LDX2404雙相不銹鋼FCAW焊接工藝研究

■ 丁云朝，于 寧，張偉棟

1. 概述

LDX2404于2010年由瑞典奧托昆普鋼鐵公司開發，并于2011年獲得美國材料試驗協會認可，是一種新型的經濟型雙相不銹鋼。與2205等雙相不銹鋼及其他超級雙相不銹鋼相比，LDX2404具有較低的Ni、Mo含量，較高的Cr、N含量，在保證其焊接性和耐腐蝕性的基礎上，具有更加突出的經濟性，從而使LDX2404具有更廣闊的工業應用空間。

藥芯焊絲電弧焊（FCAW）具有焊接工藝性能好，熔敷速度快、生產效率高，合金系統調整方便等綜合優勢。但我國藥芯焊絲電弧焊的發展及應用相對滯后，尤其在合金鋼的應用方面。為了推動藥芯焊絲電弧焊在雙相不銹鋼方面應用的發展，在結合納米比亞湖山鈾礦項目水冶罐區FCAW在LDX2404罐體主焊縫良好應用的基礎上，我們對FCAW焊接雙相不銹鋼LDX2404焊接接頭的性能進行了進一步的研究，希望借此為后續工業應用提供參考。

2. 焊接參數的選擇及試板的制備

（1）焊材的選擇 LDX2404主要化學成分如表1所示。根據合金元素對組織性能影響分析并結合市場供應情況，我們初步選定了METRODE的SUPERCORE 2507P（AWS A5.22 E2594T1—4）藥芯焊絲進行工藝研究。Supercore 2507P的主要化學成分如表2所示；藥芯焊絲Supercore 2507P與母材LDX2404力學性能比較如表3所示。

（2）試件規格 試板尺寸350mm×150mm×10mm，V形坡口，平焊位置，無襯墊全熔透對接焊，背面清根后打底焊。坡口設計如圖1所示。

圖1 坡口設計

表1 LDX2404主要化學成分（質量分數） （%）

表2 Supercore 2507P的主要化學成分（質量分數） （%）

（3）其他參數選擇 保護氣體：參考廠家推薦混合氣體配比，采用82%Ar+18%CO2混合氣體。金屬過渡模式：噴射過渡。層間溫度為150℃。熱輸入為≤1.5kJ/mm。根據焊材生產廠家推薦參數，并結合板厚等經驗，確定焊接參數如表4所示。

圖2 宏觀金相

圖3 焊縫顯微組織

表3 力學性能對比

表4 焊接參數

表5 焊縫金屬相關合金元素成分（質量分數） （%）

表6 拉伸彎曲試驗結果

3. 焊接接頭的性能研究

（1）宏觀金相及微觀組織分析 試板按照API 650進行目視檢查和射線檢測，焊縫成形美觀，焊縫金屬與母材全熔透和全熔合，表面無可見的裂紋、氣孔、夾渣、咬邊等超標缺陷，并經射線檢測合格。說明FCAW對雙相不銹鋼是適合的。

按照ASTM E340—2015標準對焊縫截面進行宏觀金相檢測，在10倍放大情況下觀察，可以看出焊縫熔合情況良好，未見缺陷（見圖2）。

雙相不銹鋼的焊縫金屬屬于鑄態組織，其凝固模式屬于F模式，即在高溫固態是穩定的全鐵素體組織，當溫度低于鐵素體固熔線時，奧氏體開始沿鐵素體晶粒邊界形成，并逐步覆蓋整個鐵素體組織，兩相平衡的數量和F/A比值的大小無論對焊縫的抗裂紋能力，或是對焊縫的力學性能和耐腐蝕性能都有重要影響。最適合的相比例是鐵素體相和奧氏體相約各占一半，但這樣的相比例控制是不容易達到的。一般認為，當FN在40%～65%之間時通常可以保證最佳的綜合性能。利用化學浸蝕法對拋光試樣進行蝕刻，觀察顯微組織形貌，浸蝕劑為FeCl3鹽酸水溶液。焊縫在金相顯微鏡下的顯微組織如圖3所示。

根據WRC—1992相組分圖，并結合焊縫金屬中合金元素成分的測定數據，得到Creq=27.7866，Nieq=14.158。可以看出，鐵素體數FN在，45%～50%之間，相比例較為理想。焊縫金屬中相關合金元素成分如表5所示。

（2）焊接接頭力學性能分析 分別按照ASTM E8/E8M、ASTM E21和ASME IX QW161-QW162進行常溫拉伸、高溫拉伸和彎曲試驗，試驗結果如表6所示。由表6可知，焊縫金屬強度高于母材金屬，塑性滿足要求。

按照ASTM E384-11e1標準，對焊接接頭進行維氏硬度檢測。硬度點位如圖4所示，接頭硬度曲線如圖5所示。從試驗數據來看，焊縫區平均硬度為310HV10，熱影響區平均硬度為293HV10，母材平均硬度為285HV10。

（3）耐腐蝕性能 晶間腐蝕：按照ISO 3651-2的要求取100mm×40mm×6mm試樣兩件進行室溫環境下晶間腐蝕試驗，最終試樣未見晶間腐蝕傾向。說明在本文采用的焊接參數下，焊接接頭可獲得良好的耐晶間腐蝕性能。

氫致裂紋：我們按照NACE TM0284—2016進行了Anti-HIC試驗，對一組試樣在室溫常壓環境下，采用A溶液進行96h的試驗，試驗結束后，未發現氫鼓泡。按照標準分切試樣，拋光后用金相顯微鏡觀察表面，得到的裂紋長度率CLR%=0，裂紋厚度率CTR%=0，裂紋敏感率CSR%=0。可以說明在本文焊接工藝條件下，焊接接頭具有優良的抗氫致裂紋性能。Anti-HIC試樣檢測面情況如圖6所示。

應力腐蝕：按照NACE TM0177—2016，對焊接接頭取1組試樣進行室溫常壓下的Anti-SCC試驗，溶液為模擬海水，在試驗裝置內720h后，采用四點彎曲法，加載力取90%材料屈服強度，使用10倍放大鏡觀察試樣受拉面，未發現裂紋。表明根據本文選定的焊接工藝條件，在富含氯離子環境下，焊接接頭具有良好的抗應力腐蝕能力。

孔蝕：在氯化物環境中耐孔蝕性能可用PREN指數來預測。根據表4焊縫金屬相關合金元素成分，PREN≈39%。超級雙相不銹鋼SAF2507的孔蝕指數一般為42%左右，SAF2304的孔蝕指數一般為25%左右，316L的孔蝕指數一般為24%左右，對于經濟型雙相不銹鋼，焊接接頭孔蝕指數達到39%，可以說具有良好的耐孔蝕能力。

圖4 硬度點位

圖5 硬度曲線

圖6 Anti-HIC試樣檢測面

4. 結語

根據以上分析，可以看出通過合理的選擇焊接材料、控制熱輸入等焊接參數，FCAW焊接雙相不銹鋼LDX2404能夠得到具有良好的抗拉強度和塑性，較為理想的鐵素體/奧氏體相比例，以及優良的耐腐蝕性能的焊接接頭。本文研究條件下確定的焊接參數以及焊接接頭具備的力學性能及腐蝕性能指標對后續FCAW在LDX2404雙相不銹鋼焊接方面的應用具有一定的指導意義和參考價值。

參考文獻：

[1] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊 焊接方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2007，258.

[2] 李曉清，田洪波，王雪驕.FCAW在16MnR（HIC）抗氫鋼壓力容器中的應用[J]. 制造與安裝，2006，23（6）：36-38.

[3] 陳劍虹，譯. 不銹鋼焊接冶金學及焊接性[M]. 北京：機械工業出版社，2008.

[4] 吳玖，等. 雙相不銹鋼[M].北京：冶金工業出版社，2000，248-252.

[5]汪守樸，等. 金相分析基礎[M]. 北京：機械工業出版社，1986，17.

[6] 郭秋實，等. 2205雙相不銹鋼奧氏體鐵素體兩相間的電偶作用[J]. 腐蝕與防護，2015，36（12）：1119-1128.