2205雙相不銹鋼埋弧焊焊接工藝研究

王錢浦 岑越 孫曉嵐 傅玉華

2205雙相不銹鋼埋弧焊焊接工藝研究

王錢浦 岑越 孫曉嵐 傅玉華

針對雙相不銹鋼埋弧焊焊接接頭的金相組織觀察及力學性能的檢測，以及耐蝕性能的分析，對雙相不銹鋼埋弧焊焊接工藝進行較為全面的總結，以便制定合理的焊接工藝方案。

雙相不銹鋼在埋弧焊焊接過程中存在一系列問題：①焊接變形大，精度控制難度增加。②熱輸入的大小使雙相組織受到破壞，影響其具有的力學性能及耐腐蝕性能。③焊接參數不合適將引起一系列的焊接缺陷等。

本文通過對不同厚度的雙相不銹鋼進行埋弧焊試驗，選擇出合適的坡口形式及焊接參數，通過力學性能及金相試驗，分析在保證焊接接頭質量可靠性和穩定性的情況下如何選擇合適的焊接參數，控制焊接變形等問題。

1. 2205雙相不銹鋼埋弧焊試驗及焊接性

（1）焊接試驗材料選用 材料為Outokumpu公司提供板厚為10mm、12mm和16mm的2205雙相不銹鋼，其中12mm厚鋼材力學性能如表1所示。2205雙相不銹鋼的焊接對污染更敏感，特別是對濕氣和水分，因此在焊前要對母材進行嚴格清理。選用國外進口匹配雙相不銹鋼的焊絲Avesta 2205、φ3.2mm，化學成分如表2所示。為保證試驗結果的可靠性，整個試驗過程均按照DNV船級社的要求進行。

此外，2205雙相不銹鋼埋弧焊過程中，焊縫熔池流動性較差，必須考慮焊接的熔透性和良好的脫渣性，在確保焊透的前提下，保證焊縫成形的效果，因此本次工藝試驗選用Avesta 805焊劑。此焊劑為堿性的燒結焊劑，在焊劑中添加了Cr元素，以保證焊縫金屬的性能要求，同時在焊劑中有一定量的SiO2，能夠將焊劑堿度控制在1.7左右，以減少焊劑的熔化量，減小熔寬波動，避免焊道邊緣不良的成形效果，確保焊縫的美觀。

（2）坡口形式的選擇 雙相鋼具有良好的導熱性及較低的膨脹系數，使得雙相不銹鋼的焊接變形比碳鋼大很多。我們選取常用的鋼板厚為10～18mm，針對三種不同板厚選用三種不同坡口形式進行前期比較試驗，埋弧焊焊接后，觀察其變形程度。板厚分別為10mm、12mm、16mm的坡口形式如圖1～圖3所示。

通過對以上三組板厚及坡口形式試板進行埋弧焊試驗，其中板厚10mm和12mm的鋼板采用雙面單道焊的變形相比于板厚為16mm的板的雙面單道焊變形小，其變形大小如表3所示

因此，綜合考慮焊接變形及施工過程中的焊接效率，選用厚度為12mm，坡口形式如圖4所示的鋼板進行工藝評定試驗。

雙相不銹鋼的坡口應采用機械加工，不宜采用砂輪打磨的方法，避免坡口表面粗糙與裝配間隙不均勻。

表1 板厚12mm鋼材的力學性能

表2 Avesta 2205焊絲的化學成分（質量分數） （%）

（3） 雙相不銹鋼埋弧焊試驗 焊接方法采用埋弧焊，直流反接，焊前清理焊接接頭坡口附

近的水分及油污等雜質。采用雙面單道焊形式，待正面焊道焊接完成后，道層間溫度＜150℃，再翻身焊接背面焊道，其背面無需等離子清根處理，正面焊道的焊接速度較快，背面焊道的焊縫適當減慢，以增加熔深。

圖1

圖2

圖3

圖4

由于熱輸入大小對雙相不銹鋼的耐蝕性有非常大的影響，因此理論上熱輸入量需要控制在25kJ/cm以下。如果熱輸入量過大，焊接接頭的冷卻速度慢，會在不銹鋼中析出碳化物、氮化物，并形成缺鉻現象，特別是在熱影響區，會析出σ相等有害相，使雙相組織的優良性能降低，造成韌性和耐蝕性降低。因此必須嚴格控制熱輸入，實際焊接參數如表4所示。

焊后按DNV規范，分別進行外觀檢測及射線探傷，結果焊縫寬度25～26mm，余高1.5～2mm，表面成形美觀；射線探傷沒有發現任何影響焊縫性能的焊接缺陷，均符合DNV標準規范。

2. 試驗結果

（1）金相分析 分別取焊縫區、熱影響區及母材進行微觀分析（見圖5～圖7）。焊縫區域中為樹枝晶組織，熱影響區中鐵素體與奧氏體分布不均勻，但占比大致一樣，沒有析出σ相。

（2）力學性能測試 拉伸試驗結果如表5所示，試樣均斷于母材，斷口為塑性斷裂，并均無裂紋，強度及斷后伸長率與母材相當，焊縫具有良好的韌性。

彎曲試驗結果如表6所示，試樣經180°，4倍板厚壓頭直徑進行側彎試驗，試驗結果符合DNV船級社規范。

沖擊試樣取4套，分別位于焊縫中心、交界、界外2mm和界外5mm，每套3根，尺寸為10mm×10mm×55mm，開V型缺口，試驗結果如表7所示。

表4 焊接參數

圖5 焊縫中心微觀照片（200×）

圖6 熱影響區微觀照片（200×）

圖7 母材微觀照片（200×）

根據DNV船級社規范，雙面焊試樣硬度三條線，均需要覆蓋到焊縫中心、熱影響區及母材，

試驗結果如表8所示。

因此，通過以上金相及力學性能分析，首先建議焊接過程中熱輸入控制在25kJ/cm以內，最大不得超過30kJ/cm，才能保證雙相鋼理想的相平衡；其次控制好層間溫度，因為冷卻速度的快慢決定了轉變為奧氏體的鐵素體數量，同樣也影響兩相的平衡，最終導致影響焊接接頭的韌性。

3. 結語

2205雙相不銹鋼的焊接工藝在實際生產過程中很少使用，焊接技術經驗缺乏，通過不斷的摸索與焊接試驗，本文對埋弧焊焊接試驗過程中的注意事項及問題進行了分析與總結，對今后相關產品的制造積累了經驗。

表5 焊接接頭拉伸試驗結果

表6 焊接接頭彎曲試驗結果

表7 焊接接頭沖擊試驗結果

表8 焊接接頭硬度試驗結果 (HV10)

[1] 張心保，等.2205雙相不銹鋼鋼筋弧焊工藝[J].金屬加工，2011（10）：43-46.

加反向磁場消除管道中剩磁

通過調整，最終將管道中剩磁降至滿足焊接的范圍之內。在打底焊完成后，焊縫處磁偏吹已消失，管道可進行正常焊接。

4. 結語

使用直流線圈產生反向磁場的方法，經過實踐產生了較好的效果，使得該項目能夠順利進行，也為帶強磁場管道的焊接積累了經驗。

方案確定后，由公司經驗豐富的焊工進行試焊。在第一次焊接時，發現坡口處的磁性雖然有所減弱，但依然有較大的磁性，致使起弧困難，磁偏吹、吸焊絲的情況仍然存在。通過分析，主要是因為線圈產生的磁感應強度較小，不能將管道中的剩磁消減至滿足焊接要求的范圍。

主分析原因，要有以下幾點：①焊接電流相對較低。②焊線間距太大，在管道上纏繞的圈數較少。③在焊接前需要對管道預熱，為防止損壞焊線，管道上較長一段未纏繞線圈。④兩節管道中的剩磁強度大小不同，纏繞相同的圈數對消磁的效果有一定程度的影響。

經上述分析后，對方案做以下調整：①按照焊接工藝，在滿足焊接要求的情況下盡可能的調大焊機電流。②減小焊線纏繞在鋼管上的間距，將焊線盡可能多的纏繞在管道上。③根據管道中

作者簡介： 蒯宏忠，深圳市發利機械設備結構有限公司，機械配管工程師。

王錢浦等，滬東中華造船（集團）有限公司。