焊接參數對2205雙相鋼焊接接頭理化性能的影響

孔凡紅，王天先，王文利

（青島蘭石重型機械設備有限公司，山東青島266426）

0 前言

2205雙相鋼屬于奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，為奧氏體+鐵素體雙相組織，兩相體積分數各占約50%，兼具奧氏體不銹鋼的高低溫韌性、良好焊接性以及鐵素體不銹鋼的高強度和耐點蝕等性能[1-2]。2205作為典型的雙相不銹鋼，主要合金元素有Cr、Ni、Mo和N，其中N元素的主要作用是提高材料的耐點蝕性能[3]。

雙相不銹鋼焊縫的力學性能及耐點蝕性能與焊縫中的兩相比例密切相關，而焊接熱輸入則對雙相組織的平衡起著關鍵作用。由于雙相不銹鋼在高溫固態下是穩定的鐵素體組織，冷卻過程中才會生成奧氏體，焊接時若使用過小的熱輸入，熱影響區的快速冷卻將導致奧氏體來不及析出，鐵素體含量過高，沖擊韌性下降；若使用過大的熱輸入，則會使冷卻速度太慢，延長焊縫高溫停留時間，雖然能夠得到足夠的奧氏體，但會導致鐵素體晶粒長大以及σ相等脆性相的析出，造成焊接接頭脆化[4-5]。因此，要獲得優質的焊縫金屬必須嚴格控制焊接過程中的熱輸入量。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗母材選用寶鋼特鋼有限公司的2205雙相不銹鋼鋼板，制造標準為ASME SA-240M-2010，交貨狀態為固溶+酸洗鈍化，規格為15 mm×150 mm×800 mm。選擇焊接材料時既要保證焊縫金屬的力學性能不低于母材力學性能的標準值，又要保證焊縫金屬具有良好的兩相比例及耐點蝕能力。根據這一原則以及ASME標準Ⅱ卷C篇規定，本試驗選用安泰科技股份有限公司生產的焊條E2209（φ4.0mm）。母材及焊材的化學成分及力學性能分別如表1和表2所示。

表2 母材及焊材的力學性能

1.2 焊接工藝

采用焊條電弧焊，由于過低或過高的熱輸入均會給焊縫和熱影響區的組織和性能帶來不利影響，焊接時必須嚴格控制道間溫度小于等于150℃，熱輸入5～15 kJ/cm[6]。選取兩對試件，分別采用兩組不同的焊接參數進行焊接，具體焊接工藝參數如表3所示。試件采用數控等離子切割下料，刨邊機加工坡口，試件坡口形式及焊道示意如圖1所示。焊前使用丙酮清理坡口表面及其周邊50 mm范圍內的油污，道間清理采用不銹鋼專用鋼絲刷以保證焊接前焊道狀態良好，無影響焊接質量的夾雜、污染等。

表3 焊接工藝參數

圖1 坡口形式及焊道示意

1.3 測試項目

1.3.1 無損檢驗

焊后按ASME標準第Ⅴ卷第6章的要求對試件表面進行100%PT檢測，焊縫表面無裂紋、氣孔、咬邊等缺陷；按ASME標準第Ⅴ卷第2章的要求對試件進行100%射線透照檢測，射線底片顯示無裂紋、夾渣、氣孔、未熔合和未焊透等缺陷。

1.3.2 理化性能試驗

為了系統考察不同熱輸入對2205雙相不銹鋼焊接接頭綜合性能的影響，對試件進行了一系列理化性能試驗，具體為：（1）按照ASTM E8-2016進行焊接接頭拉伸試驗；（2）按照ASTM E190-2014進行焊接接頭橫向側彎試驗；（3）按照ASTM E23-2016進行焊縫及熱影響區的夏比V型缺口低溫沖擊韌性試驗；（4）按照ASTM G48-2015 A法進行焊接接頭的FeCl3點蝕試驗；（5）使用根據AWS A4.2M-2006校準過的FER ITSCOPE FMP30鐵素體儀測量焊縫區的鐵素體含量；（6）按照ASTM E407-2015檢驗焊縫及熱影響區的微觀金相組織。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能試驗結果

2.1.1 拉伸試驗結果

焊接接頭拉伸試驗結果如表4所示。抗拉強度均高于母材（748 MPa），斷口均在母材上，試樣照片如圖2a、2c所示，斷口未見明顯的可視性缺陷，說明兩對試件的焊接接頭拉伸性能均良好。試件S2的抗拉強度略高于S1，說明隨著熱輸入的增加，焊接接頭的抗拉強度呈下降趨勢。

2.1.2 彎曲試驗結果

彎曲拉伸試驗結果如表5所示。8件試樣經彎曲180°后用10倍放大鏡觀察，受拉面無裂紋等缺陷，試樣照片如圖2e、2f所示，說明兩對試件的焊接接頭彎曲性能良好，熱輸入的增加或減少未給焊接接頭的塑性帶來不利影響。

2.1.3 沖擊韌性試驗結果

在-40℃下分別對兩對試件的焊縫區、熱影響區進行夏比V型缺口沖擊韌性試驗，結果如表6所示，根據結果繪制熱輸入與焊接接頭沖擊功的關系曲線如圖3所示，試樣照片如圖2b、2d所示。由表6和圖3可知，隨著熱輸入的增加，焊縫及熱影響區的沖擊吸收功呈上升趨勢，采用同一熱輸入焊接的接頭，熱影響區的沖擊吸收功高于焊縫區，說明熱影響區的低溫沖擊韌性優于焊縫區。

表4 焊接接頭拉伸試驗結果

表5 焊接接頭彎曲試驗結果

圖2 拉伸、彎曲及沖擊試樣

2.2 腐蝕、鐵素體及微觀金相試驗結果

2.2.1 耐FeCl3點蝕試驗結果

兩對試件各取一件試樣進行耐FeCl3點蝕試驗，試樣包含母材、熱影響區及焊縫區。將試樣置于600mL的6%FeCl3溶液中，恒溫50℃連續試驗72h，結果如表7所示，腐蝕后的試樣照片如圖2g、2h所示。由腐蝕結果可知，隨著熱輸入的增加，試樣的耐點蝕性能略有提高，點蝕大部分發生在熱影響區，因此熱影響區是焊接接頭耐點蝕性能的薄弱區。

2.2.2 鐵素體含量

使用根據AWS A4.2M-2006校準過的FERITS COPE FMP30鐵素體儀分別測量兩對試件焊縫區的鐵素體數及鐵素體百分含量，測量結果如表8和圖4所示。檢測結果表明，隨著熱輸入的增加，焊縫區的鐵素體含量呈下降趨勢，說明延緩冷卻速度可以延長鐵素體向奧氏體的轉變溫度區間，從而使更多的鐵素體轉變為奧氏體。

表6 沖擊韌性試驗結果

圖3 熱輸入與焊接接頭沖擊功的關系

表7 耐FeCl3點蝕試驗結果

表8 鐵素體含量檢測結果

圖4 焊縫區的鐵素體數及鐵素體百分含量

2.2.3 焊縫及熱影響區的微觀組織

打磨、拋光試樣，用10%草酸水溶液電解腐蝕后采用Axiovert 40 MAT金相顯微鏡觀察焊縫及熱影響區的金相組織，發現焊縫及熱影響區的微觀金相組織均為奧氏體和鐵素體雙相組織，金相照片見圖5，白色樹枝狀、板條狀組織為奧氏體，灰色組織為鐵素體。結果顯示，隨著熱輸入的增加，鐵素體含量降低[7-8]，與FMP30鐵素體儀的檢測結果一致。

由圖5可知，奧氏體首先沿鐵素體晶粒邊界形成，S2焊縫區因熱輸入較小，大部分奧氏體組織正處于成核和生長過程，組織結構不均勻、晶粒大小差距大；而S1焊縫區由于熱輸入量提高，鐵素體向奧氏體的轉變更完善，生成了結構及晶粒大小均勻的奧氏體組織，因此S1焊縫區較S2焊縫區的低溫沖擊韌性更好。熱影響區因連續受熱導致鐵素體晶粒明顯比母材晶粒粗大，這也是其沖擊韌性低于母材的原因，并且部分二次奧氏體以魏氏體側板條形態從晶界奧氏體長出或在鐵素體晶內形成，而點蝕優先在二次奧氏體和鐵素體的界面上成核[9]，因此熱影響區的耐點蝕性能低于母材和焊縫區，這與耐FeCl3點蝕的試驗結果一致。

3 在實際產品中的應用

根據上述試驗結果，依據ASME標準第Ⅸ卷QW-200及QW-400生成焊接工藝評定報告（PQR），編制焊接工藝規程WPS。通過在某公司承制的印度某PTA項目汽提塔（設備材質為SA-240 S32205）中進行應用，設備制造完成后使用FMP30鐵素體儀測量焊縫的鐵素體含量，所有焊縫的鐵素體數均在32～40 FN范圍內；對產品縱縫試件進行各項理化性能試驗，其拉伸、彎曲、沖擊韌性、鐵素體、顯微組織等各項性能較好，說明通過合理控制焊接的熱輸入量，可以使雙相不銹鋼焊縫獲得最優的雙相比例及各項性能。

4 結論

（1）隨著焊接熱輸入量的增加，2205雙相不銹鋼焊接接頭的抗拉強度降低，焊縫區的鐵素體含量降低，焊縫及熱影響區的沖擊韌性提高，耐點蝕性能略微升高。

圖5 焊縫及熱影響區的微觀組織

（2）熱影響區的低溫沖擊韌性雖然略優于焊縫區，卻是點蝕的高發區，是焊接接頭的薄弱區。

（3）通過合理控制焊接參數（即熱輸入量），可以獲得最優的雙相比例以及綜合性能良好的焊接接頭。