雙相不銹鋼在不同焊接位置下接頭性能研究

聶加俊，王龍富

蕪湖造船廠有限公司 安徽蕪湖 241001

1 序言

蕪湖造船廠有限公司承建的28000化學品船貨艙區域采用雙相不銹鋼材料2205，雙相不銹鋼不僅具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的性能優點，而且也進一步克服了奧氏體不銹鋼所固有的焊接熱裂傾向大、抗晶間腐蝕性能差、氯離子環境下的應力腐蝕抗力明顯不足以及鐵素體不銹鋼焊接性差、耐點腐蝕性能較低等常見問題[1]。2205屬于典型的雙相不銹鋼，其奧氏體和鐵素體體積分數各占一半。通過焊接加工，焊接接頭區域（焊縫區、熔合區、熱影響區）的雙相組織體積分數及金屬化合物析出直接影響接頭的性能，特別是點腐蝕性能。

眾所周知，焊接位置的不同直接影響焊接熱輸入大小，過大熱輸入則會使冷卻速度太慢，延長了焊縫高溫停留的時間，雖然得到足夠的奧氏體，但會導致晶粒長大以及σ相等脆性相的析出，造成焊接接頭脆化；過小的熱輸入，冷卻速度過快，奧氏體析出不足，鐵素體含量過大，導致韌性不足[2，3]，因此必須選擇適合的熱輸入。本試驗通過控制橫焊及立焊位置的熱輸入，從而確定滿足使用性能的熱輸入范圍。

2 試驗材料及方法

試驗選用的材料為新日鐵公司提供的雙相不銹鋼2205板材，制造標準、交貨狀態為固溶處理+酸洗鈍化，規格為14mm×150mm×450mm。焊接材料首先滿足力學性能要求，同時也應滿足點腐蝕要求。為此，焊材選擇φ1.2mm的AVSTA藥芯焊絲FCW2205-PW進行試驗，2205雙相不銹鋼、焊材的化學成分及力學性能見表1、表2。

3 焊接坡口及參數

采用等離子數控切割對板材下料、機械加工坡口，為提高生產效率，本次試驗采用單面焊雙面成形方式，反面墊陶瓷襯墊，接頭形式如圖1所

表1 2205雙相不銹鋼及焊材的化學成分（質量分數） （%）

表2 2205雙相不銹鋼及焊材的力學性能

示。由于板材較厚，焊接時采用多層多道焊形式。焊前對坡口周圍30mm范圍進行打磨并用丙酮或者無水酒精擦洗。道間清理用不銹鋼鋼絲刷，以保證每道焊道清潔。焊接參數見表3，層間溫度控制在60~100℃之間。由表3可知，立焊采用的熱輸入明顯高于橫焊。

圖1 坡口形式

表3 焊接參數

4 檢測項目

（1）無損檢測 焊接完成后對焊縫區域進行射線和滲透檢測，射線底片顯示焊縫無裂紋、未熔合、夾雜及氣孔等缺陷，檢測結果表明，試板無缺陷，符合要求。

（2）性能試驗項目 為系統測試接頭綜合性能，根據船級社規范要求（CCS），對接頭進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度性能測試及抗點腐蝕試驗項目，同時測定鐵素體含量及金屬化合物。

5 試驗結果及分析

（1）力學性能試驗結果 根據船級社規范要求，每個位置選取拉伸試樣2件，進行拉伸試驗 。沖擊試驗分別取在焊縫、熔合線、距熔合線2mm及5mm位置，試驗數據見表4。

由表4可知：拉伸斷裂處均在焊接熱影響區域，橫焊的抗拉強度高于立焊，焊縫區域的韌性基本相同。一般認為奧氏體較鐵素體韌性要好，鐵素體含量測定結果顯示：立焊的鐵素體含量低于橫焊，雖然奧氏體析出較多，但立焊奧氏體晶粒度與橫焊比較，較為粗大，所以焊縫區域的韌性基本相當。拉伸斷裂處均在熱影響區域，立焊數值低于橫焊，由于在熱影響區發生奧氏體二次轉變，在冷卻速度較慢情況下，出現了粗大晶粒等現象，降低了接頭強度。

表4 力學性能試驗結果

（2）鐵素體含量及點腐蝕 對橫焊、立焊接頭區域進行鐵素體含量測定，要求鐵素體含量（體積分數）為30%~70%，測定方法按照ASTM E562—2011，各個區域測量結果見表5。

由表5可知，立焊焊縫區域的鐵素體含量明顯低于橫焊，熱影響區基本相同，根據Fe-Cr-Ni三元相圖，雙相不銹鋼焊縫區域在冷卻凝固初期都是鐵素體相；冷卻凝固時，奧氏體相在鐵素體相基體中析出，該階段時間越長，奧氏體析出越充分，同時晶粒粗大可能性就越大。所以較大熱輸入，對冷卻速度有一定的影響，導致了奧氏體含量變高，而對于較厚板材的焊接都采用多層多道焊，后道焊縫對前道焊縫有熱處理作用，使得奧氏體充分析出，導致形成奧氏體含量超過鐵素體的結果，并可能帶來晶粒粗大。而熱影響區雖然受到焊接熱量影響，但溫度較低，時間較短，雙相之間的變化不明顯，該區域的雙相比例基本不會發生變化。

表5 鐵素體含量（體積分數） （%）

點腐蝕試驗標準參考CCS材料與焊接參數，配制好6%三氯化鐵作為腐蝕液，溶液PH值控制在1.3。試驗溫度22℃（精度要求在1℃），保持24h[4]。腐蝕完成后進行稱重（精度到1mg）。腐蝕試驗結果見表6。

表6 腐蝕試驗結果

由于立焊鐵素體含量較低，導致了抗點腐蝕程度降低，由表6可知，立焊的腐蝕率高于橫焊，但在規范要求范圍之內，所以滿足產品性能要求。

（3）金屬化合物測定 對試樣的焊縫及熱影響區進行金屬化合物測定，雙相不銹鋼金屬化合物大多是高溫時間停留過長而產生，金屬化合物等雜質相的出現對接頭的腐蝕及力學性能都帶來很大的影響。通過電鏡觀察，接頭區域未出現金屬化合物（見圖2）。

圖2 接頭區域組織

（4）硬度 對立焊、橫焊位置的接頭進行硬度測試，各區域硬度分布如圖3所示

圖3 接頭各區域硬度分布

由圖3可以看出，熱影響區及熔合區域硬度基本相同，而焊縫區域下降，在同樣區域橫焊的硬度高于立焊，說明大熱輸入帶來硬度相對下降，這主要和奧氏體含量有一定關系。

6 結束語

1）立焊的熱輸入較大，使冷卻速度較慢，焊縫區域產生的奧氏體含量要高于鐵素體，因此硬度低于橫焊焊縫的硬度。

2）立焊位置鐵素體含量較低，耐點腐蝕效果要低于橫焊；合理的熱輸入是保障雙相組織含量比例的重要因素。

3）熱影響區在焊接熱作用下，發生了奧氏體二次轉變，立焊冷卻速度較慢，出現了力學性能下降現象。

4）不同位置采用的熱輸入應控制在最小（橫焊）和最大（立焊）范圍內，即可得到滿意的接頭。