焊接參數對2205雙相鋼焊接接頭理化性能的影響

馬蕊　暴春娟　孫忠國

摘 要：2205雙相不銹鋼憑借優越的力學性能和耐蝕性能已得到廣泛應用，雙相鋼的焊接技術也隨著行業的發展而得以深入，該材料焊接工序復雜，工藝要求高，加上雙相鋼設備焊接的特殊性和現場條件的限制，施焊難度很大，為了保證焊接接頭的優良性能，控制焊接熱循環，注意焊接的質量控制要點成為了焊接施工的關鍵。以本文主要分析的就是焊接參數對2205雙相鋼焊接接頭理化性能的影響，進而提出以下內容，希望能夠為同行業工作人員提供相應的參考價值。

關鍵詞：焊接參數；2205；雙相焊接；接頭理化性能；分析

1導言

雙相不銹鋼焊接接頭的力學性能及耐點蝕性能與焊縫中的兩相比例密切相關，而焊接熱輸入則對雙相組織的平衡起著關鍵作用。由于雙相不銹鋼在高溫固態下是穩定的鐵素體組織，冷卻過程中才會生成奧氏體，焊接時若使用過小的熱輸入，熱影響區的快速冷卻將導致奧氏體來不及析出，鐵素體含量過高，沖擊韌性下降；若使用過大的熱輸入，則會使冷卻速度太慢，延長焊縫高溫停留時間，雖然能夠得到足夠的奧氏體，但會導致鐵素體晶粒長大以及σ相等脆性相的析出，造成焊接接頭脆化。

2 2205雙相鋼高壓空冷器制造技術要求

2.1采用比標準更嚴格的硬度值控制以及更合適的硬度檢測方法

2.1.1硬度值控制

大多標準中對2205材料規定硬度值均在HRC29-HRC31，較高的硬度對材料的軋制、焊接及使用會產生不利影響，從出現損傷的設備實際檢測中，其硬度值可達到HRC30以上。因此，在采用2205材料制造加氫高壓空冷器的技術要求中應提出硬度控制要求，從產品的實際數據來看，母材和焊接接頭的硬度值控制在不大于HRC25更為合適。

2.1.2硬度檢測方法

雙相鋼的硬度檢測方法目前主要采用Rock-wellC和Vickers兩種方法，由于雙相鋼材料的特性，一般不采用HBW。維氏硬度和洛氏硬度之間的換算關系也不能采用ASTME140的規定。

2.2腐蝕試驗方法的選擇及要求

用于煉油設備的雙相鋼腐蝕試驗主要有ASGM48-2003《使用三氯化鐵溶液測定不銹鋼及合金耐點蝕和抗縫隙腐蝕試驗的標準方法》。該試驗方法主要用于評定材料耐點蝕開裂的最低臨界溫度（CPT），國內相對應的標準為GB/T17897-1999。對于2205雙相鋼，采用ASTMG48-2003時，通常采用標準規定的方法E。如果需要評價2205雙相鋼的抗縫隙腐蝕（CCT）的能力，可采用該標準的方法B。在雙相鋼的應用工況中，介質中通常含有氯離子和硫化物，因此需要評價雙相鋼耐氯離子腐蝕（CSSS）和抗硫化物應力腐蝕（SCC）的能力。耐氯離子腐蝕（CSSS）試驗可采用ASTMG36-1994《金屬和合金在沸騰氯化鎂溶液中抗應力腐蝕破裂的評定》，國內對應的標準為YB/T5362，兩個標準只規定了試驗方法，對于合格標準需要供需雙方商定。抗硫化物應力腐蝕（SCC）試驗通常采用NACETM0177《金屬耐硫化物應力腐蝕開裂和在硫化氫介質中應力腐蝕開裂的試驗方法》，國內對應標準為GB/T4157。其合格標準可采用外加應力在0.8Rm條件下試樣720h不斷裂的要求。

3試驗材料和方法

3.1 試驗材料

試驗母材選用寶鋼特鋼有限公司的 2205 雙相不銹鋼鋼板，制造標準為 ASME SA-240M-2010，交貨狀態為固溶+酸洗鈍化，規格為 15 mm×150 mm×800 mm。選擇焊接材料時既要保證焊縫金屬的力學性能不低于母材力學性能的標準值，又要保證焊縫金屬具有良好的兩相比例及耐點蝕能力。根據這一原則以及 ASME 標準Ⅱ卷 C 篇規定，本試驗選用安泰科技股份有限公司生產的焊條 E2209（φ4.0 mm）。母材及焊材的化學成分及力學性能分別如表 1 和表 2 所示。

3.2焊接工藝

采用焊條電弧焊，由于過低或過高的熱輸入均會給焊縫和熱影響區的組織和性能帶來不利影響，焊接時必須嚴格控道間溫度小于等于150℃，熱輸入5～15 k J/cm。選取兩對試件，分別采用兩組不同的焊接參數進行焊接，具體焊接工藝參數如表3所示。試件采用數控等離子切割下料，刨邊機加工坡口。焊前使用丙酮清理坡口表面及其周邊50 mm范圍內的油污，道間清理采用不銹鋼專用鋼絲刷以保證焊接前焊道狀態良好，無影響焊接質量的夾雜、污染等。

3.3檢測項目

3.3.1無損檢測

焊后按ASME標準第Ⅴ卷第6章的要求對試件表面進行100%PT檢測，焊縫表面無裂紋、氣孔、咬邊等缺陷；對試件進行100%射線透照檢測，射線底片顯示無裂紋、夾渣、氣孔、未熔合和未焊透等缺陷。

3.3.2理化性能試驗

為了系統考察不同熱輸入對2205雙相不銹鋼焊接接頭綜合性能的影響，對試件進行了一系列理化性能試驗，具體為：（1）按照ASTM E8-2016進行焊接接頭拉伸試驗；（2）按照ASTM E190-2014進行焊接接頭橫向側彎試驗；（3）按照ASTM E23-2016進行焊縫及熱影響區的夏比V型缺口低溫沖擊韌性試驗；（4）按照ASTM G48-2015 A法進行焊接接頭的Fe Cl3點蝕試驗；（5）使用根據AWS A4.2M-2006校準過的FER ITSCOPE FMP30鐵素體儀測量焊縫區的鐵素體含量；（6）按照ASTM E407-2015檢驗焊縫及熱影響區的微觀金相組織。

4結果與分析

4.1力學性能試驗結果

4.1.1 拉伸試驗結果

焊接接頭拉伸試驗結果如表 4 所示。抗拉強度均高于母材（748 MPa），斷口均在母材上，試樣照片如圖 2a、2c 所示，斷口未見明顯的可視性缺陷，說明兩對試件的焊接接頭拉伸性能均良好。試件 S2 的抗拉強度略高于 S1，說明隨著熱輸入的增加，焊接接頭的抗拉強度呈下降趨勢。

4.1.2彎曲試驗結果

彎曲拉伸試驗結果如表 5 所示。8 件試樣經彎曲 180°后用 10 倍放大鏡觀察，受拉面無裂紋等缺陷，說明兩對試件的焊接接頭彎曲性能良好，熱輸入的增加或減少未給焊接接頭的塑性帶來不利影響。

4.2鐵素體及微觀金相試驗結果

4.2.1 耐 Fe Cl3點蝕試驗結果

兩對試件各取一件試樣進行耐 Fe Cl3點蝕試驗，試樣包含母材、熱影響區及焊縫區。將試樣置于600 m L 的 6%Fe Cl3溶液中，恒溫 50 ℃連續試驗72 h，由腐蝕結果可知，隨著熱輸入的增加，試樣的耐點蝕性能略有提高，點蝕大部分發生在熱影響區，因此熱影響區是焊接接頭耐點蝕性能的薄弱區。

4.2.2 鐵素體含量

使用根據 AWS A4.2M-2006 校準過的FERITSCOPE FMP30 鐵素體儀分別測量兩對試件焊縫區的鐵素體數及鐵素體百分含量。檢測結果表明，隨著熱輸入的增加，焊縫區的鐵素體含量呈下降趨勢，說明延緩冷卻速度可以延長鐵素體向奧氏體的轉變溫度區間，從而使更多的鐵素體轉變為奧氏體。

5結論

隨著焊接熱輸入量的增加，2205 雙相不銹鋼焊接接頭的抗拉強度降低，焊縫區的鐵素體含量降低，焊縫及熱影響區的沖擊韌性提高，耐點蝕性能略微升高。熱影響區的低溫沖擊韌性雖然略優于焊縫區，卻是點蝕的高發區，是焊接接頭的薄弱區。通過合理控制焊接參數（即熱輸入量），可以獲得最優的雙相比例以及綜合性能良好的焊接接頭。

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（作者單位：大連萬陽重工有限公司）