2205雙相不銹鋼焊接工藝研究

林家斌， 周德明

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

2205雙相不銹鋼焊接工藝研究

林家斌， 周德明

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

分析2205雙相不銹鋼的焊接特點和焊接工藝，分別采用藥芯焊絲CO2半自動焊(FCAW) 、手工電弧焊(SMAW)和埋弧自動焊(SAW)等3種焊接方法對2205雙相不銹鋼進行焊接試驗。測試焊后力學(xué)性能和腐蝕性能，以及定性定量分析焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的金相組織。結(jié)果表明：采用含鎳、氮高的焊接材料，合理選擇雙相不銹鋼的焊接方法，焊接參數(shù)及接頭形式等，通過控制焊接熱輸入，可獲得合格的焊接接頭。

2205雙相不銹鋼 焊接熱輸入 沖擊 鐵素體 奧氏體

1 前言

38 000 t雙相不銹鋼化學(xué)品船是公司承接的繼LNG船之后的又一種高附加值船舶，該船涉及的雙相不銹鋼焊接技術(shù)在我公司屬首次應(yīng)用，難度極大。該船可以裝載多種多樣的具有強腐蝕性的化學(xué)液體，液貨艙材料為雙相不銹鋼板，該鋼種既有很高的強度，又能耐腐蝕，尤其勝任強酸強堿、硫化物、氯化物中抗點蝕和應(yīng)力腐蝕。雙相不銹鋼在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài)，容易保留更多的鐵素體，從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋(脆化)的敏感性。因此，雙相不銹鋼在焊接之后，除了不能存在裂紋、夾渣、未熔合等焊接缺陷外，還要求焊接接頭能獲得與母材相同或相近的兩相組織(鐵素體和奧氏體)，以保證焊接接頭與母材具有同樣性能(力學(xué)性能和耐腐蝕性能)。如何解決雙相不銹鋼的焊接工藝難題，填補公司技術(shù)空白，促進公司轉(zhuǎn)型升級，是本次研究的意義所在。

本文針對船舶建造過程中主要采用的3種雙相不銹鋼焊接方法：藥芯焊絲CO2半自動焊(FCAW)、手工電弧焊(SMAW)和埋弧自動焊(SAW)，通過對焊接材料的分析、焊接坡口的設(shè)計、焊道順序的布置、焊接參數(shù)的選擇以及層間溫度的控制，嚴(yán)格控制焊接熱輸入，使得焊接接頭的奧氏體、鐵素體組織達到了較好的相平衡，最終獲得既有良好耐腐蝕性能又滿足力學(xué)性能要求的焊接接頭。

2 2205雙相不銹鋼

2.1 化學(xué)成分與力學(xué)性能

2205雙相不銹鋼是一種含N的不銹鋼，其合金元素主要為Cr、Ni、Mo，本次試驗的材料是Outokumpu提供的厚度t=12mm的2205雙相不銹鋼，化學(xué)成分如表1所示。2205屬高強不銹鋼，其力學(xué)性能如表2所示。

表1 2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分

表2 2 205雙相不銹鋼的力學(xué)性能

室溫下，2205雙相不銹鋼即鋼材的金相組織為鐵素體+奧氏體，兩項組織約各占50%左右，具有奧氏體不銹鋼的良好塑性和韌性，同時具有鐵素體不銹鋼應(yīng)力腐蝕性，點蝕當(dāng)量數(shù)(PREN值)較高。

雙相不銹鋼與鐵素體不銹鋼相比，其韌性高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小、具有超塑性等特性；而與奧氏體不銹鋼相比較，屈服強度和抗疲勞強度顯著提高，約為奧氏體不銹鋼的2倍，且耐晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等性能有明顯改善。氮在強化2205雙相不銹鋼中起著重要的作用，氮的存在能夠使焊縫盡可能快地轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，提高焊縫中奧氏體含量并使其穩(wěn)定，增加不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力，同時延緩金屬間相的析出，降低雙相鋼中形成有害元素的傾向。但當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.2%時，氮的間隙固溶強化使得奧氏體的強度大于鐵素體。如果鐵素體含量增加，則會導(dǎo)致沖擊韌性降低，也導(dǎo)致氮在鐵素體中的析出，生成氮化鉻，這是由于氮在鐵素體中比在奧氏體中的溶解度低[1]。

2.2 焊接性分析

焊接是一個冶金過程，2205雙相不銹鋼的焊接質(zhì)量，決定于其焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體和奧氏體含量的平衡和兩相組織的均勻性。在焊接過程中，金屬從熔融到冷卻，從凝固點到1 200℃為鐵素體組織；800℃～1 200℃奧氏體從鐵素體中析出；475℃～800℃將可能有中間相(σ相、碳化物、氮化物)析出。因此，焊接熱輸入的大小，直接影響著焊縫和熱影響區(qū)中鐵素體的含量。如果熱輸入量過大，則會引起合金元素Cr、Ni、Mo的燒損，且焊接接頭的冷卻速度慢，會在不銹鋼中析出碳化物、氮化物，并形成缺鉻，特別距熔合線稍遠的地方被加熱至700℃～900℃的范圍(即熱影響區(qū))，會析出σ相等有害相。如果熱輸入量過小而冷卻速度太快，則A相的析出減緩，那么在原固溶之碳或氮會以氮化鉻(Cr2N)、碳化物(M23C6)的形式析出，導(dǎo)致形成缺鉻層造成耐蝕性的劣化[2]。所以，必須嚴(yán)格控制熱輸入。焊接熱循環(huán)的最高溫度和快速冷卻可促使雙相不銹鋼組織鐵素體化，由于鐵素體含量的增加導(dǎo)致了沖擊韌性和耐蝕性降低。因此，選擇合適的焊接工藝參數(shù)十分重要。

與奧氏體不銹鋼的焊接相比，2205雙相不銹鋼的焊接對污染更敏感，特別是對濕氣和水分。任何類型的油污、油脂和水分等污染物都會影響材料的抗腐蝕性及力學(xué)性能，因此在焊接前要對材料嚴(yán)格清理。通常情況下，雙相不銹鋼的焊接不采用預(yù)熱，因為預(yù)熱會降低焊接熱影響區(qū)的冷卻速度。如果焊縫的冷卻速度太快，使得焊接熱影響區(qū)的鐵素體含量增加太大時，采用預(yù)熱是有意義的。與奧氏體鋼相比，雙相不銹鋼具有導(dǎo)熱性好和熱膨脹系數(shù)低的特點，因此不會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，具有更高的抵抗熱裂紋的能力，故雙相不銹鋼可以采用較大焊接熱輸入，最大的層間溫度為150℃。當(dāng)焊接量很大時，應(yīng)合理地安排焊接順序以保證焊縫層間有足夠的冷卻時間，這樣既能保證層間溫度，又能提高勞動生產(chǎn)率。雙相不銹鋼在300℃～1 000℃對溫度很敏感：在300℃～700℃進行消除應(yīng)力處理會導(dǎo)致σ相析出而產(chǎn)生475℃脆化現(xiàn)象，引起韌性和抗腐蝕性降低；在700℃～1 000℃進行應(yīng)力消除處理，會導(dǎo)致金屬間化合物的析出，也會引起韌性和抗腐蝕性的降低[3]。所以，焊后不必?zé)崽幚怼?/p>

3 焊接材料

經(jīng)過焊材的選型對比試驗，本次試驗選用的焊接材料是瑞典Avesta公司制造的雙相不銹鋼焊材，可以匹配Outokumpu公司生產(chǎn)的2205雙相不銹鋼性能的要求。焊接材料的牌號、規(guī)格、熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表3、表4所示。

表3 焊接材料熔敷金屬的化學(xué)成分(實例值)

表4 焊接材料熔敷金屬的力學(xué)性能(保證值)

4 焊接工藝及參數(shù)

4.1 試驗項目

根據(jù)2205雙相不銹鋼在實船建造中的應(yīng)用情況，在最大焊接熱輸入位置(即立上行焊)和最小焊接熱輸入位置(即橫焊)，分別采用藥芯焊絲氣體保護焊(FCAW)和手工電弧焊(SMAW)焊接工藝各焊制1副對接試板。采用埋弧自動焊(SAW)在平焊位置焊制1副對接試板，具體試驗項目一覽表見表5。

4.2 焊前準(zhǔn)備

采用機械方法進行坡口加工，尺寸、接頭形式及裝配間隙嚴(yán)格遵照表5中坡口簡圖的要求。與奧氏體不銹鋼的焊接相比，2205雙相不銹鋼的焊接對污染更敏感，特別是對濕氣和水分。任何類型的油污、油脂和水分等污染物都會影響材料的抗腐蝕性及力學(xué)性能，因此在焊接前要對材料嚴(yán)格清理。通常情況下，雙相不銹鋼的焊接不采用預(yù)熱，因為預(yù)熱會降低焊接熱影響區(qū)的冷卻速度，導(dǎo)致雙相不銹鋼析出金屬脆性相，從而降低接頭的韌性和耐蝕性。當(dāng)然，在低溫或者濕度大的環(huán)境下焊接，焊前適當(dāng)?shù)牡蜏仡A(yù)熱可以降低鋼材表面的濕氣。

表5 焊接工藝試驗項目一覽表

4.3 工藝要點及焊接參數(shù)

由于焊接熱輸入大小對雙相不銹鋼的耐蝕性有非常大的影響。因此，必須嚴(yán)格控制熱輸入量，焊接時采用較小的焊接熱輸入進行多層多道焊，減少高溫停留時間，從而減少金屬間相的析出，嚴(yán)格控制焊接熱輸入量在25 kJ/cm以下，最大不超過30 kJ/cm。層間溫度在150℃以下，溫度的測量點應(yīng)在距焊縫邊緣20 mm處。

焊前清理坡口附近的水分及油污等雜質(zhì)，用專用的不銹鋼砂輪片打磨坡口兩側(cè)。焊接過程中用砂輪打磨清除層間熔渣。FCAW焊接保護氣體為99.5%CO2，采用單面焊雙面成形；SMAW正面焊接完成后用等離子弧刨清根并打磨，然后焊接背面焊縫。SAW采用雙面單道焊形式，待正面焊道焊接完成后，再翻身焊接背面焊道，其背面留根無須等離子清根處理，正面焊道的焊速較快，背面焊道的焊縫適當(dāng)減慢，以增加熔深。焊接電流、焊接電壓、焊接速度等工藝參數(shù)參照表6。

試板焊接結(jié)束48 h后，按挪威船級社規(guī)范焊接程序認(rèn)可試驗的要求對焊接試板進行了下述項目的檢驗：①100%外觀檢驗；②100%射線探傷；③100%著色探傷。結(jié)果：試板的焊接質(zhì)量均符合EN ISO 5817標(biāo)準(zhǔn)B級要求。

無損探傷之后，進行力學(xué)性能試驗、硬度測試、焊縫斷面宏觀檢查及顯微組織分析、腐蝕試驗和鐵素體測量，試樣檢測分析方法、取樣位置及焊接質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行挪威船級社入籍建造規(guī)范中的《材料與焊接》要求[4]。

表6 焊接工藝參數(shù)一覽表

5 試驗結(jié)果及分析

5.1 力學(xué)性能

拉伸試驗結(jié)果見表7，所有試驗編號焊接接頭的抗拉強度均遠高于2205雙相不銹鋼材料機械性能要求的最低抗拉強度(即不小于640 Mpa)，其中FCAW的橫、立對接各有1根拉伸試樣斷裂位置位于焊縫區(qū)，但其抗拉強度均達到744 MPa，超過鋼板機械性能考核指標(biāo)，其余所有8根拉伸試樣斷裂部位均位于母材，說明了接頭的安全性，充分實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計“等強匹配”要求的預(yù)期目標(biāo)。

相比之下，SAW接頭抗拉強度要高于FCAW，斷裂位置都在母材，主要由于FCAW焊接過程中合金元素?zé)龘p比較厲害，焊縫中氣體含量及雜質(zhì)元素較高，而埋弧自動焊由于采用了氣—渣聯(lián)合保護，合金元素?zé)龘p較少，焊縫中氣體含量及雜質(zhì)元素較少，故焊縫金屬的性能也較好。所有試板的4根接頭側(cè)彎試驗結(jié)果都未出現(xiàn)裂紋，即接頭的抗彎性能良好。維氏硬度試驗結(jié)果，所有試板硬度值均遠小于要求值420 HV，主要原因是雙相不銹鋼仍存在大量奧氏體。

從表7的Akv沖擊試驗數(shù)據(jù)可以看出3種焊接方法得到的接頭，在焊縫區(qū)的-20℃沖擊韌性平均值相對接近，HAZ的-20℃沖擊韌性平均值也遠高于標(biāo)準(zhǔn)要求值27 J，斷口均為塑性斷裂，表明其焊接接頭具有良好的韌性。雙相不銹鋼焊接接頭具有良好的沖擊韌性是由于奧氏體相的存在：(1) 能抑制鐵素體相中已產(chǎn)生的裂紋繼續(xù)擴展；(2) 碳、氮等間隙元素在奧氏體相中的溶解度高，與單相鐵素體不銹鋼相比，高溫冷卻時不易析出碳化物和氮化物，從而能抑制晶界脆化；(3) 能阻止高溫加熱時的鐵素體晶粒粗大[5]。

采用SAW獲得的接頭的抗拉強度和沖擊韌性都要高于FCAW獲得的接頭，得到的焊縫綜合性能更好；但SAW接頭界外5 mm的平均沖擊值要低于FCAW接頭界外5 mm的平均沖擊值，主要是由于SAW焊接熱輸入較大，引起接頭的HAZ也較大，但FCAW接頭的HAZ較小，其界外5 mm處的組織與母材相近，沖擊韌性較好。

5.2 金相試驗

5.2.1 宏觀形貌

宏觀照片顯示，所有試板焊縫內(nèi)部無裂紋、氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷，焊縫成形美觀，質(zhì)量均達到挪威船級社船規(guī)要求，典型宏觀照片如圖1所示。

表7 力學(xué)性能試驗結(jié)果匯總表

圖1 典型宏觀照片

5.2.2 微觀組織

2205母材的金相組織如圖2所示，組織存在明顯的方向性，呈帶狀分布，在鐵素體的基體上分布著長條狀奧氏體，二者的比例相當(dāng)，各約占50%，圖中顏色較深的部分為鐵素體，較淺的部分為奧氏體。

圖2 2205母材 500×

圖3 (a)、(c)、(e)、(g)和圖4 (a)為各試樣接頭焊縫區(qū)的顯微組織形貌，典型的鑄態(tài)樹枝晶組織，5個試樣的焊縫組織均具有不規(guī)則的條狀特征和兩相交織分布的特征，基體為鐵素體，條狀、塊狀、羽毛狀組織為奧氏體?？梢钥闯觯囼灳幪?94-2、794-3、801-1、801-2接頭中奧氏體含量相對較高，且試驗編號794-3、801-2接頭中奧氏體粗大，主要是由于： (1) 接頭中的氮是增強奧氏體形成的元素，且采用多層多道焊，后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體會進一步轉(zhuǎn)變成奧氏體，使奧氏體含量增多；(2) 立上焊位置焊接熱輸入較大，焊縫的冷卻時間延長，雖然會促進更多的奧氏體生成，但也會導(dǎo)致組織相對粗大。相比，圖4中(a)的試驗編號798接頭的奧氏體與鐵素體含量相當(dāng)，奧氏體相的數(shù)量能布滿鐵素體相晶界，因而具有較高的沖擊性能。

圖3 FCAW和SMAW接頭的顯微組織

圖3(b)、(d)、(f)、(h)和圖4 (b)為各試樣接頭HAZ的顯微組織形貌，HAZ區(qū)晶粒沒有明顯的粗化為典型的奧氏體和鐵素體雙相組織形貌。從圖中在奧氏體和鐵素體的晶界處沒有發(fā)現(xiàn)有σ相析出，表明焊接時的熱輸入和冷卻溫度控制在合適的范圍之內(nèi)。雙相不銹鋼焊接接頭的性能決定于焊縫區(qū)與熱影響區(qū)的組織，即決定于接頭各區(qū)域奧氏體與鐵素體的含量與形態(tài)。另外，由于SAW接頭焊接熱輸入較大，HAZ的冷卻速度較慢，延長鐵素體發(fā)生轉(zhuǎn)變的時間，促進更多的奧氏體生成，力學(xué)性能試驗過程中，SAW接頭的2根拉伸試樣斷裂均發(fā)生在HAZ，也說明了這一點。

5.3 鐵素體測量

對各試樣接頭各區(qū)域進行鐵素體含量檢測，執(zhí)行ASTM E562-11標(biāo)準(zhǔn)，測量結(jié)果見表8。從表8可看出，采用FCAW、SMAW及SAW等3種焊接工藝，得到的焊接接頭中鐵素體含量均符合雙相不銹鋼焊接接頭對相比例的要求30%～70%。

圖4 SAW接頭的顯微組織

表8 各試樣接頭各區(qū)域鐵素體含量 單位：%

5.4 腐蝕試驗

按照ASTM G48-11標(biāo)準(zhǔn)中的方法A，對所有試板取樣進行點蝕試驗，先用砂紙將試塊磨光后用酒精洗凈、吹干。將試塊浸于6%三氯化鐵溶液 (pH值為1.3，溫度為20℃)，腐蝕24 h后取出洗凈吹干，通過用10-5g精度的電子分析天平稱量腐蝕前后試塊的質(zhì)量，計算出24 h浸泡后的單位面積失重，試驗結(jié)果見表9。

表9 點蝕試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示：3種焊接方法的焊接接頭在24 h浸泡后，單位面積失重相當(dāng)，且沒有點蝕坑出現(xiàn)。主要是鐵素體的溶鉻能力要高于奧氏體相，因此雙相不銹鋼的點蝕主要集中在奧氏體相區(qū)。焊接接頭的抗點蝕能力隨著奧氏體相的增加而有所降低，但是接頭中有N元素存在，補償了奧氏體相抗點蝕性能差的缺點。

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另外，采用不銹鋼硫酸-硫酸銅試驗方法對焊接接頭試樣進行晶間腐蝕試驗[6]，試樣經(jīng)過180°彎曲后無裂紋出現(xiàn)，表明具有很強的耐點蝕及晶間腐蝕的能力。

6 結(jié)論

(1) 2205雙相不銹鋼具有良好的焊接性，焊前不需要預(yù)熱。采用FCAW、SMAW及SAW等焊接工藝，控制道間溫度不超過150℃，并選擇合理焊接參數(shù)進行多層多道焊，均可以獲得既有良好耐腐蝕性能又滿足機械性能要求的焊接接頭。

(2) 合理控制的焊接熱輸入是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的前提條件。焊接熱輸入過小，由于快速冷卻使得焊接熱影響區(qū)和焊縫的鐵素體含量偏高，有損于耐蝕性和降低沖擊韌性；而焊接熱輸入過高，則會燒損合金元素、且HAZ冷卻太慢而使得中間相析出，引起相組織的不平衡，導(dǎo)致強度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降。建議焊接熱輸入量控制在25kJ/cm以下，最大不超過30kJ/cm。

(3) 采用SAW獲得的接頭的抗拉強度和沖擊韌性要高于FCAW獲得的接頭，且焊縫鐵素體含量較高，得到的焊縫綜合性能更好，主要原因是FCAW焊接過程中合金元素?zé)龘p較多，且焊縫中氣體含量及雜質(zhì)元素較高。

(4) 2205雙相不銹鋼焊接接頭要具有較好沖擊韌性與奧氏體相的存在有很大關(guān)系?？梢圆捎枚鄬佣嗟篮?，利用后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用，使焊縫金屬中的鐵素體進一步轉(zhuǎn)變成奧氏體，提高奧氏體含量。

(5) 2205雙相不銹鋼的焊接對污染更敏感，任何類型的油污、油脂和水分均會影響材料的抗腐蝕性及力學(xué)性能。因此，焊接前應(yīng)對焊接區(qū)域用丙酮進行清洗，徹底清除油污、泥土、灰塵和水分等污染。

[1] 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊:第2卷材料的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 吳玖. 雙相不銹鋼[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社，1999.

[3] 李亞江. 焊接冶金學(xué)—材料焊接性 [M].北京: 機械工業(yè)出版社，2006.

[4] 挪威船級社入級建造規(guī)范. 材料與焊接[S]. 2014.

[5] 李健, 王玉山.不同焊接工藝對雙相鋼(SAF2205)金相組織的影響[J].壓力容器，2004，2： 7-11.

[6] 中國船級社入級建造規(guī)范. 材料與焊接規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

Research on Welding Process of 2205 Duplex Stainless Steel

LIN Jia-bin， ZHOU De-ming

(Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

The welding characteristic and technique of 2205 Duplex Stainless Steel are analyzed. Three welding methods are applied separately for welding tests of 2205 Duplex Stainless Steel, which concludes FCAW, SMAW and SAW. The mechanical property and corrosion resistance after welding are tested, the qualitative and quantitative analysis for metallographic structure of weld zone and heat affecting zone are discussed. The result shows that the welding quality will be guaranteed if high Ni-N alloy is used, the reasonable welding methods, welding parameters and joint types are chose, and the welding heat input is controlled.

2205 Duplex Stainless Steel Welding heat input Impact Ferrite Austenite

林家斌(1985-)，男，工程師。

U671

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