一種雙相不銹鋼焊接接頭的組織及腐蝕性能

宋立新，李美艷，王永興

（1.海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520；2.中國石油大學（華東）機電學院，山東 青島 266580）

由于雙相不銹鋼具有很強的耐腐蝕性能以及較高的強度和韌性，尤其是具有奧氏體不銹鋼優良的抗點蝕性和鐵素體不銹鋼優良的抗應力腐蝕性，被廣泛應用在苛刻的環境中，如石油、天然氣、海洋和化工等領域[1-4]。

雖然材料本身具有優良的耐蝕性能，但焊接等加工方法對接頭組織所產生的影響會惡化材料的整體耐蝕性，因為焊接過程的快速冷卻會導致鐵素體相含量過高，破壞原有的兩相比例[5]。通過焊絲中Ni，N等元素的添加，一定程度上穩定了奧氏體相的存在，但焊接工藝仍然會對其耐蝕性帶來影響[6-8]。本研究針對雙相不銹鋼ASTM A928 S31803的焊接使用了優化后的焊接工藝參數，并對焊接接頭進行腐蝕性能試驗，為此雙相不銹鋼在實際生產中的應用提供了理論支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及焊接工藝參數

試驗材料為ASTM A928 S31803雙相不銹鋼，尺寸為300 mm×150 mm×30 mm，坡口形式為單面V形60°±5°。所用焊絲牌號為AWS 5.9 ER2209，其化學成分見表1。采用逆變手弧（氬弧）焊機進行接頭試樣的焊接，使用多層多道焊，層間溫度控制在80～150℃，焊后接頭不進行熱處理。具體焊接工藝參數見表2。

表1 母材及焊絲化學成分 %

表2 焊接工藝參數

1.2 焊絲的選擇

雙相不銹鋼焊接的目標就是使焊縫和熱影響區的韌性、塑性和耐腐蝕性能與母材相同。但是由于焊接的特點，焊縫金屬凝固和冷卻時間很快，如果焊縫金屬的化學成分與母材相同，在高溫狀態下形成的鐵素體組織就來不及轉變成奧氏體組織。所以，對于焊后直接使用的雙相不銹鋼，選用的焊接材料的化學成分與母材不能相同，其Ni含量要高于母材金屬，同時應含有一定數量的N元素，以促進焊接接頭在高溫下形成的單相鐵素體組織冷卻時能轉變成奧氏體組織。

1.3 保護氣體的選擇

雙相不銹鋼焊接過程中如果采用單一的氬氣進行保護，焊縫金屬中氮元素會發生擴散現象，明顯抑制了鐵素體組織冷卻時向奧氏體組織的轉變，焊縫金屬中的鐵素體組織含量容易出現超標現象。所以，為了控制焊縫金屬的鐵素體含量，焊接過程中，我們在保護氣氬氣中添加適量的氮氣，通過保護氣氛的富氮化，來防止焊縫金屬中氮元素向外發生擴散現象的出現，從而確保高溫狀態下焊縫金屬中的單相鐵素體組織在冷卻過程中轉變成奧氏體組織的相變能夠按照需要的數量完成。試驗結果表明，在保護氣氬氣中添加1.5%～3%左右的氮氣，就可以有效防止焊縫金屬中氮元素擴散現象的發生。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接接頭組織分析

圖1所示為雙相不銹鋼焊接接頭的宏觀形貌。由圖1可見，焊縫金屬與基體完全熔合，無裂紋產生。

圖1 焊接接頭宏觀組織形貌

圖2 焊接接頭顯微組織 500×

雙相不銹鋼的焊接需要注意兩個方面的問題：一是要避免焊后熱影響區出現過多的鐵素體組織；另一方面是要避免焊縫及熱影響區組織晶粒粗大和形成過多的富鉻化合物[9]。圖2所示為ASTM A928 S31803焊接接頭及母材的顯微組織。由母材組織可見，鐵素體基體上均勻分布著條塊狀的奧氏體組織，這是雙相不銹鋼具有優良力學性能和耐腐蝕性能的關鍵所在。在接頭金屬經高溫焊接冷卻時，伴隨著奧氏體相的形成和合金元素在兩相間的重新分配，焊接線能量對焊縫和熱影響區的組織將產生很大影響[10]。線能量過低，冷卻速度較快，焊縫及熱影響區的奧氏體來不及充分析出，造成其中高的鐵素體含量和氮化物析出（氮在鐵素體中的溶解度較低），降低接頭腐蝕抗力和韌性。線能量過高，雖然可以保證奧氏體相的充分析出，但同時也增加了金屬間相析出的時間，形成過多的富鉻化合物，造成貧鉻區出現，增大晶間腐蝕傾向。因此，選擇適當的焊接線能量是雙相不銹鋼焊接接頭獲得優良組織的關鍵。

2.2 硬度分析

采用HV－10A型小負荷維氏硬度計對焊接接頭進行顯微硬度測試，測試位置如圖3所示，硬度檢測值見表3。由表3可知，焊接接頭的HV10都低于300，未見明顯的脆化區域。

圖3 硬度測試位置

表3 焊接接頭硬度測試結果

2.3 耐點蝕性分析

依據ASTM G48標準對焊縫進行點蝕試驗，試樣尺寸為15.40 mm×49.71 mm×25.06 mm，腐蝕溶液為100 g的FeCl3·6H2O+900 mL蒸餾水，3組腐蝕試樣采用1000#砂紙磨光6個面，并用丙酮擦洗去油，然后用酒精沖洗吹干。試驗溫度為（22±2）℃，試驗時間為24 h。腐蝕前后用電子天平（精確到0.000 1 g）測量試樣質量，并計算腐蝕失重。

試驗結果表明，單位表面積失重0.138 8 g/m2，遠遠低于失重不超過4.0 g/m2的要求，可見雙相不銹鋼焊接接頭的耐點蝕性能滿足要求。圖4所示為焊縫點蝕表面形貌。由圖4可知，焊縫表面和截面均無明顯的點蝕坑出現，說明該焊接工藝下焊接接頭具有良好的耐點蝕性能。

圖4 焊縫腐蝕形貌 20×

2.4 電化學腐蝕性能分析

依據ASTM G150標準對雙相不銹鋼焊縫和母材進行電化學腐蝕試驗，電位極化曲線如圖5所示。采用塔菲爾曲線外推法測定了腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流Icorr，結果見表4。Ecorr反映了材料熱力學腐蝕傾向，該值越大，材料的腐蝕傾向相對越小；Icorr反映了材料的均勻腐蝕速率，該值越大，腐蝕速率越快。由表4可知，焊縫的腐蝕電位略低于母材，單位面積腐蝕電流與母材相差不大。

圖5 電化學腐蝕曲線

表4 焊縫和母材的腐蝕結果

3 結 論

進行ASTM A928 S31803雙相不銹鋼焊接時，焊接工藝中采用了含Ni，N等元素的焊絲，使用Ar+2%N2氣體進行焊接保護，并需要嚴格控制焊接熱輸入量及層間溫度，以保證獲得性能優良的焊接接頭。

采用優化的工藝參數進行ASTM A928 S31803雙相不銹鋼焊接，焊縫及熱影響區由鐵素體－奧氏體雙相組織組成。硬度測試結果表明，接頭HV10均低于300，未見明顯的脆化區域。其次，焊縫的耐點蝕性能和耐電化學腐蝕性能良好，符合使用要求。

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