2205雙相不銹鋼薄壁小徑管鎢極氬弧焊接頭組織和性能

師金鳳，雷玉成

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 前言

2205鋼作為第二代雙相不銹鋼的代表鋼種，由于其綜合了鐵素體鋼和奧氏體鋼良好的塑性、韌性、耐晶間腐蝕性和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能，具有較高的力學(xué)性能[1-3]，而具有越來越廣泛的應(yīng)用。焊接是雙相不銹鋼主要的連接技術(shù)，在焊接過程中，焊縫金屬經(jīng)歷高溫相變等復(fù)雜物理化學(xué)變化過程，引起雙相不銹鋼微觀組織結(jié)構(gòu)變化，最明顯的就是鐵素體和奧氏體兩相比例失衡，從而降低焊接接頭各項(xiàng)性能[4]。對于薄壁小徑管件，焊接過程兩相轉(zhuǎn)變時(shí)間更為短促，焊接組織缺陷更加顯著。

文中針對φ18 mm×1.5 mm小管徑、薄壁2205雙相不銹鋼管，采用鎢極氬弧焊(GTAW)方法，以ER2209為填充材料，98%Ar+2%N2作為保護(hù)氣體，制定相關(guān)工藝措施，進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，并通過無損檢測、力學(xué)性能檢測及微觀金相觀察，研究了焊接接頭組織和性能，為此類2205雙相不銹鋼超薄壁小徑管的焊接提供了參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)用SAF 2205雙相不銹鋼尺寸為φ18 mm×1.5 mm，經(jīng)固溶退火熱處理，化學(xué)成分見表1。母材力學(xué)性能見表2。

表1 2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 2205雙相不銹鋼力學(xué)性能

2205雙相不銹鋼的主要化學(xué)成分是Cr，Ni，Mo元素，根據(jù)合金元素含量，計(jì)算其耐孔蝕當(dāng)量(PREN)、鉻當(dāng)量(Creq)和鎳當(dāng)量(Nieq)，計(jì)算公式如下：

PREN=ω(Cr)+3.3ω(Mo)+16ω(N)

(1)

Creq=ω(Cr)+ω(Mo)+1.5ω(Si)

(2)

Nieq=ω(Ni)+30ω(C+N)+ω(Mo)

(3)

專家學(xué)者利用各種線性關(guān)系來判定雙相不銹鋼焊接性能[5]。根據(jù)雙相不銹鋼鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量，線性關(guān)系式如下：

B=Creq-Nieq-11.59

(4)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]表明，當(dāng)B﹤7時(shí)，焊接熱影響區(qū)兩相組織比例較為理想，然而，對于管徑較小，壁厚較薄的雙相不銹鋼材料，其焊接過程是單道焊一次成形，B﹤7時(shí)，奧氏體只是在部分鐵素體的晶界析出，晶內(nèi)會(huì)析出大量的氮化物，影響雙相不銹鋼的塑性、韌性和耐腐蝕性能，只有當(dāng)B﹤4時(shí)，才能保證熱影響區(qū)形成鐵素體和奧氏體比例相對理想的雙相組織。B﹤7適用于多層多道焊。

根據(jù)式(1)～式(4)，計(jì)算試驗(yàn)用雙相不銹鋼2205耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN=35.8,鉻當(dāng)量Creq=26.23,鎳當(dāng)量Nieq=11.77。根據(jù)鉻鎳當(dāng)量線性關(guān)系式(4)，計(jì)算得B=2.87，滿足B<4。

焊接材料的選擇遵循焊材與母材韌性級別相當(dāng)或高于母材的原則，由此才能保證焊接接頭性能不低于母材。該試驗(yàn)中，焊接材料選用瑞典AVESTA GT2209(AWS A5.9 ER2209)，由于試驗(yàn)雙相不銹鋼管徑較小，壁厚較薄，為兼顧焊接質(zhì)量和效率，選擇焊接材料直徑為2.0 mm。AVESTA GT2209焊材的化學(xué)成分見表3，根據(jù)熔敷金屬試驗(yàn)，其力學(xué)性能見表4。

表3 AVESTA GT2209焊材化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 AVESTA GT2209焊接材料力學(xué)性能

該試驗(yàn)中所使用的氬弧焊機(jī)型號是YC-400TX，TIG焊接參數(shù)輸入范圍是4 A/10.2 V～400 A/26 V，其能量輸入額定電壓U1=380 V；最大電流I1max=28.4 A；最大有效電流Ileff=19.9 A。防護(hù)等級為IP23。

2 焊接工藝

2.1 坡口準(zhǔn)備

該試驗(yàn)中，要求焊縫全熔透，考慮焊接坡口加工的便利性，選擇常用的V形坡口，角度為60°，組配定位時(shí)，根部保持一定的間隙，約3～4 mm，45°固定試件，坡口示意圖如圖1所示。

圖1 焊接坡口形式及尺寸詳圖

為保證坡口角度，防止小管徑、薄壁不銹鋼管坡口加工過程中變形，對坡口采用機(jī)械切削加工。焊前輕微打磨坡口，去除坡口毛刺，并用丙酮清洗坡口及兩側(cè)，去除坡口水分、油脂、銹污及氧化物等其他影響焊接質(zhì)量的雜物。

2.2 焊接工藝參數(shù)

試驗(yàn)采用φ2.4 mm鈰鎢極，電流極性為直流正接，使用直徑9 mm的噴嘴，鎢極伸出長度3～4 mm，背保護(hù)氣體選擇純度99.99%Ar，保護(hù)氣體為98%Ar+2%N2，氣體流量10～15 L/min，其他焊接工藝參數(shù)見表5。計(jì)算可知，焊接熱輸入為0.6～1.0 kJ/mm。

表5 GTAW焊接工藝參數(shù)

2.3 焊接操作要點(diǎn)

采用從下往上焊的方式，從鋼管6點(diǎn)鐘方向焊到12點(diǎn)鐘方向，焊完一半后，再焊接另一半；雙相不銹鋼管兩端用海綿密封，僅留一個(gè)小孔，以便通入背保護(hù)氣體，用氧氣測試儀檢測鋼管內(nèi)部含氧量，當(dāng)背面氧氣含量低于0.1%時(shí)方可進(jìn)行焊接；為了確保焊縫成形效果，在焊接開始前不應(yīng)立即起弧，應(yīng)提前送氣3～5 s，保證焊槍內(nèi)充滿氬氣。同理，焊接結(jié)束后也不要立刻抬槍，滯后停氣3～5 s，保護(hù)最后的焊縫。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 無損檢測及宏觀形貌

焊接完成24 h后，參照ASME[6]第V卷對焊縫進(jìn)行液體滲透檢測(PT)和X射線檢測(RT)，檢測結(jié)果表明焊縫表面及內(nèi)部無氣孔、裂紋、未熔合及咬邊等缺陷，焊縫經(jīng)檢測合格。低倍放大鏡下觀察焊縫宏觀如圖2所示。

圖2 焊縫宏觀形貌

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

參照ASME BPVC IX[7]和ASTM A790[8]對焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，取2個(gè)拉伸、2個(gè)橫向面彎、2個(gè)橫向背彎和2個(gè)硬度試樣，取樣位置如圖3所示。

圖3 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置

3.2.1拉伸及彎曲試驗(yàn)

采用WAW-300微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接接頭拉伸及彎曲試驗(yàn)，2個(gè)橫向拉伸試樣抗拉強(qiáng)度分別為668 MPa，686 MPa，斷裂于熱影響區(qū)；對試樣焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行180°彎曲試驗(yàn)，壓頭彎心直徑5 mm，彎曲試樣無斷裂和裂紋產(chǎn)生，表明彎曲試樣具有良好的抗彎曲性能。

3.2.2硬度試驗(yàn)

采用200HVS-10數(shù)顯小負(fù)荷維氏硬度計(jì)，選擇單點(diǎn)測量方式，在焊接接頭表面焊縫、熱影響區(qū)及母材選擇定點(diǎn)測量硬度值，測試位置如圖4所示，測試結(jié)果見表6。

圖4 硬度試驗(yàn)測量位置

表6 硬度值測試結(jié)果 HV

ASTM A790規(guī)范規(guī)定2205雙相不銹鋼材料抗拉強(qiáng)度最小值為655 kPa，其硬度不應(yīng)高于290 HBW，約300 HV。測試結(jié)果表明，焊接接頭力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。

3.3 有害相試驗(yàn)

參照ASTM A923-14標(biāo)準(zhǔn)方法(A)[9]對焊接接頭中可能析出的金屬間化合相等有害相進(jìn)行檢驗(yàn)。在顯微鏡下，觀察焊縫、熱影響區(qū)及母材金相組織，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，焊接接頭中焊縫、熱影響區(qū)及母材區(qū)域鐵素體組織均已被浸蝕，相間邊界平滑，無不良化合相。

圖5 金相組織形貌

3.4 麻點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

參照ASTM G48標(biāo)準(zhǔn)方法(A)[10]，將100 g試劑級三氯化鐵溶于900 mL Ⅳ型試劑級水(約6%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，配制成腐蝕溶液；取4個(gè)試樣水浴加熱，保持溶液22 ℃恒溫，將試樣浸于三氯化鐵溶液中腐蝕24 h，通過腐蝕前后重量損失計(jì)算其腐蝕率，結(jié)果見表7。

表7 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)ASTM A923規(guī)范，雙相不銹鋼材料腐蝕率不超過10 mg/(dm·d)，因此試樣滿足點(diǎn)蝕要求。

3.5 鐵素體含量試驗(yàn)

根據(jù)ASTM E562[11]，在接頭熱影響區(qū)選擇5個(gè)視場，利用顯微鏡，使用100點(diǎn)網(wǎng)格，在高倍放大倍率下測量每一視場中落在選定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)，并計(jì)算概率樣本置信區(qū)間。其金相組織如圖6，視場計(jì)數(shù)結(jié)果見表8，其置信評估結(jié)果見表9。

圖6 熱影響區(qū)不同視場下金相組織形貌

表8 熱影響區(qū)鐵素體含量計(jì)數(shù)

表9 焊接接頭熱影響區(qū)鐵素體含量置信評估

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)評估，可見焊接接頭中鐵素體含量在50%～70%，可認(rèn)為焊接接頭中鐵素體與奧氏體兩相組織基本平衡。

4 結(jié)論

(1)采用鎢極氬弧焊方法，以ER2209為填充材料，98%Ar+2%N2作為保護(hù)氣體，選擇合理的焊接工藝參數(shù)，對小管徑、薄壁2205雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，得到了組織和性能良好的焊接接頭。

(2)焊接接頭抗拉強(qiáng)度為668 MPa，不低于母材，斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)，母材、熱影響區(qū)及焊縫硬度260～280 HV，滿足ASTM A790標(biāo)準(zhǔn)要求，并且具有良好的抗彎曲性能。

(3)相邊界平滑，無不良化合相組織；根據(jù)ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)方法檢測接頭中鐵素體含量，約占50%～70%，和奧氏體組織兩相比例基本平衡；接頭抗點(diǎn)蝕性能滿足ASTM G48標(biāo)準(zhǔn)要求，其腐蝕率最大5.1 mg/(dm·d)。