周弋琳，陳阿靜，趙德龍，包 孔，賈晨程

(1.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125；2.上海海工裝備智能焊接制造工程技術(shù)研究中心，上海 200125)

0 引 言

2205雙相不銹鋼因具有較高強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性能等而被廣泛應(yīng)用于造船、造紙、石油化工、海工裝備制造、海水與廢水處理等行業(yè)，是目前應(yīng)用最廣泛的雙相不銹鋼[1-2]。雙相不銹鋼中鐵素體相(α相)與奧氏體相(γ相)約各占一半，以充分利用奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性和焊接性，以及鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和優(yōu)良的耐腐蝕性[3]。焊接的關(guān)鍵是保持焊接接頭理想的雙相質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例(奧氏體60%～40%，鐵素體40%～60%)。雙相不銹鋼焊接接頭微觀組織及性能受焊接過程中的熱循環(huán)影響突出，不同焊接工藝對焊接接頭雙相比影響明顯。

1 焊接試驗

1.1 試驗材料

試驗板材為2205雙相不銹鋼熱軋板，試板尺寸為11 mm×100 mm×300 mm，其力學(xué)性能如表1所示，其微觀組織形貌如圖1所示，經(jīng)鹽酸苦味酸浸蝕后顯示為不規(guī)則的條狀組織特征和雙相交織分布的情況，其中：灰色部分為鐵素體(α相)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.67%，白色部分為奧氏體(γ相)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.33%。試驗所用焊材為直徑1.2 mm的ER2209焊絲和直徑3.2 mm的E2209焊條。

表1 2205雙相不銹鋼母材力學(xué)性能

圖1 2205雙相不銹鋼母材顯微組織形貌

1.2 焊接工藝

試驗采用熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)及焊條電弧焊(Shielded Metal Arc Welding,SMAW)兩種工藝，共焊接6塊試件，焊接工藝參數(shù)如表2所示。6組焊接接頭均采用V形坡口，鈍邊尺寸為2 mm，雙邊坡口角度為60°，根部裝配間隙為1 mm。采用不銹鋼刷對焊道進(jìn)行清理，同時注意材料的清潔與保護(hù)。

表2 2205雙相不銹鋼焊接工藝參數(shù)

1.3 試驗方法

采用WDW-3100萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸及彎曲試驗；采用JBN-300沖擊試驗機(jī)進(jìn)行沖擊試驗；采用蔡司AX10顯微鏡對焊接接頭的微觀組織形貌進(jìn)行觀察，并進(jìn)行定量金相統(tǒng)計； 根據(jù)ASTM G48標(biāo)準(zhǔn)采用HH-4恒溫水浴鍋對通過力學(xué)性能試驗優(yōu)選的試件焊接接頭取樣并進(jìn)行點蝕試驗，點蝕試驗溫度為(50±1) ℃，試驗時間為24 h。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭力學(xué)性能

2205雙相不銹鋼焊接接頭力學(xué)性能如表3所示。6種焊接工藝參數(shù)所焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度值均大于620 MPa，滿足《耐腐蝕合金(CRA)管線鋼管》[4]標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。彎曲試驗結(jié)果顯示1號、3號、5號試件的背彎不合格，主要是因為焊縫底部存在未熔合與夾雜，缺陷的存在致使背彎過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中而開裂。

表3 2205雙相不銹鋼焊接接頭力學(xué)性能

沖擊試驗結(jié)果顯示：除熱輸入相對較低的1號試件焊縫沖擊值低于熱影響區(qū)外，其他試件焊縫沖擊值均高于熱影響區(qū)，結(jié)合微觀組織及焊接工藝參數(shù)分析，應(yīng)與焊縫及熱影響區(qū)組織的晶粒尺寸相關(guān)。1號試件焊接熱輸入相對較小，熱影響區(qū)晶粒還未來得及長大，從而晶粒尺寸相對細(xì)小，沖擊韌性也更高。除6號試件外，其他試件焊縫及熱影響區(qū)沖擊值均為-40 ℃沖擊功不低于53 J，符合ASTM A923-14標(biāo)準(zhǔn)[5]的相關(guān)要求。6號試件采用多層多道手工SMAW，后道焊縫對前道焊縫的熱作用能夠促進(jìn)γ相形成，但過大熱輸入易促使晶粒長大，而導(dǎo)致熱影響區(qū)韌性變差。4號試件焊縫及熱影響區(qū)沖擊值均明顯高于其他試件，也就是說，在采用GMAW時，在保護(hù)氣體中加入N2能使焊接接頭獲得較優(yōu)的沖擊韌性，這主要是因為保護(hù)氣中加入N2能有效防止焊縫中N的損失，促進(jìn)α相向γ相的轉(zhuǎn)變并使其穩(wěn)定。

2.2 焊接接頭微觀組織及雙相比

各試件焊接接頭焊縫微觀組織形貌如圖2所示，均呈現(xiàn)不規(guī)則形狀特征，其中條狀、塊狀、羽毛狀的γ相被基體α相包圍：1號、2號、3號焊縫α相質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，且其中γ相較4號、5號、6號焊縫中的粗大，主要是因為1號、2號、3號試件焊接熱輸入較4號、5號、6號大，焊縫冷卻時間長，更多γ相析出，但其晶粒發(fā)生長大。4號試件焊縫組織較細(xì)小，γ相在α相中均勻分布，組織形態(tài)較好，主要是因為其焊接保護(hù)氣體中含有N2，其存在不但能減少焊縫中N的損失，還能進(jìn)一步促進(jìn)焊縫中γ相的析出[6]，因而能在不使用過大熱輸入導(dǎo)致晶粒粗大的條件下，提高焊縫中γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)。6號試件因采用多層多道手工SMAW，焊縫組織存在明顯分層現(xiàn)象，后道焊縫((f)圖中靠上部位)組織較細(xì)，γ相在α相中均勻分布，前道焊縫((f)圖中靠下部位)組織較粗大，呈羽毛狀。采用多層多道焊接時，后續(xù)焊道對前序焊道的熱處理作用，致使前序焊道晶粒長大，從而使焊道呈現(xiàn)不同的微觀組織形貌。

圖3為各試件焊接接頭熱影響區(qū)微觀組織形貌，基體為α相，γ相在α相中析出呈樹枝狀、羽毛狀、條塊狀或針狀，雙相邊界明顯。1號、4號、6號熱影響區(qū)較窄，各焊接接頭熱影響區(qū)靠近焊縫一側(cè)及靠近母材一側(cè)由于所受熱循環(huán)作用不同而形態(tài)差異明顯，靠近焊縫一側(cè)組織明顯較靠近母材一側(cè)粗大[7]。

各試件焊接接頭焊縫及熱影響區(qū)γ相占比如圖4所示：各焊接接頭焊縫中γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合處于40%～60%的要求；1號、2號、3號焊接接頭熱影響區(qū)γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比分別為38.32%、39.61%、38.53%，均低于40%，不符合要求；4號、5號、6號焊接接頭熱影響區(qū)γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46.23%、40.92%、43.29%，符合要求。4號、6號焊接接頭雙相比例更接近50%，其中采用GMAW的4號焊接接頭因保護(hù)氣中加入N2，能有效促進(jìn)γ相向α相轉(zhuǎn)變，從而具有最高的γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)。6號試件采用多層多道手工SMAW，焊接過程中前續(xù)焊道在后續(xù)焊道的熱循環(huán)作用下，γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，但其熱影響區(qū)在大熱輸入作用下晶粒尺寸長大明顯，導(dǎo)致6號試件焊接接頭熱影響區(qū)雖然γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，但沖擊值較低。

γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對2205雙相不銹鋼焊接接頭沖擊韌性影響顯著，主要是因為與單α相不銹鋼相比，C、N等間隙元素在γ相中溶解度較高，焊接高溫冷卻過程中不易析出碳化物及氮化物，從而有效抑制晶界脆化及基體α相的晶粒長大[8]。

2.3 焊接接頭耐腐蝕性能

選取力學(xué)性能及雙相比最優(yōu)的4號焊接接頭及焊接接頭彎曲試驗面彎、背彎均合格的2號、6號試件，開展焊接接頭耐點蝕試驗。依據(jù)ASTM G48標(biāo)準(zhǔn)，測試2205雙相不銹鋼母材和3組焊接接頭焊縫試樣在50 ℃下質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、10%、17%的FeCl3溶液中的點蝕速率，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示：母材及焊縫試樣的點蝕速率均隨腐蝕液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，且變化明顯；在腐蝕液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時，母材試樣腐蝕速率的增加低于焊縫試樣；在腐蝕液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%及10%時，3組焊縫試樣的腐蝕速率相差不大；在腐蝕液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高至17%時，6號試件焊縫試樣腐蝕速率相對最高，4號試樣腐蝕速率相對最低。3組焊接接頭焊縫耐點蝕性能均滿足ASTM G48標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 2205雙相不銹鋼焊焊接接頭焊縫顯微組織形貌

圖3 2205雙相不銹鋼焊焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織形貌

圖4 2205雙相不銹鋼焊接接頭焊縫及熱影響區(qū)奧氏體(γ相)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例

圖5 試樣在50 ℃下不同腐蝕質(zhì)量分?jǐn)?shù)的FeCl3溶液中的腐蝕速率

雙相比及合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響雙相不銹鋼耐點蝕性能的主要因素。2205雙相不銹鋼中Cr、Ni、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，其中：Cr能促進(jìn)雙相不銹鋼鈍化，保持鈍化膜穩(wěn)定，增強(qiáng)鈍化膜修復(fù)能力；Ni與N能有效促進(jìn)γ相生成，且N在γ相中的溶解度大于α相，與富含Cr、Mo的α相取得平衡，降低Cr、Mo在γ相與α相中的分布差異，從而降低選擇性腐蝕傾向。因此，2205雙相不銹鋼由于γ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且具有理想的雙相比例而具有優(yōu)良的力學(xué)性能及耐腐蝕性能[9]。

3 結(jié) 論

(1) 采用上述試驗參數(shù)的焊接接頭，在熱輸入適當(dāng)、晶粒尺寸無明顯長大時，焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌性隨其中奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高。

(2) 焊接保護(hù)氣體中加入N2可有效促進(jìn)2205雙相不銹鋼焊接接頭各區(qū)域奧氏體生成，從而獲得較優(yōu)的焊接接頭力學(xué)性能及耐腐蝕性能。

(3) 采用多層多道手工SMAW焊接2205雙相不銹鋼，焊接過程中前續(xù)焊道在后續(xù)焊道熱作用下，熱影響區(qū)晶粒逐漸長大，導(dǎo)致該區(qū)域盡管奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高但沖擊韌性相對較差。

(4) 2205雙相不銹鋼材料及焊縫耐點蝕性能受腐蝕液質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著，其腐蝕速率均隨腐蝕液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增加。