S32101雙相不銹鋼焊接接頭的綜合性能研究

朱一多，劉 蘭

(1.招商局金陵鼎衡船舶(揚(yáng)州)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225217；2.江蘇華標(biāo)檢測(cè)研究院有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

化學(xué)品船主要用于運(yùn)輸液態(tài)化學(xué)品。由于化學(xué)品一般具有較高的腐蝕性，所以對(duì)化學(xué)品船的設(shè)計(jì)建造有嚴(yán)格的要求。由于雙相不銹鋼不僅具備鐵素體不銹鋼的耐點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，又具備奧氏體不銹鋼的韌性好、抗晶間腐蝕、力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，因此采用雙相不銹鋼結(jié)構(gòu)的化學(xué)品船具有更獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以在各種惡劣的條件下使用。

焊接是雙相不銹鋼化學(xué)品船的難點(diǎn)之一。在雙相不銹鋼焊接過程中，母材、熱影響區(qū)和焊縫會(huì)受到焊接熱循環(huán)的影響。由于溫度的急速升高和冷卻，鐵素體相向奧氏體相轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變不充分的現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接接頭微觀組織中兩相比例失去平衡，影響焊接接頭的組織和性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙相不銹鋼的焊接工藝進(jìn)行了大量的研究。王維東等研究了激光焊接工藝參數(shù)對(duì)雙相不銹鋼焊縫成形的影響，結(jié)果表明合理的焊接功率、焊接速度、離焦量，才能得到成形良好的焊縫。包曄峰等采用鎢極氬弧焊打底、埋弧焊填充的焊接工藝，通過控制熱輸入和層間溫度，對(duì)2205試板進(jìn)行焊接，結(jié)果表明接頭各項(xiàng)力學(xué)性能符合要求，焊接接頭金相組織為奧氏體和鐵素體雙相組織。張帥謀等采用不同焊接方法對(duì)2205不銹鋼進(jìn)行焊接，結(jié)果表明鎢極氬弧焊焊接接頭中奧氏體的含量比焊條電弧焊焊接接頭高，綜合力學(xué)性能更優(yōu)異。MUTHUPANDI等采用電子束焊接方法研究了不同的焊接方法對(duì)雙相不銹鋼焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響，但是對(duì)耐點(diǎn)腐蝕的性能研究較少。本文旨在研究適合S32101雙相不銹鋼的焊接方法和焊接工藝參數(shù)，然后采用不同的試驗(yàn)方法測(cè)試焊接接頭的力學(xué)性能、顯微組織、耐點(diǎn)腐蝕的性能，以驗(yàn)證該焊接方法及焊接工藝的可靠性。

1 焊接方法及焊接工藝參數(shù)

1.1 焊接填充材料的選擇

S32101雙相不銹鋼在固溶狀態(tài)下，顯微組織中鐵素體相和奧氏體相的體積分?jǐn)?shù)約各占一半，具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的綜合性能。

本文選用的S32101雙相不銹鋼板材厚度為15 mm。在焊接過程時(shí)，由于受到焊接熱循環(huán)的作用，熔敷金屬的鐵素體量會(huì)急速增加，甚至可能出現(xiàn)純鐵素體組織，導(dǎo)致二次奧氏體和氮化物的析出，影響材料的韌性和耐腐蝕性能等。為抑制焊縫鐵素體的過量增加，在選用焊接材料時(shí)，優(yōu)先采用奧氏體占優(yōu)勢(shì)的焊接材料。鎳(Ni)是強(qiáng)烈形成奧氏體的元素，通常焊接材料中的鎳量比母材要略高，故本文選用的焊絲為TW-2209。

1.2 焊接方法的選用

選擇焊接方法時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

(1)選擇適宜的焊接線能量。線能量過低，奧氏體相析出就會(huì)大量減少，工藝和使用性能就會(huì)降低；線能量過高，熔敷金屬和熱影響區(qū)的晶粒會(huì)粗大，導(dǎo)致韌性下降。

(2)以多層焊工藝為佳。采用多道焊，可以有效控制線能量和層間溫度，保證奧氏體的析出和晶粒大小，從而提高焊接熱影響區(qū)的性能。

因此，本文選用自動(dòng)埋弧焊焊接方式。

1.3 焊接工藝的制定

試板坡口形式為X型，見圖1。然后打磨坡口及坡口兩側(cè)，并用丙酮清洗，除去氧化膜、油污。焊接試板時(shí)，焊接位置為平焊，焊道布置、焊接順序見圖2。焊接工藝參數(shù)見表1。

t—板厚。

1～3—焊道編號(hào)。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試樣制備

焊接后的試板首先要進(jìn)行外觀檢驗(yàn)和無(wú)損檢驗(yàn)，確定焊接接頭是否存在缺陷和缺陷位置。然后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，拉伸、彎曲、金相/硬度試驗(yàn)按照中國(guó)船級(jí)社(CCS)《材料與焊接規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)要求進(jìn)行取樣，點(diǎn)腐蝕試樣按照ASTM A1084-13標(biāo)準(zhǔn)方法C進(jìn)行取樣，取樣位置見圖3。取樣時(shí)，要避開有缺陷的位置。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3.1 焊接接頭外觀檢驗(yàn)和無(wú)損檢驗(yàn)

對(duì)焊接后的試板進(jìn)行外觀檢驗(yàn)。未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、夾渣、弧坑、氣孔及超過0.5 mm的咬邊等缺陷，符合《規(guī)范》要求。

對(duì)焊接后試板進(jìn)行射線無(wú)損探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷，焊縫質(zhì)量為Ⅰ級(jí)，符合《規(guī)范》要求。

IA、IB、IC、M、T1、T2、P1～P4—試樣編號(hào)。

3.2 焊接接頭力學(xué)性能檢驗(yàn)

參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行焊接接頭拉伸性能試驗(yàn)，拉伸速度參照GB/T 228.1—2008，通過抗拉強(qiáng)度來(lái)說(shuō)明該材料在拉應(yīng)力的作用下可抵抗破壞的能力。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：拉斷位置均在母材上，斷口為塑性斷口，說(shuō)明焊接接頭的強(qiáng)度高于母材。計(jì)算得到試樣T1的抗拉強(qiáng)度為708 MPa，試樣T2的抗拉強(qiáng)度為705 MPa，均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的704 MPa，2個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過彎曲試驗(yàn)可以測(cè)定焊接接頭的塑性。參照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，檢驗(yàn)焊縫與母材之間的結(jié)合強(qiáng)度。試驗(yàn)中彎曲角度為180°，彎曲壓頭直徑為40 mm。試驗(yàn)后試樣P1～P4均未見明顯裂紋，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

沖擊韌性測(cè)試的目的是通過焊接接頭的沖擊吸收功，來(lái)評(píng)定材料的斷裂韌性。參照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)雙相不銹鋼焊接接頭相比V型缺口進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

9個(gè)沖擊試樣的缺口所處位置分別為焊縫中心、熔合線、距熔合線2 mm的熱影響區(qū)，每個(gè)位置3個(gè)試樣，試驗(yàn)溫度為-20 ℃，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。按照《規(guī)范》要求，雙相不銹鋼焊接試件在-20 ℃時(shí)每組沖擊能量不低于27 J。試驗(yàn)結(jié)果表明：3組沖擊能量均大于27 J，說(shuō)明這種焊接工藝方法獲得的雙相不銹鋼焊接接頭具有良好的沖擊韌性，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

參照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》對(duì)焊接接頭的硬度進(jìn)行測(cè)試分析。

試驗(yàn)中施加的力為98.07 N。在焊縫、熔合線、熱影響區(qū)和母材的每個(gè)區(qū)域測(cè)3個(gè)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3，符合硬度不超過HV420的要求。

表3 硬度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 宏觀及微觀金相分析

采用線切割的方法，截取一塊金相試樣，使用金相試樣磨拋機(jī)將試樣研磨、拋光至鏡面。采用擦拭腐蝕法腐蝕試樣，腐蝕液為王水。腐蝕結(jié)束后，分別用水和酒精沖洗試樣表面，用吹風(fēng)機(jī)吹干試樣表面的殘余液體。S32101雙相不銹鋼焊接接頭宏觀組織形貌見圖4，焊縫金屬與母材完全熔合，焊縫截面未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

圖4 焊接接頭宏觀組織形貌

雙相不銹鋼焊接接頭微觀組織中的兩相比例是衡量焊接質(zhì)量好壞最主要的指標(biāo)之一。用金相顯微鏡觀察S32101焊接接頭的母材、熱影響區(qū)和焊縫的顯微組織形貌，并測(cè)定鐵素體含量，見圖5。

圖5 焊接接頭顯微組織

由圖可見，母材、焊縫和熱影響區(qū)的金相組織為奧氏體和鐵素體，其中灰色部分是鐵素體組織，灰白色部分是奧氏體組織，未發(fā)現(xiàn)晶間碳化物和金屬間化合物的析出物。

鐵素體含量的測(cè)定結(jié)果見表4。經(jīng)測(cè)定，母材、焊縫、熱影響區(qū)的鐵素體含量均值分別為56%、51%、51%，符合規(guī)范規(guī)定的熱影響區(qū)和焊縫鐵素體含量在30%～70%要求。結(jié)果表明：該焊接接頭中，奧氏體/鐵素體兩相比例接近于理想的相平衡。由于近50%的奧氏體相的存在，可以提高碳、氮等元素在其中的溶解度，不易析出碳化物和氮化物，能抑制晶界脆化，從而使接頭具有良好的沖擊韌性，與沖擊試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

表4 鐵素體含量的測(cè)定結(jié)果

3.4 焊接接頭耐點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)依據(jù)ASTM A1084-13標(biāo)準(zhǔn)方法C，稱取55.1 g試劑級(jí)三氯化鐵(FeCl.HO)、6.6 g試劑級(jí)硝酸鈉(NaNO)，溶于600 mL蒸餾水中(按重量計(jì)為5%FeCl和1%NaNO)，配制成試驗(yàn)溶液。然后用玻璃棉或?yàn)V紙過濾掉不溶物。

(2)首先用線切割機(jī)切取點(diǎn)腐蝕試樣，然后用丙酮擦洗去油。研磨拋光試樣后用酒精沖洗吹干。

(3)試樣晾干后，用數(shù)顯卡尺測(cè)量試樣尺寸，用電子天平秤量取試驗(yàn)前試樣質(zhì)量。

(4)將試驗(yàn)溶液倒入燒杯中。燒杯放在恒溫水槽中，溫度設(shè)置為(25±1) ℃。

(5)待試驗(yàn)溶液溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，將試樣試驗(yàn)溶液中，浸泡24 h。

(6)試驗(yàn)完成后，從溶液中取出樣品，用水沖洗，在流水下用軟毛刷擦洗以除去腐蝕產(chǎn)物；然后用酒精沖洗；最后在空氣中干燥，用電子天平秤量取試驗(yàn)后試樣質(zhì)量。

(7)按以下公式計(jì)算腐蝕率：

=(-)(′)

式中：為腐蝕速率，mdd；為試驗(yàn)后試樣質(zhì)量，mg；為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量，mg；為試樣表面積，dm；′為腐蝕時(shí)間，d。

試驗(yàn)的試樣尺寸為25.00 mm×50.02 mm×11.01 mm，為99 665.5 mg，為99 663.3 mg，計(jì)算得出腐蝕率為5.30 mdd，小于10 mdd。試驗(yàn)，試樣各個(gè)表面均未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕凹陷(麻點(diǎn))，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：這種方法獲得的焊接接頭具有優(yōu)良的耐點(diǎn)腐蝕性能。

4 結(jié)論

(1)S32101雙相不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接接頭抗拉強(qiáng)度高于母材抗拉強(qiáng)度下限值，彎曲未出現(xiàn)裂紋，沖擊符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)通過觀察S32101雙相不銹鋼焊接接頭的顯微組織可知：焊接接頭顯微組織由鐵素體和奧氏體組成，兩相比例與母材接近，在50%左右，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)S32101雙相不銹鋼焊接接頭的點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣各個(gè)表面均未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕麻點(diǎn)，腐蝕率為5.30 mdd，小于10 mdd，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 (4)通過本文焊接工藝獲得的焊接接頭為較理想的奧氏體/鐵素體兩相組織，具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。