超級雙相不銹鋼的焊接性及焊接技術研究

程必剛

（上海阿波羅機械股份有限公司，上海 201401）

1 材料的介紹及焊接性

在工業條件下，特別是在含有氯水溶液的環境下，要求材料比標準的奧氏體不銹鋼材料具有更好的耐腐蝕和力學性能，20 世紀70 年代后期出了第二代的雙相不銹鋼，雙相不銹鋼由40%～60%鐵素體和40%～60%的奧氏體組成，雙相不銹鋼兼備了奧氏體鋼和鐵素體鋼的優點，故具有強度高、耐腐性好和易于焊接的特點。這類鋼焊接的主要特點是：與純鐵素體不銹鋼相比焊后具有較低的脆化傾向，而且焊接熱影響區鐵素體粗化程度也較低；與純奧氏體不銹鋼相比，具有較低的熱裂傾向，故焊接性較好。由于熱裂紋傾向小，所以焊接時很少考慮熱裂紋，通常最主要的問題是熱影響區而不是與焊縫，熱影響區的問題是耐蝕性、韌性降低或焊后開裂。為了避免發生上述問題，焊接下的重點是使在”紅熱”溫度范圍內的總停留時間最短而不是控制某一條焊道的熱輸入。但是，雙相不銹鋼的兩相比例不僅與成分有關，而且與加熱溫度也有關。在焊接熱循環作用下會發生明顯的相比例變化，當加熱溫度足夠高時，就會發生γ-δ的轉變，使鐵素體增多，而奧氏體減少，甚至可能完全變成純鐵素體組織，從而失去雙相組織所具有的特性，使接頭的力學性能和耐蝕性能下降。為此，須控制母材和焊接材料的成分和焊接參數，使接頭能形成足夠數量的γ 相，以保證接頭所需的力學性能和耐蝕性能。由于這類鋼焊接性能良好，焊時可不預熱和后熱。雙相鋼中因有較大比例鐵素體存在，而鐵素體鋼所固有的脆化傾向，如475℃脆性，σ 相析出脆化和晶粗粗化，依然存在，只因有奧氏體的平衡作用而獲得一定緩解，焊接時，仍需注意，這時應注意控制焊接熱輸人，盡量用小電流、高焊速、窄焊道和多焊道，以防止熱影響區晶粒粗化和單相鐵素體化，層間溫度不宜過高。焊接冷卻速度和層間溫度對鐵素體測定的影響比較大，冷卻速度過大會導致鐵素體量過大，冷卻速度小又會導致鐵素體過小，一般層間溫度在100℃以下，焊接速度在6 ～12 的不擺動焊比較合理。第一道焊道的熱輸入量不能太小，冷卻速度不能太快，讓焊縫在冷卻時要有一定的時間分析出奧氏體相達到平衡可采用面層焊道加回火焊道的方法，使熱影響區的高溫段析出較多的二次Y 相。

2 焊接

2.1 材料成分與性能

試驗用的母材為奧托昆普公司生產的SA-240 S32750 雙相不銹鋼，其力化學成分和力學性能分別見表1 和表2，將板加工成160×400×4.7(由6mm 鋼板加工成4.7mm)，鋼板機加工后坡口為30°單V 坡口，鈍邊1mm，平板對接；試驗中所用的保護氣體為99.99%的氬氣；試驗所用的焊接材料為山特維克的2594NL，直徑2.4mm，其化學成分見表3。

表1 S32750 雙相不銹鋼的化學成分（質量分數）

表2 S32750 雙相不銹鋼的力學性能

表3 S32750 雙相不銹鋼焊接材料的化學成分（質量分數）

2.2 焊接工藝

焊前清理坡口及周圍20 ～30mm 然后組對，檢驗合格后方可進行焊接。采用正面和背面充氬氣保護，直流正接，具體焊接參數見表4。

表4 焊接工藝參數

此工藝的目的是使焊接接頭和熱影響區性能能與母材一樣，所以選用的焊接材料的化學的成分與母材不能完全相同，而是鎳含量要略高于母材2%～4%，因為焊接過程中焊縫金屬凝固和冷卻時間比較快，如果焊縫金屬的化學成分與材的母材化學成分相同，在高溫狀態下形成的鐵素體組織來不及轉變為奧氏體組織，因此焊接中選用了山特維克的2594NL；采用鎢極氬弧焊，單面焊接雙面成型工藝，保證根部焊透，不得采用無填絲的自熔焊接方式，以防由于填充金屬不足而造成鐵素體含量過高；焊接完成后，不要使用鋼絲刷清理焊縫，這樣會有出現微裂紋的危險。

3 檢驗及結果

3.1 外觀及力學性能檢查

焊接完成后進行了外觀檢查和射線檢測，結果均合格；無損檢驗后，對焊縫進行了力學性能檢測，具體數據見表5 ～8。

表5 拉伸試樣數據表

表6 彎曲試樣數據表

表7 硬度測試數據表

表8 沖擊試驗數據表

3.2 金相檢驗、鐵素體測量

宏觀金相檢驗，無未熔合、無焊透、無裂紋等缺陷，結果合格。

晶間腐蝕試驗，參照標準ASTM A923 C 法對試樣進行腐蝕試驗。

試驗條件：78-2t-40±1℃恒溫水浴T=24H。

腐蝕介質： 三氯化鐵水溶液＋少量鹽酸PH=1.3V>20mL/cm2。

試樣尺寸：49.8×25.7×4.5(mm)（帶有焊縫）。試樣失重：腐蝕前（g)44.9347;腐蝕后（g)44.9342。

腐 蝕 率（Corrosion Rate):CR=1.54(mg·dm-2·dr-1)<10mdd。

晶間腐蝕結果合格。

鐵素體測定：參照標準ASTM A923 C 法。

對焊縫上部，距離上端1mm，放大倍數400x，鐵素體面積含量約為58%，見圖1。

圖1 焊縫上部，距離上端1mm

對焊縫中心鐵素體檢測，放大倍數400x，鐵素體面積含量約為56%，見圖2。

圖2 焊縫中心

對底部焊縫，距離下端1mm，放大倍數400x，鐵素體面積含量約為59%，見圖3。

圖3 焊縫底部，距離底部1mm

對左側熱影響區近熔合線下端1mm，放大倍數700x，鐵素體面積含量約為58%，見圖4。

圖4 左側熱影響區，近熔合線下端1mm

對右側熱影響區近熔合線下端1mm，放大倍數700x，鐵素體面積含量約為56%，見圖5。

圖5 右側熱影響區，近熔合線下端1mm

由以上試驗數據可以看出，鐵素體含量都沒有超過60%，鐵素體含量合格。

4 結語

焊縫、熱影響區的鐵素體含量在50%～60%，奧氏體分布較為均勻，力學性能、腐蝕性能、沖擊韌性、硬度測試均合格，可見采用上述焊接方法以及所選用的工藝參數可以得到良好力學性能、腐蝕性能、沖擊韌性的焊接接頭。