宋立新，李美艷，王永興

（1.海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電學(xué)院，山東 青島 266580）

由于雙相不銹鋼具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能以及較高的強(qiáng)度和韌性，尤其是具有奧氏體不銹鋼優(yōu)良的抗點(diǎn)蝕性和鐵素體不銹鋼優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性，被廣泛應(yīng)用在苛刻的環(huán)境中，如石油、天然氣、海洋和化工等領(lǐng)域[1-4]。

雖然材料本身具有優(yōu)良的耐蝕性能，但焊接等加工方法對(duì)接頭組織所產(chǎn)生的影響會(huì)惡化材料的整體耐蝕性，因?yàn)楹附舆^(guò)程的快速冷卻會(huì)導(dǎo)致鐵素體相含量過(guò)高，破壞原有的兩相比例[5]。通過(guò)焊絲中Ni，N等元素的添加，一定程度上穩(wěn)定了奧氏體相的存在，但焊接工藝仍然會(huì)對(duì)其耐蝕性帶來(lái)影響[6-8]。本研究針對(duì)雙相不銹鋼ASTM A928 S31803的焊接使用了優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行腐蝕性能試驗(yàn)，為此雙相不銹鋼在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了理論支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及焊接工藝參數(shù)

試驗(yàn)材料為ASTM A928 S31803雙相不銹鋼，尺寸為300 mm×150 mm×30 mm，坡口形式為單面V形60°±5°。所用焊絲牌號(hào)為AWS 5.9 ER2209，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用逆變手弧（氬?。┖笝C(jī)進(jìn)行接頭試樣的焊接，使用多層多道焊，層間溫度控制在80～150℃，焊后接頭不進(jìn)行熱處理。具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 母材及焊絲化學(xué)成分 %

表2 焊接工藝參數(shù)

1.2 焊絲的選擇

雙相不銹鋼焊接的目標(biāo)就是使焊縫和熱影響區(qū)的韌性、塑性和耐腐蝕性能與母材相同。但是由于焊接的特點(diǎn)，焊縫金屬凝固和冷卻時(shí)間很快，如果焊縫金屬的化學(xué)成分與母材相同，在高溫狀態(tài)下形成的鐵素體組織就來(lái)不及轉(zhuǎn)變成奧氏體組織。所以，對(duì)于焊后直接使用的雙相不銹鋼，選用的焊接材料的化學(xué)成分與母材不能相同，其N(xiāo)i含量要高于母材金屬，同時(shí)應(yīng)含有一定數(shù)量的N元素，以促進(jìn)焊接接頭在高溫下形成的單相鐵素體組織冷卻時(shí)能轉(zhuǎn)變成奧氏體組織。

1.3 保護(hù)氣體的選擇

雙相不銹鋼焊接過(guò)程中如果采用單一的氬氣進(jìn)行保護(hù)，焊縫金屬中氮元素會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，明顯抑制了鐵素體組織冷卻時(shí)向奧氏體組織的轉(zhuǎn)變，焊縫金屬中的鐵素體組織含量容易出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。所以，為了控制焊縫金屬的鐵素體含量，焊接過(guò)程中，我們?cè)诒Ｗo(hù)氣氬氣中添加適量的氮?dú)猓ㄟ^(guò)保護(hù)氣氛的富氮化，來(lái)防止焊縫金屬中氮元素向外發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而確保高溫狀態(tài)下焊縫金屬中的單相鐵素體組織在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變成奧氏體組織的相變能夠按照需要的數(shù)量完成。試驗(yàn)結(jié)果表明，在保護(hù)氣氬氣中添加1.5%～3%左右的氮?dú)?，就可以有效防止焊縫金屬中氮元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭組織分析

圖1所示為雙相不銹鋼焊接接頭的宏觀(guān)形貌。由圖1可見(jiàn)，焊縫金屬與基體完全熔合，無(wú)裂紋產(chǎn)生。

圖1 焊接接頭宏觀(guān)組織形貌

圖2 焊接接頭顯微組織 500×

雙相不銹鋼的焊接需要注意兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是要避免焊后熱影響區(qū)出現(xiàn)過(guò)多的鐵素體組織；另一方面是要避免焊縫及熱影響區(qū)組織晶粒粗大和形成過(guò)多的富鉻化合物[9]。圖2所示為ASTM A928 S31803焊接接頭及母材的顯微組織。由母材組織可見(jiàn)，鐵素體基體上均勻分布著條塊狀的奧氏體組織，這是雙相不銹鋼具有優(yōu)良力學(xué)性能和耐腐蝕性能的關(guān)鍵所在。在接頭金屬經(jīng)高溫焊接冷卻時(shí)，伴隨著奧氏體相的形成和合金元素在兩相間的重新分配，焊接線(xiàn)能量對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的組織將產(chǎn)生很大影響[10]。線(xiàn)能量過(guò)低，冷卻速度較快，焊縫及熱影響區(qū)的奧氏體來(lái)不及充分析出，造成其中高的鐵素體含量和氮化物析出（氮在鐵素體中的溶解度較低），降低接頭腐蝕抗力和韌性。線(xiàn)能量過(guò)高，雖然可以保證奧氏體相的充分析出，但同時(shí)也增加了金屬間相析出的時(shí)間，形成過(guò)多的富鉻化合物，造成貧鉻區(qū)出現(xiàn)，增大晶間腐蝕傾向。因此，選擇適當(dāng)?shù)暮附泳€(xiàn)能量是雙相不銹鋼焊接接頭獲得優(yōu)良組織的關(guān)鍵。

2.2 硬度分析

采用HV－10A型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試位置如圖3所示，硬度檢測(cè)值見(jiàn)表3。由表3可知，焊接接頭的HV10都低于300，未見(jiàn)明顯的脆化區(qū)域。

圖3 硬度測(cè)試位置

表3 焊接接頭硬度測(cè)試結(jié)果

2.3 耐點(diǎn)蝕性分析

依據(jù)ASTM G48標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)，試樣尺寸為15.40 mm×49.71 mm×25.06 mm，腐蝕溶液為100 g的FeCl3·6H2O+900 mL蒸餾水，3組腐蝕試樣采用1000#砂紙磨光6個(gè)面，并用丙酮擦洗去油，然后用酒精沖洗吹干。試驗(yàn)溫度為（22±2）℃，試驗(yàn)時(shí)間為24 h。腐蝕前后用電子天平（精確到0.000 1 g）測(cè)量試樣質(zhì)量，并計(jì)算腐蝕失重。

試驗(yàn)結(jié)果表明，單位表面積失重0.138 8 g/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于失重不超過(guò)4.0 g/m2的要求，可見(jiàn)雙相不銹鋼焊接接頭的耐點(diǎn)蝕性能滿(mǎn)足要求。圖4所示為焊縫點(diǎn)蝕表面形貌。由圖4可知，焊縫表面和截面均無(wú)明顯的點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)，說(shuō)明該焊接工藝下焊接接頭具有良好的耐點(diǎn)蝕性能。

圖4 焊縫腐蝕形貌 20×

2.4 電化學(xué)腐蝕性能分析

依據(jù)ASTM G150標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雙相不銹鋼焊縫和母材進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，電位極化曲線(xiàn)如圖5所示。采用塔菲爾曲線(xiàn)外推法測(cè)定了腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流Icorr，結(jié)果見(jiàn)表4。Ecorr反映了材料熱力學(xué)腐蝕傾向，該值越大，材料的腐蝕傾向相對(duì)越小；Icorr反映了材料的均勻腐蝕速率，該值越大，腐蝕速率越快。由表4可知，焊縫的腐蝕電位略低于母材，單位面積腐蝕電流與母材相差不大。

圖5 電化學(xué)腐蝕曲線(xiàn)

表4 焊縫和母材的腐蝕結(jié)果

3 結(jié) 論

進(jìn)行ASTM A928 S31803雙相不銹鋼焊接時(shí)，焊接工藝中采用了含Ni，N等元素的焊絲，使用Ar+2%N2氣體進(jìn)行焊接保護(hù)，并需要嚴(yán)格控制焊接熱輸入量及層間溫度，以保證獲得性能優(yōu)良的焊接接頭。

采用優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行ASTM A928 S31803雙相不銹鋼焊接，焊縫及熱影響區(qū)由鐵素體－奧氏體雙相組織組成。硬度測(cè)試結(jié)果表明，接頭HV10均低于300，未見(jiàn)明顯的脆化區(qū)域。其次，焊縫的耐點(diǎn)蝕性能和耐電化學(xué)腐蝕性能良好，符合使用要求。

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