不同氬弧焊焊絲對2205雙相不銹鋼環(huán)焊縫組織與性能的影響

王福善, 李 磊, 馮 泉, 童 根, 鮮 俊, 李軒鵬, 白真權(quán)

(1.中國石油塔里木油田公司 油氣工程研究院, 庫爾勒 841000；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710077；3.中國石油塔里木油田公司 設(shè)備物資處, 庫爾勒 841000；4.中國石油塔里木油田公司 地面工程處, 庫爾勒 841000)

2205雙相不銹鋼是超低碳的中合金奧氏體-鐵素體不銹鋼，屬于第二代雙相不銹鋼，其顯微組織是由各占50%體積分?jǐn)?shù)的鐵素體和奧氏體兩相組成，兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性、優(yōu)良的焊接性能和耐腐蝕性能，已廣泛應(yīng)用于化工、石油天然氣和化肥生產(chǎn)等領(lǐng)域[1]。

焊接作為2205雙相不銹鋼管的主要連接方式，焊縫性能的優(yōu)劣將直接影響管線的服役安全。焊接過程固有的非平衡短時(shí)局部冶金使焊縫的組織和性能比母材更差[2-3]。研究表明[4]，合金元素、焊接工藝參數(shù)和固溶處理是影響焊縫組織和性能的主要因素。李為衛(wèi)等[2]研究了線能量對2205雙相不銹鋼焊接接頭耐腐蝕性和韌性的影響；石巨巖等[3]研究了固溶處理溫度對2205雙相不銹鋼焊縫組織與韌性的影響。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和焊后固溶處理，2205雙相不銹鋼環(huán)焊縫的力學(xué)性能已達(dá)到甚至高于母材的力學(xué)性能，但其耐腐蝕性仍較母材更差。僅通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和焊后固溶處理難以進(jìn)一步提高焊縫的耐腐蝕性，因此改變合金元素含量成為了提高焊縫耐腐蝕性的必然選擇。

筆者通過選擇合金元素含量更高的ER2594焊絲進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并與ER2209焊絲進(jìn)行對比，研究了焊接接頭化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的變化，以解決焊縫耐腐蝕性較差的問題。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)管材為2205雙相不銹鋼管，規(guī)格為φ114 mm×5 mm(外徑×壁厚)，其力學(xué)性能如表1所示，顯微組織為α(鐵素體)+γ(奧氏體)，α相體積分?jǐn)?shù)約為50%，無析出相。試驗(yàn)所用焊材分別為ER2209焊絲(直徑為2.4 mm)和ER2594焊絲(直徑為1.6 mm)，其化學(xué)成分如表2所示，符合AWS A5.9—2017WeldingConsumables-WireElectrodes,StripElectrodes,Wires,andRodsforArcWeldingofStainlesandHeatResistingSteels-Classification的要求。

表1 2205雙相不銹鋼管母材力學(xué)性能

表2 試驗(yàn)焊材化學(xué)成分 %

1.2 焊接工藝

焊接采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)工藝，其中全程選擇ER2209焊絲的焊接接頭編號(hào)為1號(hào)，根焊選擇ER2594焊絲、熱焊和蓋面焊選擇ER2209焊絲的焊接接頭編號(hào)為2號(hào)，具體焊接工藝參數(shù)如表3所示。兩組焊接接頭均采用V形坡口，鈍邊長為1 mm，雙邊坡口角度為60°，根部裝配間隙為3 mm，錯(cuò)邊量不超過0.5 mm，全程采用99.99%氬氣保護(hù)。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

采用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡對焊接接頭的顯微組織、α相含量和析出相進(jìn)行檢測；采用TESCAN VEGA型掃描電子顯微鏡(SEM)及其自帶的INCA-350型X射線能譜分析儀(EDS)對焊接接頭化學(xué)成分進(jìn)行分析；采用UTM5305型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行刻槽錘斷試驗(yàn)，試樣長為230 mm、寬為25 mm，保留原始焊縫余高，用鋼鋸在試樣兩側(cè)焊縫端面的中心鋸槽，槽深為3 mm；采用WZW-1000型彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行背彎試驗(yàn)，試樣長為230 mm、寬為25 mm，去除焊縫余高；采用KB30BVZ-FA型維氏硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度(HV10)測試；根據(jù)ASTM A923-2014StandardTestMethodsforDetectingDetrimentalIntermetallicPhaseinDuplexAustenitic/FerriticStainlessSteels中的方法C對焊接接頭進(jìn)行6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的FeCl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為(22±1) ℃，試驗(yàn)周期為24 h；根據(jù)ASTM G36—2013StandardPracticeforEvaluatingStress-Corrosion-CrackingResistanceofMetalsandAlloysinaBoilingMagnesiumChlorideSolution，采用四點(diǎn)彎曲法對焊接接頭進(jìn)行25%沸騰MgCl2應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)，拉應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最低屈服強(qiáng)度的50%，試驗(yàn)周期為96 h；采用KITE-R型掃描電化學(xué)工作站對焊接接頭的根焊進(jìn)行掃描振動(dòng)電極技術(shù)(SVET)測量，試驗(yàn)溶液為3.5%NaCl，針尖為10 μm的Pt/Ir探針電極，位于試樣上方100 μm處，沿垂直于試樣表面二維運(yùn)動(dòng)，電極振動(dòng)頻率為70 Hz，測量間隙為10 ms。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分及顯微組織形貌

1號(hào)和2號(hào)試樣焊接接頭根焊縱截面的EDS分析區(qū)域如圖1所示，其分析結(jié)果如表4所示。從表4可知：與1號(hào)試樣根焊相比，2號(hào)試樣根焊的鉻含量提高約10%，根焊熱影響區(qū)的鉻含量提高約6%，根焊鉬含量提高約71%，鎳含量未見明顯變化。圖2和圖3分別為1號(hào)和2號(hào)試樣不同區(qū)域的顯微組織形貌，金相檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5可知：與11號(hào)試樣根焊及其熱影響區(qū)(熔合線至0.2 mm內(nèi))相比，2號(hào)試樣根焊及其熱影響區(qū)(熔合線至0.2 mm內(nèi))γ相含量增多，γ相分布更均勻，析出更充分；但與母材相比，2號(hào)試樣根焊和熱影響區(qū)的γ相含量仍然偏低、組織偏大且分布較為不均。

圖1 兩組試樣焊接接頭根焊縱截面的EDS分析區(qū)域

表4 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

圖2 1號(hào)試樣不同區(qū)域的顯微組織形貌

圖3 2號(hào)試樣不同區(qū)域的顯微組織形貌

表5 兩組試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 力學(xué)性能

1號(hào)和2號(hào)試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果如表6所示。從表6可知：刻槽錘斷試驗(yàn)后斷口未見超標(biāo)缺陷，背彎試驗(yàn)后未出現(xiàn)裂紋，維氏硬度均低于300 HV，接近母材硬度，但2號(hào)試樣較1號(hào)試樣根焊硬度略高(見圖4)，這是因?yàn)?號(hào)試樣合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。

表6 兩組試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果 HV

圖4 兩組試樣焊接接頭根焊不同區(qū)域的硬度分布

2.3 耐腐蝕性能

從1號(hào)和2號(hào)試樣焊接接頭根焊處取樣，分別進(jìn)行25%沸騰MgCl2應(yīng)力腐蝕開裂和6%FeCl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)，結(jié)果見表7。從表7可知：與1號(hào)試樣相比，2號(hào)試樣的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能未見差異，試驗(yàn)后兩組試樣均未斷裂；點(diǎn)蝕試驗(yàn)后放大20倍觀察兩組試樣仍無點(diǎn)蝕(見圖5)，但2號(hào)試樣的腐蝕速率較1號(hào)試樣顯著降低，降幅約為95%(見圖6)。利用SVET(掃描振動(dòng)電極測試)分別沿1號(hào)和2號(hào)試樣焊接接頭根焊進(jìn)行縱向掃描，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖7，8所示，其中：X軸表示焊接接頭縱向，0代表熔合線，負(fù)值表示向焊縫方向掃描，正值表示向母材方向掃描；Y軸表示焊接接頭橫向，0代表根焊中部，負(fù)值表示向內(nèi)壁側(cè)掃描，正值表示向外壁側(cè)掃描，振動(dòng)范圍不超出根焊；Z軸表示腐蝕電流，正值表示陽極電流，負(fù)值表示陰極電流。從圖7，8可知，1號(hào)試樣從2 h開始，其熱影響區(qū)腐蝕電流顯著增大，到10 h后焊縫和母材腐蝕電流逐步提高，這說明熱影響區(qū)首先發(fā)生腐蝕，然后焊縫和母材逐步發(fā)生腐蝕；而2號(hào)試樣從6 h開始，其熱影響區(qū)腐蝕電流顯著增大，到12 h后母材腐蝕電流顯著增大，而焊縫腐蝕電流仍較低，這說明熱影響區(qū)首先發(fā)生腐蝕，隨后母材和焊縫依次發(fā)生腐蝕。與1號(hào)試樣對比可見，2號(hào)試樣根焊和熱影響區(qū)的耐腐蝕性明顯提高，特別是根焊的耐腐蝕性已超過母材。

表7 兩組試樣的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖5 兩組試樣焊接接頭根焊點(diǎn)蝕試驗(yàn)后宏觀形貌

圖6 兩組試樣焊接接頭根焊腐蝕速率

圖7 1號(hào)試樣焊接接頭根焊不同時(shí)間的SVET圖

圖8 2號(hào)試樣焊接接頭根焊不同時(shí)間的SVET圖

2.4 綜合分析

從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，與全程采用ER2209焊絲進(jìn)行焊接相比，采用ER2594焊絲(根焊)+ER2209焊絲(熱焊和蓋面焊)進(jìn)行組合焊得到焊接接頭的根焊及熱影響區(qū)的化學(xué)成分和顯微組織有明顯變化，鉻含量提高6%～10%，γ相含量增多、兩相組織分布更均勻；力學(xué)性能未見明顯差異，刻槽錘斷、背彎和硬度試驗(yàn)結(jié)果無異常；其根焊及其熱影響區(qū)的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能良好，腐蝕速率降低約95%，耐腐蝕能力極佳，且焊縫較母材的耐腐蝕性更優(yōu)。

2205雙相不銹鋼優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能是由其特殊的相結(jié)構(gòu)和相比例決定的[5]。焊接是一個(gè)短時(shí)復(fù)雜的冶金過程，其對2205雙相不銹鋼焊縫的組織和性能轉(zhuǎn)變的影響也十分復(fù)雜。從合金元素的角度分析，鉻當(dāng)量(wCreq)和鎳當(dāng)量(wNieq)表征了鐵素體和奧氏體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，兩者的計(jì)算方法分別如式(1)和式(2)所示[5]

wCreq=wCr+wMo+0.7wNb

(1)

wNieq=wNi+35wC+20wN+0.25wCu

(2)

研究表明[5]，wCreq/wNieq的比值越低，則α相越少，γ相越多。ER2209和ER2594焊絲的wCreq/wNieq比值分別為1.90和1.93。由此可見，ER2594焊絲的wCreq/wNieq比值更高。此外，從兩種焊絲的化學(xué)成分對比可知，除合金元素有明顯差異外，ER2594焊絲的氮元素含量更高。氮元素可以顯著促進(jìn)γ相的形成，對改善不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性非常有效，并改善兩相中鉻、鎳、鉬元素的分布。因此，在這兩方面的共同作用下，氮元素的強(qiáng)化作用更加突出，使得ER2594根焊的γ相含量更多、分布更加均勻，因此ER2594焊接接頭也獲得了良好的力學(xué)性能，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

雙相比及合金元素含量是影響雙相不銹鋼耐腐蝕性的關(guān)鍵因素，在雙相比接近的情況下，合金元素的含量決定了其耐腐蝕性。鉻元素能促進(jìn)雙相不銹鋼發(fā)生鈍化，保持鈍化膜穩(wěn)定，增強(qiáng)鈍化膜修復(fù)能力。ER2594根焊及其熱影響區(qū)因具有接近50%的α相含量及較母材更高的鉻含量，所以根焊較母材耐腐蝕性更優(yōu)，這有效地解決了焊縫耐腐蝕性較母材差的問題。

3 結(jié)論及建議

與全程采用ER2209焊絲所得的焊接接頭相比，根焊采用ER2594焊絲所得的焊接接頭，根焊及其熱影響區(qū)鉻含量提高了6%～10%，γ相含量增多、兩相組織分布更均勻，力學(xué)性能和耐應(yīng)力腐蝕性能良好，腐蝕速率降低約95%，耐腐蝕性極佳。ER2594根焊及其熱影響區(qū)具有接近50%的α相含量及較母材更高的鉻含量，因此ER2594根焊較母材的耐腐蝕性更優(yōu)。

2205雙相不銹鋼管焊接采用ER2594焊絲進(jìn)行根焊，可有效地解決焊縫耐腐蝕性較母材差的問題。