雙相不銹鋼2205的焊接工藝對鐵素體含量的影響

李超勝 劉寶鋒

摘要：文章通過對2205雙相不銹鋼性能分析，制定合理的焊接工藝，同時采用兩種不同的焊接方法進行施焊，并對其進行各種性能檢測。結果表明，由于焊前制定了良好的焊接工藝，層間溫度控制嚴格，焊接試板性能優良，鐵素體含量滿足技術要求，抗晶間腐蝕和耐點蝕性能好，能應用到生產制造中。

關鍵詞：雙相不銹鋼；焊接工藝；鐵素體；抗晶間腐蝕；耐點蝕性能 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG142 文章編號：1009-2374（2016）18-0066-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.033

我公司在制作加氫反應器時（管板、換熱管材質為雙相鋼），由于設計文件對焊縫的鐵素體數要求為在35FN～65FN，還必須進行耐晶間腐蝕試驗（按E法進行，試驗標準GB/T 4334-2008）和耐點蝕性能試驗（不銹鋼三氯化鐵法，試驗標準GB/T 17897-1999）。因此為了保證焊接質量，特意對其焊接性能做了研究，進行了焊接工藝評定，滿足了技術要求，并將工藝應用到產品制造中，獲得了成功。

1 材料性能

2205雙相不銹鋼由于具有奧氏體+鐵素體雙相組織，且兩個相組織的含量基本相當，故兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。屈服強度可達400～550MPa，是普通奧氏體不銹鋼的兩倍。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的韌性高，脆性轉變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時又保留了鐵素體不銹鋼的一些特點，如475℃脆性、熱導率高、線膨脹系數小，具有超塑性及磁性等。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的強度高，特別是屈服強度顯著提高，且耐孔蝕性、耐應力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能也有明顯的改善。

2 焊接性能

2205具有良好的焊接性，冷裂紋和熱裂紋的敏感性較小。焊接前不預熱，焊后不進行熱處理。焊接參數及焊材選擇合適時，焊接接頭具有良好的力學性能。

3 焊接工藝評定

根據2205的材料性能及焊接性能，分別制作了2組工藝評定，規格為500×200×10mm。選用的焊接方法一組為鎢極氬弧焊（GTAW），另一組為焊條電弧焊（SMAW）。

3.1 焊材的選擇

雙相不銹鋼選用的焊材，其特點是焊縫組織為奧氏體占優的雙相組織，主要耐蝕元素（鉻、鉬等）含量與母材相當，從而保證與母材相當的耐蝕性。為了保證焊縫中奧氏體的含量，通常是提高鎳和氮的含量，也就是提高約2%～4%的鎳當量。在雙相不銹鋼母材中，一般都有一定量的氮含量，在焊材中也希望有一定的含氮量，但一般不宜太高，否則會產生氣孔。這樣鎳含量較高就成了焊材與母材的一個主要區別。

根據耐腐蝕性、接頭韌性的要求不同來選擇與母材化學成分相匹配的焊材，因此焊絲選用哈爾濱焊接研究所生產的氬弧焊絲ER2209，規格Φ2.0mm；焊條選用天泰生產的E2209-16，規格Φ3.2mm。

3.2 坡口形式與尺寸

根據板材規格，坡口形式采用機械加工成單V形坡口，坡口形式如圖1所示：

3.3 焊接參數

評定選用的焊接參數見表2：

焊接時，為了確保道間溫度≤60℃，采用強制冷卻的方式降低道間溫度。前道焊接完成后，立即使用濕毛巾來回擦拭焊縫兩側母材，直至溫度降至60℃以下。在這種道間溫度下施焊，焊縫表面白中泛著金黃色，而非焊接奧氏體不銹鋼時溫度過高焊縫表面經常出現的天藍色或淡藍色。采用鎢極氬弧焊（GTAW）時，正面與背面（打底焊）都應充

氬氣保護，氬氣純度在99.99%以上，高純度可防止氧化。

3.4 理化試驗

根據所選用的焊接參數進行施焊，焊接完成后進行理化試驗。

3.4.1 力學性能試驗和彎曲試驗。根據《承壓設備焊接工藝評定》（NB/T 47014-2011）規定，截取試樣，進行下列實驗：

第一，拉伸試驗。2件試板拉伸試樣各2件，鎢極氬弧焊（GTAW）抗拉強度為826MPa和834MPa；焊條電弧焊（SMAW）抗拉強度為853MPa和867MPa。

第二，彎曲試驗。面彎試樣各2件，背彎試樣各2件，彎心直徑40mm，彎曲角度180°。經檢測無超過3mm開口缺陷。

3.4.2 焊縫鐵素體含量測定。由于2205是雙相不銹鋼，鐵素體約占50%左右，技術協議要求焊縫鐵素體數為35～65FN。檢測時，分別采用三種方法進行檢測，分別是鐵素體磁性儀、WRC-1992圖法和舍夫勒（Schaeffler）圖法。前一種為磁性法，后兩種方法均為化學分析法。

第一，磁性法。采用校準過的鐵素體磁性測定儀分別對2組試板焊縫表面測量鐵素體數，測量了5處（每處6個點），得到的鐵素體數見表3和表4：

鐵素體數滿足設備技術協議要求的35～65FN。

第二，化學分析法。

WRC-1992圖法。從WRC-1992圖可以看出，橫坐標為鉻（Cr）當量，即把焊縫金屬中這些合金元素的含量折算成鉻的相當含量，其計算公式為：

Creq=Cr+Mo+0.7Nb

圖中縱坐標為鎳（Ni）當量，即把焊縫金屬中這些合金元素的含量折算成鎳的相當含量，其計算公式為：

Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu

式中的元素符號為該元素在鋼中的含量。當確定所需的7種合金元素的化學成分含量后，將其折算成鉻當量和鎳當量，然后根據鉻當量和鎳當量的值，在不銹鋼組織圖上找出相應的點。根據化學分析，得到7種合金元素含量見表5：

根據公式，將合金元素含量代入公式，得到鎳當量與鉻當量含量。從WRC-1992圖法查詢得到的鐵素體數即：鎢極氬弧焊（GTAW）焊縫鐵素體數為60FN，焊條電弧焊（SMAW）鐵素體數為40FN，皆滿足技術協議要求。

舍夫勒（Schaeffler）圖法。由舍夫勒圖得出，橫坐標為鉻（Cr）當量，即把焊縫金屬中某些合金元素的含量折算成鉻的相當含量，其計算公式為：

Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb/%

圖中縱坐標為鎳（Ni）當量，即把焊縫金屬中某些合金元素的含量折算成鎳的相當含量，其計算公式為：

Nieq=Ni+30C+0.5Mn/%

式中的元素符號為該元素在鋼中的含量。當確定所需的7種合金元素的化學成分含量后，將其折算成鉻當量和鎳當量，然后根據鉻當量和鎳當量的值，在不銹鋼組織圖上找出相應的點。根據檢測得到7種合金元素含量，見表6：

根據圖中公式，將合金元素含量代入公式，得到鎳當量和鉻當量。從舍夫勒（Schaeffler）圖法得到的鐵素體含量：鎢極氬弧焊（GTAW）焊縫約為45%；焊條電弧焊（SMAW）焊縫約為50%，都滿足技術協議要求。

3.4.3 晶間腐蝕試驗。根據GB/T 4334-2008中E法（硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法）進行晶間腐蝕性能試驗。試樣經過16h腐蝕后，進行彎曲試驗。彎曲后的試樣在10倍放大鏡下觀察彎曲試驗外表面，未發現因晶間腐蝕而產生的裂紋。

3.4.4 耐點蝕試驗。雙相鋼點蝕性能試驗采用不銹鋼三氯化鐵法，試驗標準GB/T 17897-1999。試樣經24h浸泡，計算腐蝕率。

腐蝕率=

式中：

W前——試驗前試樣重量，g

W后——試驗后試樣重量，g

S?——試樣總面積，m2

t——試驗時間，h

根據計算，鎢極氬弧焊（GTAW）試樣腐蝕率為0.0011g/（m2·h）；焊條電弧焊（SMAW）試樣腐蝕率為0.0015g/（m2·h）。

4 結語

（1）采用良好的焊接工藝既可以滿足技術協議要求的鐵素體含量，也可以獲得優良的力學性能焊接接頭，同時焊縫的耐晶間腐蝕性能、耐點蝕性能也同樣滿足要求；（2）使用鎳含量比母材高、氮含量與母材相當的填充金屬對鐵素體的含量增加也產生影響；（3）采用兩種不同的焊接方法均可滿足焊接技術要求；（4）理想的雙相鋼組織應為鐵素體和奧氏體各占50%，但實際上雙相組織在30%～60%都是正常的，都能滿足生產需要。

參考文獻

[1] 金屬和合金的腐蝕——不銹鋼晶間腐蝕試驗方法（GB/T 4334-2008）[S].

[2] 不銹鋼三氯化鐵點蝕試驗方法（GB/T 17897-1999）[S].

[3] 北京石油化工工程有限公司.雙相不銹鋼（S22053）列管式反應器管束工程技術條件[S].

[4] 邢卓.雙相不銹鋼2205的焊接[J].管道技術與設備，2006，（1）.

作者簡介：李超勝（1981-），男，安徽碭山人，陜西化建工程有限責任公司工程師，在職研究生，研究方向：非標設備制造。

（責任編輯：蔣建華）