雙相不銹鋼/奧氏體不銹鋼異種接頭CMT焊接工藝研究

汪瑞　李朋

摘 要：奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼由于具有塑性、韌性、耐高溫和耐腐蝕的性能，在實際生產中得到了廣泛的應用。本課題采用CMT焊對2205雙相不銹鋼與304奧氏體不銹鋼進行異種接頭焊接研究，經過試驗，結果表明，焊接接頭的抗拉強度不低于304母材，且塑性良好。

關鍵詞：2205雙相不銹鋼;304奧氏體不銹鋼;焊接工藝;接頭性能

1 試驗材料

1.1 焊接試驗母料

這次試驗所用的母材為00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼（SAF2205）與0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼（304），規格均為200×15×4mm。這兩種母材的化學成分如下表所示：

試驗母材的化學成分（wt%）

合金元素 C Mn P S Si Cr Ni Mo N

SAF2205 0.016 0.82 0.024 0.001 0.036 22.48 5.46 3.12 0.16

304 0.08 1.78 0.03 0.02 0.48 19.2 8.4 - -

1.2 保護氣體及填充材料

該試驗中所用的保護氣體是純Ar。根據測試條件，使用合理的氣流來確保最佳的保護效果。試驗用填料為ER2205（φ1.2mm）。焊絲根據不銹鋼氣體保護焊焊絲選擇原則，在焊接用的不銹鋼焊絲，它的化學成分與母材的是相差不多，只是不銹鋼焊絲化學成分中Cr和Ni的含量要稍微高于母材，但含它的碳量就要母體的要低一些。

試驗焊絲的化學成分（wt%）

合金元素 C Mn P S Si Cr Ni Mo N

ER2205 0.013 1.54 0.018 0.007 0.49 22.92 8.61 3.18 0.17

2 焊接工藝

2.1焊接方法及設備

此次試驗所采用的焊接方法為CMT（Cold Metal Transfer）冷金屬過渡技術焊接方法。冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）技術是一種新型GMA焊工藝技術，它是在短路過渡的基礎上發展而成的。

焊接設備為自動CMT焊機，其焊機為Fronius公司生產和它的型號為FX 4000-R，如圖2.1所示。焊接設備如圖2.2所示。

2.2 坡口形式

坡口選用機械方法來加工，加工的坡口型式為V型。在加工完了后對坡口做檢查，若有影響焊接質量的那些凹凸不平處得要做修平后用丙銅進行擦洗就能拿去焊接了。

2.3 焊接過前后的保護措施

DSS和304奧氏體不銹鋼都是耐腐蝕材料。焊接過程當中，母材的保護是很有必要的，所以要盡量地避免碳、石墨和其它雜質等去污染不銹鋼。在材料表面上的起弧和弧擊是一個瞬間的高溫過程和它的冷卻的速度非常快，同時在表面顯微組織中的鐵素體含量過高就會使這類結構對裂紋和侵蝕都相對敏感，因此需要盡最大的可能去避免這種的發生。還有在焊接過程當中，工具得要保持清潔。

2.4 試驗所用的焊接工藝參數

本試驗對DSS與304奧氏體不銹鋼異種接頭CMT焊接進行了焊接工藝方案設計，以此得到的更好焊接接頭，讓它的的雙相比例鐵素體和奧氏體各占一半左右，還有降低碳元素的移動。在焊接工藝參數試的驗結果中，挑選出更加適合的焊接工藝參數，讓焊接接頭變得更加良好。焊接工藝的參數如下表所示。

3 焊接接頭力學性能試驗

3.1 焊接接頭拉伸試驗

對母材焊接完成后，再進行試樣的制備，這就需要在整個焊縫上選取焊接最好的一段，然后將所選取的拉伸材料進行拉伸。按照GB2651- 89《焊接接頭拉伸試驗方法》進行取樣。在取樣時，需要嚴格地按照國家標準規定的尺寸進行取樣，試驗在WDW-50微機控制電子萬能試驗機上進行。

焊接接頭的拉伸試樣應包括母材、熱影響區和焊縫這三個部分

3.2 焊接接頭彎曲試驗

彎曲試驗是用來評價焊接接頭的塑性變形能力和顯示受拉面的焊接缺陷。按照GB2653-89《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》，采用橫向正面彎曲（收拉面為焊縫正面）的試驗方法。

3.3 焊接接頭硬度試驗

焊接完成后，需要在整個焊縫上選取焊接較好的一段再對焊接接頭附近進行取樣，然后用砂紙將把試樣給磨平，直到磨成平坦光滑的表面時才能完成對試樣打磨。按照GB2654-89《焊接接頭和堆焊金屬硬度試驗方法》，對MV-VK型顯微硬度鏡進行焊接接頭硬度試驗。

3.4 拉伸及彎曲試驗

根據GB2651-89、GB2653-89，用WDW-50微機控制電子萬能試驗機進行接頭拉伸和彎曲試驗。拉伸和彎曲的結果：

拉伸與彎曲試驗結果

試樣 抗拉強度σb/MPa 延伸率δ/% 斷裂位置 彎曲（a=180）

正彎 背彎

接頭A 651.2 38.2 304母材 合格 合格

接頭B 637.3 38 304母材 合格 合格

接頭C 655.8 38.2 304母材 合格 合格

由上表可知，焊接接頭的抗拉強度值在637.3-655.8之間，斷裂位置是在304奧氏體不銹鋼母材這一邊，它體現了焊接接頭的抗拉性能是很好的。假如斷裂位置是在焊縫或者熱影響區，那只能說明得到的焊接接頭不合格。

焊接接頭彎曲試驗，正彎和背彎180度，接頭都沒有斷裂，說明了焊接接頭有很好的彎曲性能。

3.5 硬度試驗

根據GB2654-89，用MH-VK顯微硬度鏡載荷500g，在焊接接頭焊縫、熱影響區、母材進行硬度測試。硬度測試結果：

硬度試驗結果

試樣 熔合線附近硬度/HV 母材

2205鋼 304鋼 2205鋼 304鋼

接頭A 256.4 203.4 241.3 183.9

接頭B 264.1 196.6 247.2 188.7

接頭C 249.8 207.2 242.5 181.6

由上表可知，在2205雙相不銹鋼一則熔合線附近和中心焊縫的硬度要比2205雙相不銹鋼2205雙相不銹鋼母材高;同樣304奧氏體不銹鋼一側和中心焊縫的硬度也比304母材高。這是因為在焊接過程當中，接頭組織中的一部分奧氏體轉變為鐵素體，因此接頭中的熱影響區中的鐵素體的含量相對較高使它的的硬度要大于比奧氏體的。

結 論

本課題針對雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼異種接頭CMT焊接展開了一些基礎的研究，得到了以下幾個主要的結論：

（1）DSS與奧氏體不銹鋼連接的焊接方法選用CMT焊接，在使用純氬氣的保護下，可以獲得穩定的電弧與優良的接頭焊縫成形。

（2）選用CMT焊最佳的工藝參數，并對焊接工藝的接頭性能進行測試。主要分析了焊接接頭的焊接方式、填充材料、焊接參數等因素對焊接接頭的組織、力學性能等的影響。對焊接接頭的力學性能進行測試，得出拉伸試樣在強度相對較低的304母材側斷裂;在硬度試驗結果中得出2005鋼側的熱影響區中的顯微硬度要比母材和焊縫要高，304鋼側的熱影響區的硬度也高于304母材。

參考文獻

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