2205雙相不銹鋼薄板端接接頭焊接工藝

沈亞仁

摘要：介紹了2205雙相不銹鋼1.2 mm薄板端接接頭鎢極氬弧焊焊接工藝，從2205的特點(diǎn)與應(yīng)用、材料的焊接性、焊接工藝參數(shù)及操作要領(lǐng)等方面入手，著重分析薄板端接焊接過程中容易出現(xiàn)的問題（金相組織不均勻）以及為解決缺陷所采取的相關(guān)工藝措施及方法。

關(guān)鍵詞：2205雙相不銹鋼;端接接頭;焊接工藝;金相組織

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某換熱器設(shè)備制造公司承接一批容器設(shè)備制作工程，該設(shè)備要求具有良好的耐腐蝕和力學(xué)性能，材料為雙相不銹鋼00Gr22Ni5Mo3N （2205），結(jié)構(gòu)接頭形式為薄板端接，厚度1.2 mm。此類薄板產(chǎn)品目前無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，因此焊接工藝的適應(yīng)性是保證焊接質(zhì)量及組織均勻合理的關(guān)鍵。

1 2205雙相不銹鋼基本特性

2205雙相不銹鋼在室溫下固溶體組織奧氏體和鐵素體約各占50%（鐵素體約30%～55%），兼有兩相組織特征。它保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大、熱膨脹系數(shù)小、耐點(diǎn)蝕縫隙及氯離子應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)[1];又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉(zhuǎn)變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學(xué)性能和焊接性能好的優(yōu)點(diǎn)，在化工、海洋等工程行業(yè)應(yīng)用較多，但都局限于3 mm以上的中厚板應(yīng)用，薄板焊接還處于研究與待開發(fā)狀態(tài)。

2 2205雙相不銹鋼主要焊接要點(diǎn)

2.1 焊接接頭組織的比例不均勻

在2205焊接過程中最容易出現(xiàn)金相組織不均勻，如奧氏體相比例過高（>75%）將導(dǎo)致強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力下降;隨著鐵素體相比例的增加，強(qiáng)度會(huì)增加，但材料的475 ℃脆性敏感性會(huì)增大，控制焊接接頭中的金相比例是雙相不銹鋼焊接的的主要問題[2]。圖1～圖3分別為焊縫區(qū)、熔合及熱影響區(qū)、母材區(qū)焊接熱輸入不合理情況下的鐵素體與奧氏體比例。

從金相圖來看，因熱輸入不合理，導(dǎo)致焊縫區(qū)鐵素體含量達(dá)65%，熔合區(qū)及熱影區(qū)的鐵素體比例嚴(yán)重超標(biāo)高達(dá)85%，而稍遠(yuǎn)離焊縫的母材組織變化不明顯。端接接頭形式不規(guī)則易造成受熱不均，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)鐵素體與奧氏體組織不均衡是影響焊縫質(zhì)量的主要問題。

2.2 焊縫區(qū)的晶間腐蝕

2205雙相不銹鋼與普通奧氏體不銹鋼一樣，都會(huì)產(chǎn)生475 ℃脆性和發(fā)生晶間腐蝕等問題[3]。要控制焊縫金屬的化學(xué)成分，降低含碳量和添加足夠的TI或NB，盡量避免在450～850 ℃溫度區(qū)間的停留以防止晶間腐蝕。

2.3 焊接接頭的點(diǎn)腐蝕

焊接過程中冷卻速度不合理或同樣條件下材料中的N含量過低，導(dǎo)致點(diǎn)蝕電位相差很大，造成焊接接頭在運(yùn)行過程中出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕，嚴(yán)重降低其使用性能。

3 焊接試驗(yàn)實(shí)例解析

通過對(duì)2205雙相不銹鋼1.2 mm薄板端接接頭形式的試件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，介紹分析整個(gè)焊接工藝過程、工藝參數(shù)及對(duì)缺陷的防止與處理。

3.1 母材及焊絲

2205不銹鋼板來自國內(nèi)酒泉鋼鐵公司，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A240/A240M-15，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示;焊絲采用瑞典阿維斯坦公司的ER2209，直徑為1.6 mm，其化學(xué)成分如表3所示。

3.2 焊接電源、保護(hù)氣體、鎢極選用

焊接方法采用手工脈沖鎢極氬弧焊（TIG），電源為松下YC-315TX直流脈沖焊機(jī)，焊接參數(shù)包括脈沖電流、基值電流、脈沖頻率與脈沖寬度等。

N元素的添加可以強(qiáng)化并穩(wěn)定奧氏體相，同時(shí)提高其焊接性，焊接過程中焊縫表面的N會(huì)有一定的損失，為補(bǔ)償損失保護(hù)氣體采用φ（Ar）98%+φ（N）2%混合氣。

鎢極選用鈰鎢極φ1.6 mm，端部磨成細(xì)尖錐形，以保證焊接電弧的穩(wěn)定。

3.3 焊前準(zhǔn)備

3.3.1 接頭與坡口加工

產(chǎn)品接頭形式為端接，其坡口為機(jī)械加工Ⅰ型，焊前嚴(yán)格清理焊接區(qū)域內(nèi)20～40 mm污物，接頭與坡口形式如圖4所示。

3.3.2 焊接工藝參數(shù)

由于雙相不銹鋼導(dǎo)熱性能較好，熱膨脹系數(shù)比奧氏體不銹鋼低，薄板在焊后不會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，具有較好的抗裂性能，可以采用較大的線能量進(jìn)行焊接[4]。具體焊接工藝參數(shù)如表4、表5所示。

3.4 組對(duì)定位

制作相應(yīng)的夾緊裝置將兩板夾緊組對(duì)，在坡口焊縫內(nèi)點(diǎn)固定位;定位參數(shù)較正常焊接大10%～15%左右，定位焊長度每點(diǎn)約為5～8 mm，定位間隔50～60 mm，定位焊作為焊縫的組成部分，應(yīng)確保每點(diǎn)定位焊熔合良好。

3.5 焊接過程及注意事項(xiàng)

2205雙相不銹鋼薄板焊接過程與奧氏體不銹鋼焊接方式基本相似，但應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）焊前應(yīng)將兩板運(yùn)用夾具夾緊，不允許留有間隙并防止在焊接過程中產(chǎn)生變形。

（2）焊接時(shí)通常采用左向焊法，斷續(xù)送絲，焊接時(shí)送絲應(yīng)與焊槍移動(dòng)相協(xié)調(diào)，其中脈沖電流用于熔化焊絲形成焊縫，基值電流為冷卻熔池和保證電弧不熄滅;在焊接過程中要防止焊絲與鎢極碰撞產(chǎn)生夾鎢。

（3）嚴(yán)格控制焊接溫度與熱輸入。在焊接過程中，運(yùn)用分中分段退焊法，每次焊接長度約為50～60 mm，確保每段每道之間溫度下降到100 ℃以下方可進(jìn)行焊接。

（4）注意起頭、接頭、收弧的處理。焊接過程中應(yīng)運(yùn)用起弧、焊接、收弧電流等功能，稍大的起弧電流能保證焊縫溫度的快速上升，促使起弧熔合良好;焊接電流應(yīng)與送絲熔化速度及焊接速度相匹配，接頭處應(yīng)用砂輪機(jī)磨薄成斜口以保證連接良好;收弧處須采用衰減或收弧功能，將弧坑填滿，防止火口與弧坑裂紋產(chǎn)生。

（5）焊接過程中采用直線運(yùn)條法，利用送絲量來控制焊縫余高，并保證焊縫兩側(cè)的熔合。

3.6 焊后熱處理

焊縫冷卻至室溫后，將產(chǎn)品進(jìn)行1 050 ℃固溶處理，保溫60 min后水冷至室溫，以確保奧氏體與鐵素體的組織均勻[5]。

3.7 焊后檢驗(yàn)

（1）點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)。

從焊縫、熱影響區(qū)和母材分別切取尺寸20 mm×10 mm×2 mm的點(diǎn)腐蝕試樣，依椐ASTM G84標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)。將試樣清理干凈稱重，然后置于PH=1.3的6%三氯化鐵（FeCl3）溶液中浸泡24 h，保持恒溫20～24 ℃，試驗(yàn)后再次稱重，計(jì)算出試樣的腐蝕率，應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定腐蝕率（不超過10 mdd）。

（2）用線切割切取金相試樣，試樣應(yīng)包括焊縫、熱影響區(qū)和母材。采用5 g三氯化鐵（FeCl3）溶于100 mL蒸餾水，再加入100 mL鹽酸（HCl）配制成腐蝕液浸蝕金相試樣，用金相顯微鏡觀察焊接接頭各區(qū)域的組織分布與比例，鐵素體組織比例為45%～55%，完全滿足要求。

4 結(jié)論

（1）2205雙相不銹鋼1.2 mm薄板端接接頭要獲得奧氏體與鐵素體比例比較合理的金相組織，應(yīng)選擇合理的工藝參數(shù)，并在焊后進(jìn)行固溶處理。

（2）滿足力學(xué)性能的關(guān)鍵是合理控制焊接線能量，通過試驗(yàn)分析，線能量控制在100～120 kJ/cm為合適。

（3）采用φ（Ar）98%+φ（N）2%的混合保護(hù)氣體，可促進(jìn)焊縫及熱響區(qū)金相組織的均勻。

（4）與普通奧氏體不銹鋼相同，2205雙相不銹鋼也會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕和475 ℃脆性，在焊接和熱處理過程中應(yīng)避免在450～850 ℃溫度區(qū)間的停留。

參考文獻(xiàn)：

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