S31803雙相不銹鋼焊接接頭組織及耐蝕性能研究

常 靜，梁 艷，羅 磊

（甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅嘉峪關735100）

0 前言

S31803雙相不銹鋼具有鐵素體（α）和奧氏體（γ）兩相組織結構，其性能兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。因耐腐蝕性能優異和強度高，目前S31803多應用于耐腐蝕場合，已經在很多可能發生應力腐蝕裂紋和點蝕的應用環境中替代奧氏體不銹鋼，且它們在這些腐蝕環境下的強度相當高，因此廣泛應用于石油化工、海上化學產品儲罐、海水交換器等領域[1-3]。焊接接頭耐蝕性能對于產品的質量具有重要意義。本研究采用鎢極氬弧焊焊接S31803雙相不銹鋼，對比分析在保護氣體Ar中加入φ（N2）2%和采用純Ar保護所獲得焊接接頭的組織和耐蝕性的差別。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料為S31803雙相不銹鋼，板厚40mm；焊接材料為φ2.0mm的ER2209焊絲，母材和焊絲主要化學成分如表1所示。

表1 S31803母材及ER2209焊絲化學成分%

1.2 實驗方法

試板開60°V型坡口，根部間隙2.5～4.0mm，采用GTAW進行多層多道焊，為避免脆性相的析出，層間溫度小于等于150℃，保護氣體分別采用φ（Ar）98%+φ（N2）2%和純 Ar，混合氣體中添加 N2時需將氣體混合均勻。焊接工藝參數如表2所示。

表2 焊接工藝參數

1.3 分析測試方法

1.3.1 金相組織及定量分析

采用DMI3000M萊卡金相顯微鏡分析接頭顯微組織，利用分析軟件定量分析焊接接頭的兩相比例。

1.3.2 點腐蝕實驗

在焊接接頭部位取50mm×25mm×20mm點腐蝕試樣，依據ASTM A923C《奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的金屬間不良化合相的標準檢測方法》測定焊接接頭的點蝕速率，將樣品水平置于6%FeCl3溶液中22℃恒溫水浴24 h（試樣置于溶液中部）。

1.3.3 電化學實驗

實驗采用單層電板電解池，參比電極為飽和Ag/AgCl電極，輔助電極為鉑電極，利用CS350電化學工作站進行動電位掃描實驗，溶液介質采用3.5%NaCl溶液，恒溫30℃，以0.2 mV/s的掃描速度進行測量，起始電位為-0.2 V（相當開路電位），終止電位為2 V（相對開路電位）。

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織及相比例

S31803焊縫接頭金相組織如圖1所示，圖中白色部分為奧氏體相，灰黑色部分為鐵素體相。焊縫中心區域奧氏體相呈樹枝狀和羽毛狀，熱影響區鐵素體晶粒長大，奧氏體沿著鐵素體晶粒呈島狀分布。利用金相分析軟件自帶的定量分析功能測定焊縫區域和熱影響區兩相比例，測定結果顯示：保護氣體為φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊縫γ相占比達到60%，而保護氣體采用純Ar的焊縫γ相僅為52%；保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的熱影響區 γ 相為48%，純Ar焊接工藝的熱影響區γ相為42%。

N元素在S31803母材何ER2209焊絲中均作為合金元素進行添加，N作為奧氏體形成元素可以提高奧氏體的穩定性、平衡兩相比例、提高耐點蝕能力。雙相不銹鋼在熔焊過程中N元素會變成氣體溢出熔池，當保護性氣體中增加N2可彌補母材和焊絲N的損失，提高焊縫以及鄰近熱影響區的奧氏體含量，并且N2的加入會促使δ向γ轉變溫度的提高而縮短晶粒粗化時間，因此保護氣體添加N2的接頭焊縫區域以及熱影響區會有更多的奧氏體相。

2.2 焊接接頭的點腐蝕實驗

根據ASTM A923C《奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的金屬間不良化合相的標準檢測方法》對焊接接頭的耐點蝕性能進行評定，不同焊接工藝焊接接頭點腐蝕實驗后照片如圖2所示。可以看出，保護氣體采用純Ar焊接工藝的2#試樣出現點蝕孔，如圖中圓卷所示，而保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的1#樣未出現明顯點蝕孔，經過拋光腐蝕后發現點蝕孔位于焊縫區域。

兩個試樣腐蝕速率結果如表3所示。由表3可知，保護氣體采用純Ar的焊接接頭腐蝕速率為28.8 mdd（mg/dm2·d），遠超過標準要求的 10.0 mdd，而保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的焊接接頭腐蝕速率為6.4 mdd，滿足標準要求。保護氣體中添加N2能對焊接接頭起到N合金化作用。N可在表面膜以及膜與基體界面處富積，形成富鉻的氮化層，增加鈍化膜中鉻的含量，提高耐點蝕性能。N還可在腐蝕過程中形成NH4+，消耗部分H+，起到緩蝕作用。在含Mo雙相不銹鋼中，N可以與Mo結合形成Ni2Mo2N，使鈍化膜更加穩定。以上原因會增加焊接接頭的耐點蝕能力[4-5]。

2.3 焊接接頭電化學實驗

S31803雙相不銹鋼在兩種不同焊接工藝條件下焊縫區域陽極極化曲線如圖3所示。部分極化曲線腐蝕性能特征值如表4所示。點蝕電位Eb為鈍化膜開始破裂的電位，Eb越高，耐蝕性能越好。再鈍化電位Ep是評價鈍化膜是否容易修復的特征電勢，Eb-Ep值越小，鈍化膜修復能力越強[6]。由表4可知，保護氣體添加N2的工藝焊縫點蝕電位Eb高于保護氣體不添加N2的工藝，說明保護氣體添加N2的焊縫點蝕敏感性較低。保護氣體添加N2的工藝焊縫Eb-Ep值小于保護氣體不添加N2的工藝，說明保護氣體添加N2其焊縫鈍化膜的自修復能力較強。

圖1 不同焊接工藝焊接接頭組織

圖2 不同焊接工藝焊接接頭點腐蝕實驗后照片

表3 點腐蝕速率結果

圖3 不同焊接工藝焊縫陽極極化曲線

表4 極化曲線腐蝕性能特征值

3 結論

（1）保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊接接頭，其焊縫區和熱影響區會促使更多奧氏體相轉變，抑制并延緩Cr23C6析出，提高焊接接頭的耐點蝕能力。

（2）保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊接接頭點腐蝕腐蝕速率為6.4mdd，無點蝕孔出現，滿足標準ASTM A923C要求，而純Ar氣體保護的焊接接頭無法滿足相應要求。

（3）電化學實驗表明，保護氣體采用φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的焊縫耐點蝕能力以及鈍化膜修復能力均好于純Ar氣體保護焊接工藝的焊縫。

參考文獻：

[1]昌敬源，石巨巖，謝貴生，等.焊接工藝對2205雙相不銹鋼焊接接頭組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2009，34（9）：40-43.

[2]常靜，趙雅，陸小斌，等.2205雙相鋼焊接工藝[J].焊接，2016（12）：70-72.

[3]吳玖，姜世振.雙相不銹鋼[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[4]包曄峰，胡網勤，蔣永鋒，等.2205雙相不銹i鋼焊接接頭微區耐點蝕性能分析[J].焊接學報，2011,32（11）：81-84.

[5]Deng Bo，Wang Zhiyu，Jiang Yiming，et al.Effect of thermal cycles on the corrosion and mechanical properties of UNS S31803 duplex stainless steel[J].Corrosion Science，2009（51）：2969-2975.

[6]曹楚南.腐蝕電化學原理[M].北京：化學工業出版社，1985.