不同焊接工藝下2205 雙相不銹鋼焊縫組織及性能對(duì)比

馮玉蘭， 李 睿

（1. 中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司， 山西 晉中030600；2. 晉西車軸股份有限公司， 太原030027）

2205 雙相不銹鋼是雙相不銹鋼的典型代表鋼種， 在雙相不銹鋼應(yīng)用領(lǐng)域占主導(dǎo)地位， 被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)， 主要包括石油化工、 海洋及食品等。 其金相組織中奧氏體與鐵素體各占一半， 約為40%～60%， 具有鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼兩種材料的性能。 因其化學(xué)成分中含有Mo， 故具有一定的抗Cl-腐蝕能力[1-4]。 2018 年竣工并通車的港珠澳大橋， 全長(zhǎng)約55 km， 采用材料就是2205雙相不銹鋼， 有效地利用了其優(yōu)越的耐腐蝕性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)用母材及試板尺寸

試驗(yàn)用母材為山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產(chǎn)的S32205 雙相不銹鋼鋼板， 尺寸為500 mm×300 mm×15 mm （長(zhǎng)×寬×厚）， 數(shù)量4 塊。

1.2 母材化學(xué)成分及力學(xué)性能

試驗(yàn)用S32205 雙相不銹鋼化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 S32205 超級(jí)雙相不銹鋼板的化學(xué)成分 %

表2 S32205 雙相不銹鋼的力學(xué)性能

1.3 母材相比例

2205 雙相不銹鋼母材 （熱軋板） 金相組織如圖1 所示， 腐蝕劑為FeCl3水溶液， 組織由鐵素體和奧氏體兩相組成， 比例約為1：1， 圖1 中淺灰色為奧氏體， 深灰色為鐵素體， 奧氏體分布在鐵素體基體上， 整體呈條狀分布[5-9]。

圖1 母材的金相組織（腐蝕劑為FeCl3）

2 試驗(yàn)方案

本研究采用兩種試驗(yàn)方案， 交貨狀態(tài)均為焊接+熱處理。 兩種方案不同之處是焊接方式， 打底焊接均采用等離子焊， 蓋面焊接為TIG 焊與SAW 焊兩種[10]。

2.1 方案一

2.1.1 試驗(yàn)用焊接材料及設(shè)備

焊接采用不銹鋼實(shí)芯焊絲， 美標(biāo)牌號(hào)ER2209，規(guī)格Φ1.2 mm， 焊絲的化學(xué)成分見表3。 焊接設(shè)備使用邊梁雙槍P+T 縱環(huán)縫焊接系統(tǒng)TETRIX 522D-P、 TETRIX 521 TIG， 電源為AC/DC 1000，焊接位置為平焊。

表3 Φ1.2 mm ER2209 實(shí)芯焊絲化學(xué)成分 %

2.1.2 工藝及檢驗(yàn)要求

圖2 2205 雙相不銹鋼焊縫單邊坡口示意圖

圖3 2205 雙相不銹鋼焊縫焊接道次分布示意圖

（2） 焊接方法、 工藝要求及參數(shù)。 焊接方法： PAW 不填絲打底焊接+TIG 填絲蓋面焊接；焊接及保護(hù)氣體均為純Ar。 焊接工藝要求：焊前及層間使用角磨機(jī)或丙酮清理焊縫及兩側(cè)30 mm 范圍內(nèi)的油污及鐵銹， 焊接過程采用小的焊接線能量， 進(jìn)行多層多道焊接， 嚴(yán)格控制 層間溫度≤100 ℃。 焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 方案一焊接工藝參數(shù)

（3） 焊縫檢驗(yàn)。 焊接完成后， 對(duì)焊縫進(jìn)行外觀目視檢測(cè)、 尺寸及RT 實(shí)時(shí)成像檢測(cè)。 外觀目視檢驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.7 要求； 射線檢驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2 要求， 未發(fā)現(xiàn)有咬邊、 氣孔、 未熔合、 裂紋等任何缺陷， 質(zhì)量滿足Ⅰ級(jí)要求[11]。

（4） 熱處理。 焊縫檢測(cè)無缺陷后， 對(duì)其進(jìn)行熱處理， 熱處理溫度1 050 ℃， 保溫時(shí)間30 min，冷卻方式為水冷。

2.2 方案二

2.2.1 試驗(yàn)用焊接材料及設(shè)備

埋弧焊采用不銹鋼實(shí)芯焊絲， 牌號(hào)ER2209，規(guī)格Φ3.2 mm， 焊劑牌號(hào)SJ606， 規(guī)格10～60 目。焊絲及焊劑化學(xué)成分分別見表5 和表6。 焊接設(shè)備使用邊梁自動(dòng)雙槍P+S 縱環(huán)縫焊接系統(tǒng)。 焊接位置為平焊。

表5 Φ3.2 mm ER2209 實(shí)芯焊絲的化學(xué)成分 %

表6 SJ606 焊劑化學(xué)成分 %

2.2.2 工藝及檢驗(yàn)要求

（2） 焊接方法、 工藝要求及參數(shù)。 焊接方法采用PAW 不填絲打底焊+SAW 蓋面焊， PAW 離子氣與保護(hù)氣均為純Ar， 具體工藝參數(shù)見表7。工藝要求與TIG 蓋面焊一致。

（3） 焊縫外觀、 無損檢驗(yàn)及熱處理工藝要求和方案一相同。

表7 方案二焊接工藝參數(shù)

3 焊縫理化性能檢驗(yàn)

焊縫理化性能檢驗(yàn)主要有拉伸、 彎曲、 金相、 點(diǎn)蝕試驗(yàn)。 根據(jù)ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅸ 《焊接和釬接工藝、 焊工、 釬接工、 焊接和釬接操作工評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》 要求取樣并進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)采用鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的30 t 電子拉伸試驗(yàn)機(jī)， 進(jìn)行拉伸、 彎曲試驗(yàn)； 點(diǎn)蝕試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48。

3.1 力學(xué)性能

3.1.1 焊縫橫向拉伸試

拉伸試樣尺寸如圖4 所示， 長(zhǎng)度450 mm，寬度50 mm， 厚度15 mm。 試樣要求內(nèi)外焊縫余高機(jī)械磨除。

圖4 焊縫拉伸試樣形狀和尺寸示意圖

試樣的測(cè)試條件是： 加載速率5 mm/min，加載載荷10 kN。 試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370。 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表8。

表8 焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅸ 《焊接和釬接工藝、 焊工、 釬接工、 焊接和釬接操作工評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》， QW-153 拉伸試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)為： 試樣的抗拉強(qiáng)度不小于母材規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度， 根據(jù)表QW/QB-422 可知， 母材規(guī)定抗拉強(qiáng)度最小值為655 MPa。

從表8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知： 氬弧焊與埋弧焊焊縫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值725 MPa 與719 MPa 均高于母材要求的最低抗拉強(qiáng)度655 MPa， 屈服強(qiáng)度高于母材標(biāo)準(zhǔn)值485 MPa， 延伸率大于母材要求的最低值25%， 試驗(yàn)合格。 拉伸試樣斷裂的位置在母材處， 說明焊縫性能較好。

3.1.2 彎曲試驗(yàn)

試驗(yàn)用板材厚度為15 mm， 在做彎曲試驗(yàn)時(shí)選用側(cè)彎試驗(yàn)代替面彎和背彎。 試樣寬度為母材原始厚度15 mm， 試樣厚度10 mm， 長(zhǎng)度160 mm。試樣要求內(nèi)外焊縫余高機(jī)械磨除。 焊縫彎曲試樣形狀和尺寸如圖5 所示。

圖5 焊縫彎曲試樣形狀和尺寸示意圖

試驗(yàn)測(cè)試條件： 彎曲直徑40 mm， 彎曲角度180°。 試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370。 試驗(yàn)后在顯微鏡下放大10 倍觀察焊縫外表面無裂紋，氬弧焊及埋弧焊蓋面兩種焊接工藝彎曲試驗(yàn)均合格。

3.2 金相觀察

3.2.1 焊接接頭焊縫區(qū)金相組織對(duì)比

焊縫金相試驗(yàn)主要檢驗(yàn)焊接接頭組織及奧氏體與鐵素體兩相比例[12-14]。 焊接接頭焊縫區(qū)金相組織如圖6 所示， 圖6 （a） 為氬弧焊焊縫區(qū)組織，圖6 （b） 為埋弧焊焊縫區(qū)組織， 腐蝕液為王水。從圖6 可見， 埋弧焊焊縫組織方向性較強(qiáng)， 整體呈樹枝狀晶， 氬弧焊焊縫也存在樹枝狀晶， 方向性較埋弧焊不明顯。

圖6 兩種焊接工藝下焊接接頭焊縫區(qū)的金相組織

3.2.2 焊接接頭熱影響區(qū)金相組織對(duì)比

兩種焊接工藝下焊接接頭熱影響區(qū)金相組織如圖7 所示， 圖7 （a） 為氬弧焊蓋面熱影響區(qū)組織， 圖7 （b） 為埋弧焊熱影響區(qū)組織， 腐蝕液為王水。 從圖7 可以看出， 埋弧焊熱影響區(qū)組織呈連續(xù)帶狀分布， 氬弧焊熱影響區(qū)組織呈間斷條狀分布； 焊接接頭熱影響區(qū)中奧氏體與鐵素體兩相比例約各占50%。

圖7 兩種焊接工藝下焊接接頭熱影響區(qū)的金相組織

3.2.3 焊接接頭母材區(qū)金相組織對(duì)比

兩種焊接工藝下焊接接頭母材區(qū)金相組織如圖8 所示， 圖8 （a） 為氬弧焊蓋面母材區(qū)組織，圖8 （b） 為埋弧焊母材區(qū)組織， 腐蝕液為王水。兩圖顯示的是與焊縫中心等距離位置母材的金相組織， 但由于埋弧焊熱輸入較大， 圖8 （a） 組織接近母材， 呈間斷條狀分布； 受熱輸入的影響， 圖8 （b） 組織同熱影響區(qū)組織相似， 呈連續(xù)帶狀分布； 焊縫兩相比例均滿足要求， 氬弧焊兩相比例約占50%， 埋弧焊鐵素體含量稍高， 根據(jù)ASTM E562 標(biāo)準(zhǔn)可知， 鐵素體含量約占55%。

3.3 耐腐蝕性能檢測(cè)

本研究中焊縫耐腐蝕性試驗(yàn)主要檢測(cè)其耐點(diǎn)蝕性， 試驗(yàn)方法為三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)， 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48， 試驗(yàn)溫度30 ℃。

氬弧焊蓋面焊縫點(diǎn)蝕試驗(yàn)： 試樣尺寸為25.05 mm×15.11 mm×2.45 mm， 試樣表面積為953.795 mm2； 將試樣研磨并清洗后放入6%的三氯化鐵溶液腐蝕72 h， 試驗(yàn)前稱重7 231.2 mg， 試驗(yàn)后稱重7 229.8 mg， 腐蝕速率0.49 g/m2/24h； 試驗(yàn)后， 試樣表面放大20 倍無可見的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

埋弧焊蓋面焊縫點(diǎn)蝕試驗(yàn)： 試樣尺寸為25.12 mm×15.04 mm×2.19 mm， 試樣表面積為931.510 4 mm2； 將試樣研磨并清洗后放入6%的三氯化鐵溶液中腐蝕72 h， 在試驗(yàn)前稱重為6 452.7 mg， 在試驗(yàn)后稱重為6 450.9 mg， 腐蝕速率0.64 g/m2/24h； 試驗(yàn)后， 試樣表面放大20 倍無可見的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

根據(jù)兩組點(diǎn)蝕試驗(yàn)的結(jié)果可知， 氬弧焊蓋面焊縫耐點(diǎn)蝕性能優(yōu)于埋弧焊蓋面焊縫耐點(diǎn)蝕性能。

4 結(jié)束語

通過對(duì)比TIG 焊與SAW 焊兩種焊接方式焊縫的理化性能及金相組織， 發(fā)現(xiàn)TIG 蓋面焊縫組織及理化性能優(yōu)于SAW 蓋面工藝， 但SAW生產(chǎn)效率比TIG 生產(chǎn)效率高3 倍多。 因此， 可綜合考慮應(yīng)用工況及生產(chǎn)效率， 選擇焊接工藝。如果應(yīng)用條件苛刻時(shí)， 優(yōu)先選擇TIG 工藝； 如果對(duì)使用環(huán)境要求不高時(shí)， 考慮生產(chǎn)效率， 可選擇SAW 工藝。