焊接參數(shù)對(duì)2205雙相鋼焊接接頭理化性能的影響

孔凡紅，王天先，王文利

（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東青島266426）

0 前言

2205雙相鋼屬于奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，為奧氏體+鐵素體雙相組織，兩相體積分?jǐn)?shù)各占約50%，兼具奧氏體不銹鋼的高低溫韌性、良好焊接性以及鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和耐點(diǎn)蝕等性能[1-2]。2205作為典型的雙相不銹鋼，主要合金元素有Cr、Ni、Mo和N，其中N元素的主要作用是提高材料的耐點(diǎn)蝕性能[3]。

雙相不銹鋼焊縫的力學(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(guò)程中才會(huì)生成奧氏體，焊接時(shí)若使用過(guò)小的熱輸入，熱影響區(qū)的快速冷卻將導(dǎo)致奧氏體來(lái)不及析出，鐵素體含量過(guò)高，沖擊韌性下降；若使用過(guò)大的熱輸入，則會(huì)使冷卻速度太慢，延長(zhǎng)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(zhǎng)大以及σ相等脆性相的析出，造成焊接接頭脆化[4-5]。因此，要獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫金屬必須嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的熱輸入量。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 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（φ4.0mm）。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。

表2 母材及焊材的力學(xué)性能

1.2 焊接工藝

采用焊條電弧焊，由于過(guò)低或過(guò)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(lái)不利影響，焊接時(shí)必須嚴(yán)格控制道間溫度小于等于150℃，熱輸入5～15 kJ/cm[6]。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，試件坡口形式及焊道示意如圖1所示。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(wú)影響焊接質(zhì)量的夾雜、污染等。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖1 坡口形式及焊道示意

1.3 測(cè)試項(xiàng)目

1.3.1 無(wú)損檢驗(yàn)

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(cè)，焊縫表面無(wú)裂紋、氣孔、咬邊等缺陷；按ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅴ卷第2章的要求對(duì)試件進(jìn)行100%射線透照檢測(cè)，射線底片顯示無(wú)裂紋、夾渣、氣孔、未熔合和未焊透等缺陷。

1.3.2 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FeCl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)；（5）使用根據(jù)AWS A4.2M-2006校準(zhǔn)過(guò)的FER ITSCOPE FMP30鐵素體儀測(cè)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。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 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?？估瓘?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(jiàn)明顯的可視性缺陷，說(shuō)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(shuō)明隨著熱輸入的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

2.1.2 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(wú)裂紋等缺陷，試樣照片如圖2e、2f所示，說(shuō)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(lái)不利影響。

2.1.3 沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

在-40℃下分別對(duì)兩對(duì)試件的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)進(jìn)行夏比V型缺口沖擊韌性試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示，根據(jù)結(jié)果繪制熱輸入與焊接接頭沖擊功的關(guān)系曲線如圖3所示，試樣照片如圖2b、2d所示。由表6和圖3可知，隨著熱輸入的增加，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收功呈上升趨勢(shì)，采用同一熱輸入焊接的接頭，熱影響區(qū)的沖擊吸收功高于焊縫區(qū)，說(shuō)明熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性優(yōu)于焊縫區(qū)。

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖2 拉伸、彎曲及沖擊試樣

2.2 腐蝕、鐵素體及微觀金相試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 耐FeCl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

兩對(duì)試件各取一件試樣進(jìn)行耐FeCl3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600mL的6%FeCl3溶液中，恒溫50℃連續(xù)試驗(yàn)72h，結(jié)果如表7所示，腐蝕后的試樣照片如圖2g、2h所示。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)。

2.2.2 鐵素體含量

使用根據(jù)AWS A4.2M-2006校準(zhǔn)過(guò)的FERITS COPE FMP30鐵素體儀分別測(cè)量?jī)蓪?duì)試件焊縫區(qū)的鐵素體數(shù)及鐵素體百分含量，測(cè)量結(jié)果如表8和圖4所示。檢測(cè)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(shì)，說(shuō)明延緩冷卻速度可以延長(zhǎng)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。

表6 沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 熱輸入與焊接接頭沖擊功的關(guān)系

表7 耐FeCl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

表8 鐵素體含量檢測(cè)結(jié)果

圖4 焊縫區(qū)的鐵素體數(shù)及鐵素體百分含量

2.2.3 焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織

打磨、拋光試樣，用10%草酸水溶液電解腐蝕后采用Axiovert 40 MAT金相顯微鏡觀察焊縫及熱影響區(qū)的金相組織，發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)的微觀金相組織均為奧氏體和鐵素體雙相組織，金相照片見(jiàn)圖5，白色樹枝狀、板條狀組織為奧氏體，灰色組織為鐵素體。結(jié)果顯示，隨著熱輸入的增加，鐵素體含量降低[7-8]，與FMP30鐵素體儀的檢測(cè)結(jié)果一致。

由圖5可知，奧氏體首先沿鐵素體晶粒邊界形成，S2焊縫區(qū)因熱輸入較小，大部分奧氏體組織正處于成核和生長(zhǎng)過(guò)程，組織結(jié)構(gòu)不均勻、晶粒大小差距大；而S1焊縫區(qū)由于熱輸入量提高，鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變更完善，生成了結(jié)構(gòu)及晶粒大小均勻的奧氏體組織，因此S1焊縫區(qū)較S2焊縫區(qū)的低溫沖擊韌性更好。熱影響區(qū)因連續(xù)受熱導(dǎo)致鐵素體晶粒明顯比母材晶粒粗大，這也是其沖擊韌性低于母材的原因，并且部分二次奧氏體以魏氏體側(cè)板條形態(tài)從晶界奧氏體長(zhǎng)出或在鐵素體晶內(nèi)形成，而點(diǎn)蝕優(yōu)先在二次奧氏體和鐵素體的界面上成核[9]，因此熱影響區(qū)的耐點(diǎn)蝕性能低于母材和焊縫區(qū)，這與耐FeCl3點(diǎn)蝕的試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅸ卷QW-200及QW-400生成焊接工藝評(píng)定報(bào)告（PQR），編制焊接工藝規(guī)程WPS。通過(guò)在某公司承制的印度某PTA項(xiàng)目汽提塔（設(shè)備材質(zhì)為SA-240 S32205）中進(jìn)行應(yīng)用，設(shè)備制造完成后使用FMP30鐵素體儀測(cè)量焊縫的鐵素體含量，所有焊縫的鐵素體數(shù)均在32～40 FN范圍內(nèi)；對(duì)產(chǎn)品縱縫試件進(jìn)行各項(xiàng)理化性能試驗(yàn)，其拉伸、彎曲、沖擊韌性、鐵素體、顯微組織等各項(xiàng)性能較好，說(shuō)明通過(guò)合理控制焊接的熱輸入量，可以使雙相不銹鋼焊縫獲得最優(yōu)的雙相比例及各項(xiàng)性能。

4 結(jié)論

（1）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。

圖5 焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織

（2）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)。

（3）通過(guò)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。