2205雙相不鏽鋼焊接工藝

甘肅鋼鐵職業技術學院(嘉峪關市 735100)

常 靜 趙 雅 陸小斌 呂 傑

摘要：採用鎢極氬弧焊(TIG)打底，分別採用焊條電弧焊(SMAW)蓋面和鎢極氬弧焊(TIG)蓋面兩種焊接工藝對2205雙相不鏽鋼進行焊接，對焊接接頭的組織和耐晶間腐蝕性能進行了分析和檢測。結果表明，熱輸入量大的鎢極氬弧焊(TIG)蓋面焊接接頭焊縫中心和熱影響區奧氏體含量多於焊條電弧焊(SMAW)，且奧氏體相交織成網狀結構；焊條電弧焊(SMAW)焊縫中心存在大量第二相粒子，第二相粒子主要由於脫渣不充分導致，而第二相粒子的存在嚴重影響焊縫中心的耐晶間腐蝕性能。

關鍵詞：2205雙相不鏽鋼 鎢極氬弧焊 顯微組織 晶間腐蝕

2205雙相不鏽鋼屬於第二代雙相不鏽鋼，是一種典型的超低碳含氮鐵素體-奧氏體雙相不鏽鋼，它兼有鐵素體不鏽鋼和奧氏體不鏽鋼的優點，廣泛應用於石油天然氣工業、化學工業和海洋工程等領域，是目前應用最普遍的雙相不鏽鋼[1-3]。不同焊接工藝對焊接接頭的組織以及雙相比例有很大的影響，而組織和雙相比例對焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能有較大的影響[4-5]。因此，開展不同焊接工藝對2205雙相不鏽鋼焊接接頭組織和性能影響的研究具有重要意義。文中採用鎢極氬弧焊(TIG)和焊條電弧焊(SMAW)兩種不同焊接工藝，對2205雙相不鏽鋼焊接接頭組織和晶間腐蝕性能的影響進行了研究。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用2205雙相不鏽鋼為國內某大型鋼廠生產，其化學成分見表1。試板尺寸為160 mm×320 mm×12 mm，並將對接焊的試板開60°的X型坡口。

表1 2205雙相不鏽鋼的化學成分(質量分數,%)

CSiMnPSCrMoNiN0．020．491．160．0250．000522．313．15．240．177

1.2 焊接工藝

1.2.1 焊接方法

試驗採用兩種不同的焊接方法：打底均採用鎢極氬弧焊，蓋面分別用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊，試驗中焊條電弧焊使用的焊機為ZX7-400逆變式直流弧焊機，鎢極氬弧焊使用的焊機為WSM-315TSMI直流脈衝TIG焊機。

1.2.2 填充材料

鎢極氬弧焊使用ER2209焊絲,直徑為1.6 mm。焊條電弧焊使用E2209焊條，直徑為3.2 mm。

1.2.3 焊接工藝參數

打底採用鎢極氬弧焊以保證單面焊雙面成型，蓋面分別採用不同焊接工藝，進行多層多道焊，每層焊道均採用不鏽鋼刷對焊道進行清理，層間溫度控制在150 ℃以下，保護氣體選用98%Ar+2%N2，其中添加適量N2是彌補焊縫處的氮損失，氮可以增加奧氏體的比例並使其穩定。具體焊接工藝參數見表2。

表2 焊接工藝參數

焊接工藝熱輸入量E/(kJ·mm-1)保護氣體流量Q/(L·min-1)層間溫度T/℃TIG焊2．315～20≤150SMAW0．7—≤150

1.3 分析測試方法

分別從兩種焊接方法得到的焊接接頭上取焊縫和熱影響區的金相試樣，經過磨製、拋光，利用電子探針的背散射電子原子序數成像技術，對奧氏體相和鐵素體相進行組織觀察。奧氏體相和鐵素體相的相比例使用SP10a型鐵素體儀進行檢測。

從焊縫、熱影響區和母材分別取尺寸為30 mm×20 mm×4 mm的晶間腐蝕試樣，依據GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕——不鏽鋼晶間腐蝕試驗方法》中的方法E——不鏽鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法對晶間腐蝕進行測定。

對晶間腐蝕測定完畢後產生裂紋的試樣在電子探針下對裂紋進行顯微形貌觀察和成份分析，電子探針型號為JXA-8230。

2.1 顯微組織及相比例分析

圖1是不同焊接工藝條件下焊縫區域和熱影響區的背散射電子像，由於奧氏體相中Ni含量要多於鐵素體相，而鐵素體相中Cr含量要多於奧氏體相，因此在背散射電子像中奧氏體相的亮度要大於鐵素體相。從圖1中可以看出兩種焊接工藝在焊縫區域鐵素體內均析出羽毛狀和樹枝狀奧氏體相，並且相互交織在一起成為網狀結構，但是焊條電弧焊白色奧氏體相不如鎢極氬弧焊多，且網狀交織不夠緻密。兩種不同焊接工藝在熱影響區的形貌有較大差異，焊條電弧焊熱影響區奧氏體相和鐵素體相依然按照條帶組織進行分布，而鎢極氬弧焊熱影響區奧氏體相由原來的帶狀逐漸轉變成樹枝狀和羽毛狀，並且相互交織在一起成為網狀結構。

使用SP10a型鐵素體儀對焊縫以及熱影響區鐵素體含量進行測定，焊縫處為58.2%(SMAW)和46.4%(TIG),熱影響區處為51.4%(SMAW)和48.5%(TIG)，說明不論是焊縫處還是熱影響區焊條電弧焊的奧氏體相比例均低於鎢極氬弧焊。

造成上述焊縫和熱影響區組織和相比例的差異主要原因在於不同焊接工藝熱輸入量的不同，鎢極氬弧焊的熱輸入量遠大於焊條電弧焊，因此高溫停留時間長，鐵素體向奧氏體轉變充分，鐵素體晶界和界內不斷形核向奧氏體轉變，這樣奧氏體比例越來越大，隨著生成奧氏體量的逐漸增加，奧氏體相逐漸長大形成網狀結構[6-7]。

2.2 晶間腐蝕結果分析

表3為根據GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕——不鏽鋼晶間腐蝕試驗方法》中的方法E——不鏽鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗方法對焊縫、熱影響區以及母材進行晶間腐蝕的檢測結果。從表3中可以看出焊條電弧焊在焊縫處出現裂紋，而鎢極氬弧焊在焊縫、熱影響區以及母材處均無裂紋出現。

圖1 2205雙相不鏽鋼焊接接頭背散射電子像

表3 2205雙相不鏽鋼焊接接頭晶間腐蝕結果

焊接工藝焊縫熱影響區母材SMAW裂紋完好完好TIG焊完好完好完好

圖2為在電子探針(EPMA)下拍攝的裂紋微觀形貌以及能譜分析。從斷口形貌來看為韌性斷裂，斷口呈韌窩狀，韌窩均勻細小，為等軸韌窩。從圖2中還可以看出，韌窩中心存在夾雜物或者第二相粒子，裂紋即從這些第二相粒子展開。圖3為圖2所示第二相粒子能譜分析(EDS)圖，可以看出這些第二相粒子主要由元素Si，Mg，Mn和O等元素組成。由於焊條電弧焊所用焊條E2209有葯皮的保護，而葯皮主要由Si，Mg，Mn和O等元素組成，因此焊縫區域內的這些第二相粒子主要是由於葯皮內的Si，Mg，Mn的氧化物脫渣不充分而遺留在焊縫金屬內，而Si，Mg，Mn的氧化物與金屬基體電極電位不同，形成腐蝕原電池，因此在進行晶間腐蝕試驗時會出現裂紋。

圖2 焊縫區域裂紋微觀形貌

圖3 第二相粒子的能譜圖

(1)2205雙相不鏽鋼焊接採用熱輸入量較大的鎢極氬弧焊時，焊縫中心及熱影響區奧氏體相要多於熱輸入量小的焊條電弧焊。

(2)2205雙相不鏽鋼採用焊條電弧焊時，熱影響區奧氏體相依然為條帶分布，而熱輸入量高的鎢極氬弧焊熱影響區奧氏體相為網狀結構。

(3)2205雙相不鏽鋼採用焊條電弧焊時焊縫金屬中存在許多第二相粒子，主要是由於脫渣不充分遺留在焊縫金屬中所致，第二相粒子的存在會嚴重影響焊縫中心耐晶間腐蝕性能。

參考文獻：

[1] 陳興潤, 潘吉祥. 2205雙相不鏽鋼焊接接頭組織與性能研究[J]. 焊接, 2014(10):54-57.

[2] 張志昌, 張建鋒, 周友龍. 鐵路貨車2205雙相不鏽鋼的焊接[J]. 焊接, 2011(12):58-60.

[3] 井維海, 陳俊強, 周寶金,等. 焊條電弧焊對2205雙相不鏽鋼焊接接頭綜合性能影響的研究[J]. 焊接, 2009(8):23-26.

[4] Sathiya P, Aravindan S, Soundararajan R, et al. Effect of shielding gases on mechanical and metallurgical properties of duplex stainless-steel welds[J]. Journal of Materials Science, 2009, 44(1): 114-121.

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[7] 吳 玖,姜世振.雙相不鏽鋼[M].北京：冶金工業出版社，2006.

收稿日期：2016-03-21

中圖分類號：TG442

作者簡介：常 靜，1968年出生，大學本科，副教授。主要從事焊接技術教學與研究工作。