(duì)材料的軋制、焊接及使用會(huì)產(chǎn)生不利影響，從出現(xiàn)損傷的設(shè)備實(shí)際檢測中，其硬度值可達(dá)到HRC30以上。因此，在采用2205材料制造加氫高壓空冷器的技術(shù)要求中應(yīng)提出硬度控制要求，從產(chǎn)品的實(shí)際數(shù)據(jù)來看，母材和焊接接頭的硬度值控制在不大于HRC25更為合適。

2.1.2硬度檢測方法

雙相鋼的硬度檢測方法目前主要采用Rock-wellC和Vickers兩種方法，由于雙相鋼材料的特性，一般不采用HBW。維氏硬度和洛氏硬度之間的換算關(guān)系也不能采用ASTME140的規(guī)定。

2.2腐蝕試驗(yàn)方法的選擇及要求

用于煉油設(shè)備的雙相鋼腐蝕試驗(yàn)主要有ASGM48-2003《使用三氯化鐵溶液測定不銹鋼及合金耐點(diǎn)蝕和抗縫隙腐蝕試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》。該試驗(yàn)方法主要用于評(píng)定材料耐點(diǎn)蝕開裂的最低臨界溫度（CPT），國內(nèi)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17897-1999。對(duì)于2205雙相鋼，采用ASTMG48-2003時(shí)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法E。如果需要評(píng)價(jià)2205雙相鋼的抗縫隙腐蝕（CCT）的能力，可采用該標(biāo)準(zhǔn)的方法B。在雙相鋼的應(yīng)用工況中，介質(zhì)中通常含有氯離子和硫化物，因此需要評(píng)價(jià)雙相鋼耐氯離子腐蝕（CSSS）和抗硫化物應(yīng)力腐蝕（SCC）的能力。耐氯離子腐蝕（CSSS）試驗(yàn)可采用ASTMG36-1994《金屬和合金在沸騰氯化鎂溶液中抗應(yīng)力腐蝕破裂的評(píng)定》，國內(nèi)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為YB/T5362，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了試驗(yàn)方法，對(duì)于合格標(biāo)準(zhǔn)需要供需雙方商定?？沽蚧飸?yīng)力腐蝕（SCC）試驗(yàn)通常采用NACETM0177《金屬耐硫化物應(yīng)力腐蝕開裂和在硫化氫介質(zhì)中應(yīng)力腐蝕開裂的試驗(yàn)方法》，國內(nèi)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T4157。其合格標(biāo)準(zhǔn)可采用外加應(yīng)力在0.8Rm條件下試樣720h不斷裂的要求。

3試驗(yàn)材料和方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用寶鋼特鋼有限公司的 2205 雙相不銹鋼鋼板，制造標(biāo)準(zhǔn)為 ASME SA-240M-2010，交貨狀態(tài)為固溶+酸洗鈍化，規(guī)格為 15 mm×150 mm×800 mm。選擇焊接材料時(shí)既要保證焊縫金屬的力學(xué)性能不低于母材力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)值，又要保證焊縫金屬具有良好的兩相比例及耐點(diǎn)蝕能力。根據(jù)這一原則以及 ASME 標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ卷 C 篇規(guī)定，本試驗(yàn)選用安泰科技股份有限公司生產(chǎn)的焊條 E2209（φ4.0 mm）。母材及焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表 1 和表 2 所示。

3.2焊接工藝

采用焊條電弧焊，由于過低或過高的熱輸入均會(huì)給焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能帶來不利影響，焊接時(shí)必須嚴(yán)格控道間溫度小于等于150℃，熱輸入5～15 k J/cm。選取兩對(duì)試件，分別采用兩組不同的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，具體焊接工藝參數(shù)如表3所示。試件采用數(shù)控等離子切割下料，刨邊機(jī)加工坡口。焊前使用丙酮清理坡口表面及其周邊50 mm范圍內(nèi)的油污，道間清理采用不銹鋼專用鋼絲刷以保證焊接前焊道狀態(tài)良好，無影響焊接質(zhì)量的夾雜、污染等。

3.3檢測項(xiàng)目

3.3.1無損檢測

焊后按ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅴ卷第6章的要求對(duì)試件表面進(jìn)行100%PT檢測，焊縫表面無裂紋、氣孔、咬邊等缺陷；對(duì)試件進(jìn)行100%射線透照檢測，射線底片顯示無裂紋、夾渣、氣孔、未熔合和未焊透等缺陷。

3.3.2理化性能試驗(yàn)

為了系統(tǒng)考察不同熱輸入對(duì)2205雙相不銹鋼焊接接頭綜合性能的影響，對(duì)試件進(jìn)行了一系列理化性能試驗(yàn)，具體為：（1）按照ASTM E8-2016進(jìn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)；（2）按照ASTM E190-2014進(jìn)行焊接接頭橫向側(cè)彎試驗(yàn)；（3）按照ASTM E23-2016進(jìn)行焊縫及熱影響區(qū)的夏比V型缺口低溫沖擊韌性試驗(yàn)；（4）按照ASTM G48-2015 A法進(jìn)行焊接接頭的Fe Cl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)；（5）使用根據(jù)AWS A4.2M-2006校準(zhǔn)過的FER ITSCOPE FMP30鐵素體儀測量焊縫區(qū)的鐵素體含量；（6）按照ASTM E407-2015檢驗(yàn)焊縫及熱影響區(qū)的微觀金相組織。

4結(jié)果與分析

4.1力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4.1.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所示。抗拉強(qiáng)度均高于母材（748 MPa），斷口均在母材上，試樣照片如圖 2a、2c 所示，斷口未見明顯的可視性缺陷，說明兩對(duì)試件的焊接接頭拉伸性能均良好。試件 S2 的抗拉強(qiáng)度略高于 S1，說明隨著熱輸入的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢。

4.1.2彎曲試驗(yàn)結(jié)果

彎曲拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表 5 所示。8 件試樣經(jīng)彎曲 180°后用 10 倍放大鏡觀察，受拉面無裂紋等缺陷，說明兩對(duì)試件的焊接接頭彎曲性能良好，熱輸入的增加或減少未給焊接接頭的塑性帶來不利影響。

4.2鐵素體及微觀金相試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 耐 Fe Cl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

兩對(duì)試件各取一件試樣進(jìn)行耐 Fe Cl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)，試樣包含母材、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)。將試樣置于600 m L 的 6%Fe Cl3溶液中，恒溫 50 ℃連續(xù)試驗(yàn)72 h，由腐蝕結(jié)果可知，隨著熱輸入的增加，試樣的耐點(diǎn)蝕性能略有提高，點(diǎn)蝕大部分發(fā)生在熱影響區(qū)，因此熱影響區(qū)是焊接接頭耐點(diǎn)蝕性能的薄弱區(qū)。

4.2.2 鐵素體含量

使用根據(jù) AWS A4.2M-2006 校準(zhǔn)過的FERITSCOPE FMP30 鐵素體儀分別測量兩對(duì)試件焊縫區(qū)的鐵素體數(shù)及鐵素體百分含量。檢測結(jié)果表明，隨著熱輸入的增加，焊縫區(qū)的鐵素體含量呈下降趨勢，說明延緩冷卻速度可以延長鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，從而使更多的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。

5結(jié)論

隨著焊接熱輸入量的增加，2205 雙相不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度降低，焊縫區(qū)的鐵素體含量降低，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性提高，耐點(diǎn)蝕性能略微升高。熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性雖然略優(yōu)于焊縫區(qū)，卻是點(diǎn)蝕的高發(fā)區(qū)，是焊接接頭的薄弱區(qū)。通過合理控制焊接參數(shù)（即熱輸入量），可以獲得最優(yōu)的雙相比例以及綜合性能良好的焊接接頭。

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（作者單位：大連萬陽重工有限公司）