S22053 雙相不銹鋼接頭組織和性能研究

孫俊峰，任澤良，占國平，王艷東，張成高

（九江海天設備制造有限公司，江西 九江 332100）

雙相不銹鋼是指其微觀組織由鐵素體相和奧氏體相組成的材料，兩相質(zhì)量分數(shù)各占約50%。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性以及導熱系數(shù)高、具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼[1—10]。該鋼板不僅耐腐蝕性好，而且強度高、價格便宜，是不銹鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的理想選擇，但該鋼板對焊材、焊接工藝要求較高，所以研究其焊接工藝具有重要意義。

S22053 雙相不銹鋼具有較好的性能，自Outokumpu 公司于2000 年開發(fā)出來后，現(xiàn)已廣泛用于造紙工業(yè)設備、食品加工設備、海上石油平臺（熱交換器管、水處理和供水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)）、脫鹽（海水淡化）設備等特殊化工環(huán)境設備[11—13]。董建君等[14]研究了不同焊接工藝對2205 雙相不銹鋼接頭組織和力學性能的影響。結(jié)果表明，接頭焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性隨著奧氏體含量的增加而增高，線能量增大可促進更多的奧氏體生成，但也會導致組織相對粗大。常靜等[15]采用不同焊接工藝對 2205 雙相不銹鋼進行焊接，并對接頭組織和晶間腐蝕性能進行了分析。試驗結(jié)果表明，熱輸入量大的鎢極氬弧焊（TIG）蓋面焊接接頭焊縫中心和熱影響區(qū)奧氏體含量多于焊條電弧焊，且奧氏體相交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，焊條電弧焊焊縫中心存在大量第二相粒子，第二相粒子主要由于脫渣不充分導致，而第二相粒子的存在嚴重影響焊縫中心的耐晶間腐蝕性能。

文中采用兩種不同焊材（焊條、焊絲+焊劑）對S22053 鋼板進行焊接，通過試驗確定S22053 雙相鋼兩種焊接方法的選擇原則，并對接頭進行力學性能、晶間腐蝕、微觀金相和鐵素體含量檢測試驗，這對保證焊縫質(zhì)量和后續(xù)雙相鋼的焊接工作有重要理論意義和工程實踐意義。

1 試驗

試驗材料為S22053 雙相不銹鋼，試件尺寸為500 mm×150 mm×20 mm，化學成分如表1 所示。所用的焊條有Φ3.2 mm 和Φ4.0 mm 兩種規(guī)格的E2209-16，焊絲有ER2009，焊劑有GXS-330。焊接前用砂紙將不銹鋼板材表面清理干凈，再用丙酮和酒精擦洗板材表面，待酒精丙酮揮發(fā)后進行焊接。

表1 S22053 不銹鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of S22053 stainless steel

試驗涉及焊接方法有SMAW 和SAW，焊接接頭坡口形式為單面V 形坡口，坡口角度為70°，焊接位置都為平焊，焊接參數(shù)如表2 所示。焊后沿各焊接接頭的橫截面取樣進行分析，對比不同工藝參數(shù)下接頭微觀組織、力學性能、耐晶間腐蝕性能和鐵素體含量的變化特征。

表2 焊接參數(shù)Tab.2 Welding parameters

采用偏重亞硫酸鈉鹽酸水溶液對金相試樣進行腐蝕，采用硫酸-硫酸銅溶液進行耐晶間腐蝕性能測試，在微沸的硫酸-硫酸銅溶液中煮沸20 h 后，采用彎芯半徑為試樣厚度2 倍的壓頭對試樣彎曲90°，根據(jù)試樣產(chǎn)生裂紋的情況判斷材料是否具有晶間腐蝕敏感性。拉伸試樣尺寸如圖1 所示，拉伸速率為2 mm/min，彎曲試樣如圖2 所示。

圖1 拉伸試件尺寸Fig.1 Dimension of tensile test piece

圖2 彎曲試件尺寸Fig.2 Dimensions of bending test piece

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭顯微組織

3 組試驗接頭顯微組織如圖3 所示。圖3a，c，e為接頭焊縫顯微組織，可以看出3 組試驗的焊縫組織為奧氏體和鐵素體，基體為鐵素體，奧氏體被鐵素體基體包圍著。3 組試驗的奧氏體晶粒大小和組織形態(tài)變化較大，圖3a 和c 中，主要為晶間奧氏體和晶內(nèi)奧氏體，晶間奧氏體沿鐵素體晶界析出呈條狀，晶內(nèi)奧氏體生長在鐵素體晶內(nèi)呈片狀，圖3e 中，主要是魏氏奧氏體呈羽毛狀，從圖3e 可以看出奧氏體多于鐵素體，粗大的奧氏體占據(jù)了大片區(qū)域，局部有魏氏組織產(chǎn)生，奧氏體按一定方向的板條狀分布，也有部分以片狀分布。這是因為隨著焊縫冷卻，晶粒會沿著散熱最快的方向生長，從焊縫邊緣向焊縫中心生長，粗大的奧氏體之間分布著許多細小的等軸晶，但由于焊縫金屬瞬間冷卻，晶粒呈長條狀分布。對比圖3a，c，e 可以發(fā)現(xiàn)，圖3a 中奧氏體晶粒最為細小，這主要是由于E2209 焊條中Ni 含量高于ER2209，Ni 含量增多有助于降低相變溫度和細化晶粒，焊條直徑越大，所需要的熱輸入越大，因此Φ3.2 mm 的E2209焊條具有更小的熱輸入，焊縫冷卻速度較快，晶粒更為細小的特點。圖3b，d，f 為接頭熱影響區(qū)顯微組織，熔合線兩側(cè)的組織有明顯差異，在熱影響區(qū)板條狀的奧氏體以一定方向分布在鐵素體基體上，這是因為靠近焊縫一側(cè)熱影響區(qū)的峰值溫度超過了鐵素體固溶溫度，有利于奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，隨著焊縫的冷卻，奧氏體晶粒逐漸長大，并向鐵素體晶粒內(nèi)部延伸，形成了條狀奧氏體，此外奧氏體與鐵素體比例基本各占一半，圖3f 中出現(xiàn)了魏氏組織，雙相鋼組織中鐵素體和奧氏體分布越均勻，那么沖擊韌性越好，因此在接頭熱影響區(qū)均可以獲得良好的塑韌性，提高接頭的變形能力和抵抗斷裂能力。

圖3 接頭顯微組織Fig.3 Microstructure of joint

2.2 接頭抗晶間腐蝕性能

3 組試驗的晶間腐蝕試驗結(jié)果如表3 所示。這3組試驗使用的母材和焊材本身晶間腐蝕試驗都合格，且試驗方法和標準也是ISO 3651—2，排除母材和焊材對焊縫金屬的影響。從表3 看出，3 種焊接方法的晶間腐蝕試驗結(jié)果都合格，這主要是由于在奧氏體-鐵素體雙相組織中，δ/γ相界面能低于奧氏體晶界γ/γ界面能，碳化物擇優(yōu)在δ相一側(cè)析出，降低了碳化物在奧氏體相界面的析出量，此外，在奧氏體晶界處被孤立的鐵素體分離，增加了晶界面積，也有利于提高接頭抗晶間腐蝕的能力。晶間腐蝕試樣彎曲90°后的試樣形貌見圖4，由圖4 可見，試樣彎曲部位外表面均未產(chǎn)生晶間腐蝕裂紋。

表3 晶間腐蝕試驗結(jié)果Tab.3 Results of intergranular corrosion test

圖4 彎曲后的試樣形貌Fig.4 Specimen morphology after bending

2.3 接頭鐵素體含量

3 組試驗焊縫金屬和熱影響區(qū)鐵素體含量檢測結(jié)果如表4 所示。從表4 可看出3 種焊材的焊縫金屬鐵素體含量都滿足要求，而且集中在57%左右，說明這3 種焊材的化學成分較穩(wěn)定，采用的焊接工藝參數(shù)也不會造成鐵素體相和奧氏體相比例失衡。3 組試驗中都是鐵素體居多，奧氏體與鐵素體兩相平均比例為42.33%∶57.67%，雙相不銹鋼接頭的兩相比例在要求的范圍內(nèi)。

表4 接頭鐵素體質(zhì)量分數(shù)Tab.4 Ferrite content of joint

2.4 接頭力學性能

圖5 為接頭室溫抗拉強度。各接頭均是在打磨清理余高后所測得。從圖5 可以看出，E2209 接頭抗拉強度均為855 MPa，ER2009+GXS-330 接頭抗拉強度為795 MPa，焊縫的抗拉強度均達到了母材抗拉強度的97%，ER2009+GXS-330 接頭斷裂在熱影響區(qū)靠近母材一側(cè)，E2209 接頭斷裂在母材。E2209(Φ3.2 mm)，E2209(Φ4.0 mm)，ER2009+GXS-330 接頭伸長率依次為24%，21%，26.4%，均大于標準要求，檢驗結(jié)果均合格。

圖5 室溫抗拉強度Fig.5 Bar chart of tensile strength at room temperature

3 結(jié)論

1）采用兩種不同焊材（Φ3.2 mm 和Φ4.0 mm 焊條、焊絲+焊劑）焊接的接頭組織為奧氏體和鐵素體，基體為鐵素體，奧氏體被鐵素體基體包圍著，3 組試驗的奧氏體晶粒大小和組織形態(tài)變化較大，其中Φ3.2 mm 的E2209 焊條焊縫晶粒最為細小，宜選用此種焊接方法。

2）對兩種不同焊材進行晶間腐蝕試驗和鐵素體含量檢測試驗，從試驗結(jié)果來看，3 種焊材基本都滿足S22053 的焊接要求。

3）兩種焊材接頭抗拉強度均達到母材抗拉強度的97%，Φ3.2 mm 的E2209 焊條焊縫抗拉強度為855 MPa，超過了母材抗拉強度，拉伸試樣斷裂在母材處，伸長率依次為24%，21%，26.4%均符合標準要求，90°側(cè)彎后表面無任何可見裂紋。