2507超級雙相不銹鋼的高熔合比PAW焊接工藝研究

趙軼磊，艾三山，雷炳育，徐亦楠，武鵬博，賈立超

1.舟山市特種設備檢測研究院 浙江舟山 316000

2.中船黃埔文沖船舶有限公司 廣東廣州 511462

3.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

1 序言

雙相不銹鋼具有較高的強度及優良的耐腐蝕性能，經常被應用于腐蝕環境，如石油化工設備、船舶煙氣脫硫脫硝裝備等。為了避免應力腐蝕裂紋、點蝕等因素惡化結構性能，雙相不銹鋼已經逐步代替了奧氏體不銹鋼并成為了優選材料。同時，雙相不銹鋼還具有良好的焊接性能，因為與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼基體中存在奧氏體-鐵素體雙相組織，所以使其表現出更低的熱裂紋敏感性。2507雙相不銹鋼的合金元素以Fe-Cr-Ni-N合金系為基礎，其金相組織由體積分數（下同）約為50%鐵素體和50%奧氏體組成。與典型的2205雙相不銹鋼相比，2507雙相不銹鋼化學成分中的Cr、Ni、Mo、N均高于2205雙相不銹鋼，使其耐點蝕當量PRE值高于40，故該類高合金材料又被稱為超級雙相不銹鋼。

可采用多種方法（如鎢極氬弧焊、焊條電弧焊等）對超級雙相不銹鋼V形坡口試件進行焊接[1，2]。也可對小口徑薄壁管進行自熔焊接，在較大的熔合比情況下，能夠獲得力學性能及耐腐蝕性能優良的焊接接頭[3]。

在PAW焊接過程中，自由電弧在焊槍內噴嘴的約束作用下強迫壓縮形成等離子弧并作為熱源進行焊接。由于等離子弧能量密度大、熔透能力強、穩定性佳，故PAW焊接效率較高，且易于獲得質量優異、成形美觀的焊縫。通過利用PAW的高能量密度，匹配I形坡口的單面焊雙面成形工藝提高焊接接頭熔合比，能夠減小焊接材料消耗和縮短焊接周期，進一步實現降本增效。

2507超級雙相不銹鋼在高熔合比的PAW工藝下焊接時，焊縫中鐵素體-奧氏體兩相比例容易發生變化，從而影響焊接接頭的力學性能及耐腐蝕性 能[4，5]。本文以8mm厚超級雙相不銹鋼2507板材為研究對象，通過匹配I形坡口進行高熔合比的PAW工藝試驗，研究其焊接接頭是否滿足焊接工藝評定要求，以評估其工藝可行性。

2 試驗準備

2.1 規范梳理

由于各船級社對焊接工藝評定的要求有所不同，所以本文在工藝評定準備期間對多家船級社關于雙相不銹鋼的焊接工藝評定要求進行了梳理，對比了不同船級社對于雙相不銹鋼焊接接頭的力學性能試驗、腐蝕試驗、金相檢測及鐵素體含量檢測的要求，以保證工藝評定能夠滿足不同船級社的要求（見表1）。

表1 ABS、DNV-GL、LR三家船級社規范對比

2.2 試驗材料及設備

試驗材料為O u t o k u m p u廠家生產的規格為1000mm×200mm×8mm的2507（UNS S32750）超級雙相不銹鋼，裝配間隙為0～0.5mm。焊接填充材料為φ1.2mm的實芯焊絲ER2594，焊接保護氣體為高純氬氣（99.999%）及混合氣（98%Ar+2%N2）。焊接設備采用自動化PAW裝備，搭配焊接電源IAdvanced Plasma 5000，配備背面氣體保護工裝及PAW焊接托罩，焊接系統如圖1所示。

圖1 焊接系統

3 熔合比測算與結晶模式分析

3.1 熔合比測算

在焊接工藝評定試驗開展前，進行了預先焊接試驗，試驗選取不同的焊接參數進行焊接。焊后對焊接接頭進行外觀及宏觀金相檢測，腐蝕后觀察發現焊縫區、熔合區均熔合良好，并對焊接接頭進行熔合比測算。

焊縫輪廓線圍成的區域面積即為焊縫金屬的橫截面積，焊縫金屬與焊接坡口母材金屬重疊部分的面積即為焊縫金屬中被熔化的母材橫截面積，如圖2所示。

圖2 焊縫尺寸測量及熔合比測算

經測算，當I形坡口根部間隙為0.5mm時，在特定的焊接參數下，焊縫上表面寬度10.6mm，下表面寬度2.9mm，上表面余高1.6mm，下表面余高0.5mm，可計算出焊縫的熔合比為74.2%。而傳統的V形坡口TIG焊工藝焊接的熔合比僅為20%～30%。

3.2 結晶模式分析

WRC-1992相圖是用來預測奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼焊縫中鐵素體數FN的相組分圖[6]。由于焊接過程中保護氣體含有N2成分，會增加焊縫中的N含量[7，8]，因此在分析過程中忽略了以下問題。

1）保護氣體中含有的N元素進入焊縫及焊縫N元素損失而帶來的不確定影響。

2）焊接方法的影響。WRC-1992相圖在研發時采用了SMAW焊接方法，而本次試驗則采用PAW焊接方法。

3）焊接過程中合金元素燒損帶來的不確定影響。

根據原材料及焊接材料質量證明書所示的化學成分及該焊縫的熔合比，將數值代入WRC-1992相圖的Ni、Cr當量公式中，計算出Ni、Cr當量值，見表2。

表2 焊縫金屬化學成分測算（質量分數） （%）

根據WRC-1992相圖Ni、Cr當量計算公式，得出當量值，并將該點描繪在WRC-1992相圖中（見圖3）。

Cr當量公式：Creq=Cr+Mo+0.7Nb=28.6%

Ni當量公式：Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu=13.5%

由圖3可預測出焊縫的結晶模式為F模式，即初生相為鐵素體，再由鐵素體向奧氏體轉變，預測鐵素體含量為60%～65%。

圖3 焊縫金屬在WRC-1992相圖中的位置

4 焊接工藝評定試驗

焊接工藝評定所采用的焊接參數見表3。

表3 焊接工藝評定所采用焊接參數

等離子氣、焊接保護氣體及流量是PAW焊接工藝的重要參數。根據焊接設備的要求，焊接過程中需要提供4路氣體。

1）等離子氣：通常為氬氣，電離后形成等離子體，用于產生等離子弧。在氣體流量、焊接電流的綜合調節作用下可形成不同剛性的等離子弧，較柔和的等離子弧可作為焊接熱源。

2）焊接保護氣體：用于保護熔融金屬，隔絕空氣，避免氧化；也有參與冶金反應的作用。采用含N2的保護氣體（例如98%Ar+2%N2），可以使N元素過渡到焊縫中作為合金元素。N對雙相不銹鋼抗點蝕性能有重要的作用[9]。

3）托罩保護氣體：PAW焊接速度較快，托罩位于等離子焊槍的后方，因此在托罩中噴出大量保護氣體用于保護已凝固且處于高溫的焊縫金屬和熱影響區，避免空氣氧化，托罩保護氣通常為氬氣。

4）背面保護氣體：也稱為吹掃氣體。在焊縫背面安裝一個工裝，形成封閉空間，將吹掃氣體通入封閉空間中排除空氣，以防止焊接過程中焊縫背部熔融金屬和熱影響區被空氣氧化。背面保護氣通常為氬氣，也可使用N2＋少量H2的混合氣，N2可以保護熔池金屬，少量的H2起還原作用，可降低封閉空間中混入少量空氣所產生的氧化性，且能夠還原臭氧，起到更好的保護作用。保護氣體及流量參數見表4。

表4 保護氣體及流量

焊后進行100%射線與滲透檢測，焊縫質量均滿足合格要求。對焊接接頭進行力學性能和硬度檢測，結果見表5，腐蝕試驗檢測結果見表6。

表5 力學性能檢測結果

表6 腐蝕試驗檢測結果

根據相關規范要求，在焊縫的打底層與蓋面層分別檢測鐵素體含量。而本試驗所用工藝為一次成形焊接工藝，不涉及打底層與蓋面層的概念。因此，本試驗在焊縫橫截面的底部與面部分別進行鐵素體含量檢測，結果見表7。

表7 鐵素體含量檢測結果（體積分數） （%）

焊縫微觀金相檢測結果如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可看出，在底部的焊縫金屬冷卻速度快，得到了更多的鐵素體，奧氏體則形成針狀、塊狀分布在鐵素體晶界處。而焊縫面部冷卻速度慢，鐵素體含量相對少，形成奧氏體較多。而且，焊接接頭內均未發現碳化物、沉淀相等不良組織。HAZ及母材微觀金相檢測結果如圖6～圖8所示。

圖4 焊縫面部區域微觀金相組織

圖5 焊縫底部區域的微觀金相組織

圖6 HAZ面部區域微觀金相組織

圖7 HAZ底部區域的微觀金相組織

圖8 母材區域的微觀金相組織

5 結束語

1）與常規V形坡口TIG焊相比，本試驗采用的I形坡口PAW工藝，焊接熔合比高達74%，能夠大幅減少填充金屬消耗。

2）通過金相檢測發現，超級雙相不銹鋼高熔合比焊縫的結晶模式為先結晶鐵素體，然后鐵素體再向奧氏體進行轉變，且轉變首先發生在晶界處，可形成針狀與塊狀奧氏體組織。焊縫、熱影響區及母材晶界無碳化物及沉淀相。

3）鐵素體含量對焊縫的耐點蝕性能有極大影響。通過檢測發現，鐵素體含量在35%～65%時，耐點蝕性能優越。鐵素體含量與焊縫的冷卻速度有關，冷卻速度越快，焊縫中的鐵素體含量越多。

4）WRC-1992相圖對于高熔合比PAW焊接接頭鐵素體含量的估算仍存在一定誤差，主要體現在焊縫中的N元素帶來的不確定影響，以及焊接方法與相圖研發時使用的焊接方法不一致、合金元素燒損等不確定因素。

5）根據以上試驗研究，采用高熔合比的PAW工藝對厚度為8mm的超級雙相不銹鋼2507板材進行焊接，能夠獲得滿足船級社規范要求的焊接接頭。