超級(jí)雙相不銹鋼的焊接性及焊接技術(shù)研究

程必剛

（上海阿波羅機(jī)械股份有限公司，上海 201401）

1 材料的介紹及焊接性

在工業(yè)條件下，特別是在含有氯水溶液的環(huán)境下，要求材料比標(biāo)準(zhǔn)的奧氏體不銹鋼材料具有更好的耐腐蝕和力學(xué)性能，20 世紀(jì)70 年代后期出了第二代的雙相不銹鋼，雙相不銹鋼由40%～60%鐵素體和40%～60%的奧氏體組成，雙相不銹鋼兼?zhèn)淞藠W氏體鋼和鐵素體鋼的優(yōu)點(diǎn)，故具有強(qiáng)度高、耐腐性好和易于焊接的特點(diǎn)。這類(lèi)鋼焊接的主要特點(diǎn)是：與純鐵素體不銹鋼相比焊后具有較低的脆化傾向，而且焊接熱影響區(qū)鐵素體粗化程度也較低；與純奧氏體不銹鋼相比，具有較低的熱裂傾向，故焊接性較好。由于熱裂紋傾向小，所以焊接時(shí)很少考慮熱裂紋，通常最主要的問(wèn)題是熱影響區(qū)而不是與焊縫，熱影響區(qū)的問(wèn)題是耐蝕性、韌性降低或焊后開(kāi)裂。為了避免發(fā)生上述問(wèn)題，焊接下的重點(diǎn)是使在”紅熱”溫度范圍內(nèi)的總停留時(shí)間最短而不是控制某一條焊道的熱輸入。但是，雙相不銹鋼的兩相比例不僅與成分有關(guān)，而且與加熱溫度也有關(guān)。在焊接熱循環(huán)作用下會(huì)發(fā)生明顯的相比例變化，當(dāng)加熱溫度足夠高時(shí)，就會(huì)發(fā)生γ-δ的轉(zhuǎn)變，使鐵素體增多，而奧氏體減少，甚至可能完全變成純鐵素體組織，從而失去雙相組織所具有的特性，使接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能下降。為此，須控制母材和焊接材料的成分和焊接參數(shù)，使接頭能形成足夠數(shù)量的γ 相，以保證接頭所需的力學(xué)性能和耐蝕性能。由于這類(lèi)鋼焊接性能良好，焊時(shí)可不預(yù)熱和后熱。雙相鋼中因有較大比例鐵素體存在，而鐵素體鋼所固有的脆化傾向，如475℃脆性，σ 相析出脆化和晶粗粗化，依然存在，只因有奧氏體的平衡作用而獲得一定緩解，焊接時(shí)，仍需注意，這時(shí)應(yīng)注意控制焊接熱輸人，盡量用小電流、高焊速、窄焊道和多焊道，以防止熱影響區(qū)晶粒粗化和單相鐵素體化，層間溫度不宜過(guò)高。焊接冷卻速度和層間溫度對(duì)鐵素體測(cè)定的影響比較大，冷卻速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鐵素體量過(guò)大，冷卻速度小又會(huì)導(dǎo)致鐵素體過(guò)小，一般層間溫度在100℃以下，焊接速度在6 ～12 的不擺動(dòng)焊比較合理。第一道焊道的熱輸入量不能太小，冷卻速度不能太快，讓焊縫在冷卻時(shí)要有一定的時(shí)間分析出奧氏體相達(dá)到平衡可采用面層焊道加回火焊道的方法，使熱影響區(qū)的高溫段析出較多的二次Y 相。

2 焊接

2.1 材料成分與性能

試驗(yàn)用的母材為奧托昆普公司生產(chǎn)的SA-240 S32750 雙相不銹鋼，其力化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1 和表2，將板加工成160×400×4.7(由6mm 鋼板加工成4.7mm)，鋼板機(jī)加工后坡口為30°單V 坡口，鈍邊1mm，平板對(duì)接；試驗(yàn)中所用的保護(hù)氣體為99.99%的氬氣；試驗(yàn)所用的焊接材料為山特維克的2594NL，直徑2.4mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表1 S32750 雙相不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表2 S32750 雙相不銹鋼的力學(xué)性能

表3 S32750 雙相不銹鋼焊接材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.2 焊接工藝

焊前清理坡口及周?chē)?0 ～30mm 然后組對(duì)，檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行焊接。采用正面和背面充氬氣保護(hù)，直流正接，具體焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 焊接工藝參數(shù)

此工藝的目的是使焊接接頭和熱影響區(qū)性能能與母材一樣，所以選用的焊接材料的化學(xué)的成分與母材不能完全相同，而是鎳含量要略高于母材2%～4%，因?yàn)楹附舆^(guò)程中焊縫金屬凝固和冷卻時(shí)間比較快，如果焊縫金屬的化學(xué)成分與材的母材化學(xué)成分相同，在高溫狀態(tài)下形成的鐵素體組織來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，因此焊接中選用了山特維克的2594NL；采用鎢極氬弧焊，單面焊接雙面成型工藝，保證根部焊透，不得采用無(wú)填絲的自熔焊接方式，以防由于填充金屬不足而造成鐵素體含量過(guò)高；焊接完成后，不要使用鋼絲刷清理焊縫，這樣會(huì)有出現(xiàn)微裂紋的危險(xiǎn)。

3 檢驗(yàn)及結(jié)果

3.1 外觀及力學(xué)性能檢查

焊接完成后進(jìn)行了外觀檢查和射線(xiàn)檢測(cè)，結(jié)果均合格；無(wú)損檢驗(yàn)后，對(duì)焊縫進(jìn)行了力學(xué)性能檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5 ～8。

表5 拉伸試樣數(shù)據(jù)表

表6 彎曲試樣數(shù)據(jù)表

表7 硬度測(cè)試數(shù)據(jù)表

表8 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.2 金相檢驗(yàn)、鐵素體測(cè)量

宏觀金相檢驗(yàn)，無(wú)未熔合、無(wú)焊透、無(wú)裂紋等缺陷，結(jié)果合格。

晶間腐蝕試驗(yàn)，參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A923 C 法對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：78-2t-40±1℃恒溫水浴T=24H。

腐蝕介質(zhì)： 三氯化鐵水溶液＋少量鹽酸PH=1.3V>20mL/cm2。

試樣尺寸：49.8×25.7×4.5(mm)（帶有焊縫）。試樣失重：腐蝕前（g)44.9347;腐蝕后（g)44.9342。

腐 蝕 率（Corrosion Rate):CR=1.54(mg·dm-2·dr-1)<10mdd。

晶間腐蝕結(jié)果合格。

鐵素體測(cè)定：參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A923 C 法。

對(duì)焊縫上部，距離上端1mm，放大倍數(shù)400x，鐵素體面積含量約為58%，見(jiàn)圖1。

圖1 焊縫上部，距離上端1mm

對(duì)焊縫中心鐵素體檢測(cè)，放大倍數(shù)400x，鐵素體面積含量約為56%，見(jiàn)圖2。

圖2 焊縫中心

對(duì)底部焊縫，距離下端1mm，放大倍數(shù)400x，鐵素體面積含量約為59%，見(jiàn)圖3。

圖3 焊縫底部，距離底部1mm

對(duì)左側(cè)熱影響區(qū)近熔合線(xiàn)下端1mm，放大倍數(shù)700x，鐵素體面積含量約為58%，見(jiàn)圖4。

圖4 左側(cè)熱影響區(qū)，近熔合線(xiàn)下端1mm

對(duì)右側(cè)熱影響區(qū)近熔合線(xiàn)下端1mm，放大倍數(shù)700x，鐵素體面積含量約為56%，見(jiàn)圖5。

圖5 右側(cè)熱影響區(qū)，近熔合線(xiàn)下端1mm

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，鐵素體含量都沒(méi)有超過(guò)60%，鐵素體含量合格。

4 結(jié)語(yǔ)

焊縫、熱影響區(qū)的鐵素體含量在50%～60%，奧氏體分布較為均勻，力學(xué)性能、腐蝕性能、沖擊韌性、硬度測(cè)試均合格，可見(jiàn)采用上述焊接方法以及所選用的工藝參數(shù)可以得到良好力學(xué)性能、腐蝕性能、沖擊韌性的焊接接頭。