焊接方法對(duì)雙相不銹鋼焊接接頭耐蝕性的影響

張三艷，張匯文

(1.海洋石油工程股份有限公司，山東青島266520;2.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江哈爾濱150028)

0 前言

2205雙相不銹鋼具有較高的屈服強(qiáng)度、良好的塑性和低溫韌性，以及優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于化工、石油能源及海洋工程等領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最普遍的雙相不銹鋼［1］。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、熱裂傾向小，但仍然被公認(rèn)為較難焊接的材料［2，3］，存在的主要問(wèn)題是焊接熱循環(huán)引起的焊縫耐蝕性以及塑韌性降低［4，5］。由于雙相不銹鋼的性能優(yōu)良，幾乎所有的焊接方法均可用于雙相不銹鋼，常用的方法有氣體保護(hù)鎢極氬弧焊(GTAW)、氣體保護(hù)金屬極弧焊(MIG)、藥芯焊絲電弧焊(FCW)、焊條電焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)等。本文針對(duì)雙相不銹鋼接頭的耐蝕性降低的問(wèn)題，研究了GTAW、SMAW以及SAW三種焊接方法對(duì)2205雙相不銹鋼接頭的耐腐蝕性能的影響，為其焊接方法的選擇提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 焊接材料及工藝

試樣母材為2205雙相不銹鋼管，其化學(xué)成分如表1所示。分別采用GTAW、SMAW和SAW三種焊接方法對(duì)其進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊接完成后，經(jīng)過(guò)無(wú)損檢測(cè)合格，再對(duì)焊接接頭的耐蝕性進(jìn)行評(píng)定。

表1 2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

1.2 鐵素體相比例實(shí)驗(yàn)

鐵素體相比例實(shí)驗(yàn)按照ASTM E562進(jìn)行。首先，對(duì)試樣進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光，采用30 g KOH+30 g K3Fe(CN)6+100 mLH2O著色腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，腐蝕后鐵素體呈灰色，奧氏體呈白色。將腐蝕后的試樣在萊卡共聚焦DM2500M/S6D顯微鏡下觀察微觀組織，放大倍數(shù)為500倍，觀察位置覆蓋了整個(gè)焊接接頭的厚度方向。然后，對(duì)焊縫區(qū)、母材及熱影響區(qū)的鐵素體含量通過(guò)人工數(shù)點(diǎn)的方法確定鐵素體相比例。實(shí)驗(yàn)測(cè)試每個(gè)視野網(wǎng)格包含100個(gè)(10×10)等間距的點(diǎn)，每個(gè)區(qū)域?yàn)?0個(gè)測(cè)量視野，合計(jì)1000個(gè)點(diǎn)。

1.3 點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)

點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)按照ASTM G48 Method A進(jìn)行。首先，將試樣的各個(gè)面用1000號(hào)砂紙磨光。然后，將試樣放在恒溫浴槽中的腐蝕液中，腐蝕介質(zhì)為100 g FeCl3·6H2O+900 mL蒸餾水，實(shí)驗(yàn)溫度22℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為72 h。用腐蝕速率評(píng)定接頭的耐點(diǎn)蝕性能。

1.4 CO2應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

CO2應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)按照ASTM G39進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)溫度為50℃，CO2分壓為10 kPa，使用四點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溶液為10%NaCl和0.5%的 CH3COOH，PH值控制在4.5，施加應(yīng)力為90%的名義屈服強(qiáng)度。用腐蝕速率評(píng)定接頭的耐CO2應(yīng)力腐蝕性能。

2 結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

母材及不同焊接方法所得接頭的焊縫及熱影響區(qū)的組織形貌如圖1～圖2所示。由圖1可知，母材2205的顯微組織由約50%的鐵素體(灰色)和約50%的奧氏體(白色)雙相組成，且鐵素體和奧氏體組織沿軋制方向呈帶狀分布。由圖2a，2b，2c可知，從焊縫鐵素體中析出的奧氏體分布于鐵素體的晶界或晶內(nèi)，但是焊接方法影響焊縫中鐵素體的形貌特征。GTAW焊縫由于焊接熱輸入小，組織細(xì)小，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征，在塊狀組織中，γ相被α相包圍在一起，且塊狀γ相中還有點(diǎn)狀的 α相。SMAW和SAW焊縫為方位不一的條狀組織形態(tài)和少量的塊狀組織，由于熱輸入大，導(dǎo)致晶粒粗大。另外，焊縫中鐵素體的含量與焊接熱輸入密切相關(guān)，焊接熱輸入較大鐵素體含量較低，這是因?yàn)楹附訜彷斎氪螅邷赝Ａ魰r(shí)間長(zhǎng)，奧氏體有充分的時(shí)間從鐵素體中析出。由圖2d，2e，2f可知，熱影響區(qū)組織形態(tài)與母材類(lèi)似，由條狀或塊狀的奧氏體和鐵素體相間排列。

圖1 母材顯微組織

圖2 不同焊接方法焊縫和熱影響區(qū)顯微組織

2.2 鐵素體相比例實(shí)驗(yàn)

要保證雙相不銹鋼焊接接頭具有同母材相近的優(yōu)良耐腐蝕性能，焊接接頭中鐵素體和奧氏體要保持一定的比例，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鐵素體含量在35% ～55%，能保證焊接接頭具有良好的耐蝕性能。因此，測(cè)定焊接接頭的相比例是非常必要的。2205雙相不銹鋼GTAW、SMAW和SAW接頭母材、焊縫、熱影響區(qū)的鐵素體含量如圖3所示。由圖可知，三種焊接方法接頭母材和熱影響區(qū)的鐵素體含量較高，焊縫區(qū)鐵素體含量較少。GTAW和SMAW焊接方法所得到的焊縫和熱影響區(qū)中的鐵素體含量均能滿足35%～55%的比例，因此可以認(rèn)定GTAW和SMAW雙向不銹鋼焊接接頭組織中相比例是可以滿足要求的。但是，SAW接頭熱影響區(qū)的鐵素體含量滿足要求，而焊縫區(qū)鐵素體含量不足20%，因而認(rèn)定SAW不合格。SAW接頭焊縫區(qū)的鐵素體含量低與焊接熱輸入密切相關(guān)，當(dāng)焊接熱輸入高時(shí)，冷卻時(shí)間得到延長(zhǎng)，提升了轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定了相平衡，奧氏體轉(zhuǎn)變較完全，導(dǎo)致鐵素體含量較低，這與圖1～圖2所示的組織特征所得結(jié)論一致。

圖3 GTAW、SMAW和SAW接頭鐵素體含量

2.3 點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)

GTAW、SMAW和SAW接頭點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知，焊接方法不同，點(diǎn)蝕速率稍有差別，GTAW的點(diǎn)蝕速率最低，SMAW的點(diǎn)蝕速率較高，SAW的點(diǎn)蝕速率最高。點(diǎn)蝕速率的高低與接頭組織中兩相的比例有關(guān)，兩相的比例在50%左右時(shí)耐蝕性最好，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與鐵素體相比例實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

表3 2205雙相不銹鋼焊接接頭的腐蝕速率

2.4 CO2應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

GTAW、SMAW和SAW接頭耐應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表可知，雖然經(jīng)過(guò)7天腐蝕，GTAW、SMAW和SAW試樣表面均未出現(xiàn)裂紋，但是CO2應(yīng)力腐蝕速率依次增加。這說(shuō)明隨焊接熱輸入增加，CO2應(yīng)力腐蝕敏感性增加。

表4 CO2應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)焊接方法影響焊縫組織形貌。GTAW焊縫焊接熱輸入小，組織細(xì)小，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征。SMAW和SAW熱輸入大，晶粒粗大，焊縫為方位不一的條狀組織形態(tài)和少量的塊狀組織。

(2)焊接方法對(duì)焊縫的鐵素體含量影響較大。GTAW和SMAW焊縫的鐵素體含量為35%～55%，而SAW焊縫的鐵素體含量不足20%。

(3)焊接方法影響接頭的耐點(diǎn)蝕和CO2應(yīng)力腐蝕性能。GTAW，SMAW和SAW接頭的耐點(diǎn)蝕和CO2應(yīng)力腐蝕敏感性依次增加。

(4)鑒于2205雙相不銹鋼接頭的鐵素體相比例和耐蝕性要求，GTAW和SMAW能夠獲得滿意的接頭。若采用SAW，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入，以保證焊縫的鐵素體相比例。

［1］ 張建勛，李為衛(wèi).2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬組織與沖擊韌性［J］.焊管，2006，29(5):21－24.

［2］ Mats Liljas.Thewelding metallurgy of duplex steel［C］International Duplex Stainless Steel Conference.China:Beijing，2003，25－ 39.

［3］ Rouault P，Bonnet C.Make the duplex and super－ duplex welding easier through metallurgical and practical simple recommendations［C］International Duplex Stainless Steel Conference.China:Beijing，2003，95 －97.

［4］ Kordatos JD，F(xiàn)ourlaris G，Papadimitriou G.The effect of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of UNS 31803 duplex stainless steel welds［J］.Scripta Mater，2001，44(3):401－408.

［5］ 熊慶人，霍春勇，李為衛(wèi)，等.2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為［J］.焊接學(xué)報(bào)，2007，28(11):53－57.