2205雙相不銹鋼SAW焊接熱裂紋消除

周 誼

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

2205雙相不銹鋼特點(diǎn)如下：(1)與奧氏體不銹鋼相比，導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)小，包含2種組織，熱裂紋傾向和變形??；(2)與低合金高強(qiáng)鋼相比，在組織中含有50%奧氏體，冷裂紋傾向小。

2205雙相不銹鋼焊接要點(diǎn)如下：(1)焊接線能量過低，工件冷卻速度過快，焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生過多的鐵素體組織和金屬氮化物，會(huì)降低焊接接頭的抗腐蝕性和韌性；(2)焊接線能量過高，工件冷卻速度過慢，焊縫及熱影響區(qū)可能析出金屬間化合物，會(huì)降低焊接接頭的抗腐蝕性和韌性。

埋弧焊(Submerged Arc Welding，SAW)焊接問題如下：(1)變形大，精度控制難度大；(2)熱輸入量過大或過小均會(huì)使雙相組織受到破壞，影響其具有的力學(xué)性能及耐腐蝕性；(3)焊接參數(shù)不適合會(huì)引起一系列的焊接缺陷。

1 問題分析

某公司制造2205雙相不銹鋼(板厚10.0 mm)承壓設(shè)備，筒體縱向?qū)雍缚p采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Gas Tungsten Arc Welding，GTAW)+SAW。在設(shè)備制造過程中，SAW焊接出現(xiàn)嚴(yán)重問題：縱焊縫在中心線部位開裂，裂紋為縱向熱裂紋，裂紋深度約3.0 mm，如圖1所示。

圖1 焊縫縱向熱裂紋

拉應(yīng)力是產(chǎn)生熱裂紋的外因，晶界上的低熔點(diǎn)共晶體是產(chǎn)生熱裂紋的內(nèi)因，拉應(yīng)力作用在低熔點(diǎn)共晶體處的晶界上造成裂紋。為防止熱裂紋產(chǎn)生，應(yīng)減少低熔點(diǎn)共晶體的產(chǎn)生：(1)焊前母材、焊材均應(yīng)仔細(xì)清理，去除有害雜質(zhì)；(2)焊材應(yīng)選用化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))P、S、Zn、Cu等有害物質(zhì)少的材料；(3)在焊接時(shí)減少熱輸入量。

分析如下：10.0 mm板開V形坡口，GTAW打底+SAW填充、蓋面(見圖2)，最后一道SAW蓋面焊縫余高為0～0.5 mm，因此焊縫冷卻收縮速度快，應(yīng)力大于焊縫強(qiáng)度，造成焊縫開裂。

圖2 焊道布置示例

2205雙相不銹鋼板材、焊材的相關(guān)力學(xué)性能、化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1～表4所示。

表1 2205雙相不銹鋼力學(xué)性能(板厚10.0 mm)

表2 2205雙相不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(板厚10.0 mm) %

表3 GTAW焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(天泰ER2209/直徑2.4 mm) %

表4 SAW焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(Avesta ER2209/直徑3.2 mm) %

2 對(duì)比試驗(yàn)

SAW焊劑選用Avesta 805堿性燒結(jié)焊劑，在焊劑中添加Cr元素，以保證焊縫金屬的性能要求。同時(shí)，在焊劑中有一定量的SiO2，可將焊劑堿度控制在1.7，以減少焊劑的熔化量，減小熔寬波動(dòng)，避免焊道邊緣不良的成型效果，確保焊縫美觀[1]。

2.1 試板焊接工藝參數(shù)

按相關(guān)要求，使用原焊接工藝(見表5)和新焊接工藝(見表6)分別焊接1號(hào)試板和2號(hào)試板。1號(hào)試板在平板自由收縮狀態(tài)下與筒體縱焊縫受力狀態(tài)有差別，雖然兩者焊接工藝相同，但1號(hào)試板并沒有出現(xiàn)裂紋，如圖3～圖5所示。

圖3 1號(hào)試板外觀

圖4 2號(hào)試板外觀

圖5 筒體縱焊縫受力示例

表5 1號(hào)試板焊接工藝參數(shù)(原焊接工藝)

表6 2號(hào)試板焊接工藝參數(shù)(新焊接工藝)

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

1號(hào)試板按ASME Ⅸ標(biāo)準(zhǔn)要求，做拉伸×2、面彎×2、背彎×2、沖擊×6，試驗(yàn)結(jié)果均合格。2號(hào)試板按ASME Ⅸ標(biāo)準(zhǔn)要求，做拉伸×2、面彎×2、背彎×2、沖擊×6，試驗(yàn)結(jié)果均合格。試驗(yàn)結(jié)果如表7～表9所示。

表7 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表8 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表9 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.3 晶間腐蝕試驗(yàn)

圖6 1號(hào)試板晶間腐蝕

圖7 2號(hào)試板晶間腐蝕

2.4 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

2.5 綜合分析

2號(hào)試板采用新焊接工藝，最大焊接電流增加至500 A，焊接速度提高至50.00～55.00 cm/min，但最大熱輸入量為19.8 kJ/cm，熱輸入量并沒有明顯增加。2號(hào)試板力學(xué)性能試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)、點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 問題解決

使用2號(hào)試板的新焊接工藝重新焊接筒體縱焊縫，經(jīng)無損檢測(cè)，無裂紋產(chǎn)生。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：新焊接工藝的焊縫余高(2.0～3.0 mm)明顯高于原焊接工藝的焊縫余高(0～0.5 mm)，從而改變焊縫表面輪廓(由平面改變?yōu)橥姑?，提高焊縫強(qiáng)度，有助于防止裂紋的產(chǎn)生，如圖8和圖9所示。

圖8 新焊接工藝筒體縱焊縫(局部)

圖9 新焊接工藝筒體縱焊縫(整體)

4 結(jié) 語

焊接熱裂紋形成原因比較復(fù)雜，存在多種因素，焊縫中心裂紋形成原因之一是表面輪廓問題，即表面輪廓誘導(dǎo)開裂。在焊接表面產(chǎn)生凹陷時(shí)，焊縫內(nèi)部收縮力使焊接金屬在表面上受到拉伸；反之，在焊接表面產(chǎn)生凸起時(shí)，焊縫內(nèi)部收縮力使焊接金屬在表面上受到壓縮。在垂直于焊縫軸線的拘束度大的接頭上，尤其在焊縫截面較小時(shí)，容易形成焊縫中心裂紋，原因在于其縮小的截面積可能不足以承受橫向的焊縫收縮應(yīng)力。通過改善焊接工藝參數(shù)改變焊縫表面輪廓(由平面改變?yōu)橥姑?，有助于消除焊縫中心縱向熱裂紋。