S22053 雙相不銹鋼接頭組織和性能研究

孫俊峰，任澤良，占國平，王艷東，張成高

（九江海天設備制造有限公司，江西 九江 332100）

雙相不銹鋼是指其微觀組織由鐵素體相和奧氏體相組成的材料，兩相質量分數各占約50%。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性以及導熱系數高、具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優良的耐孔蝕性能，也是一種節鎳不銹鋼[1—10]。該鋼板不僅耐腐蝕性好，而且強度高、價格便宜，是不銹鋼結構產品的理想選擇，但該鋼板對焊材、焊接工藝要求較高，所以研究其焊接工藝具有重要意義。

S22053 雙相不銹鋼具有較好的性能，自Outokumpu 公司于2000 年開發出來后，現已廣泛用于造紙工業設備、食品加工設備、海上石油平臺（熱交換器管、水處理和供水系統、消防系統、噴水系統）、脫鹽（海水淡化）設備等特殊化工環境設備[11—13]。董建君等[14]研究了不同焊接工藝對2205 雙相不銹鋼接頭組織和力學性能的影響。結果表明，接頭焊縫及熱影響區的沖擊韌性隨著奧氏體含量的增加而增高，線能量增大可促進更多的奧氏體生成，但也會導致組織相對粗大。常靜等[15]采用不同焊接工藝對 2205 雙相不銹鋼進行焊接，并對接頭組織和晶間腐蝕性能進行了分析。試驗結果表明，熱輸入量大的鎢極氬弧焊（TIG）蓋面焊接接頭焊縫中心和熱影響區奧氏體含量多于焊條電弧焊，且奧氏體相交織成網狀結構，焊條電弧焊焊縫中心存在大量第二相粒子，第二相粒子主要由于脫渣不充分導致，而第二相粒子的存在嚴重影響焊縫中心的耐晶間腐蝕性能。

文中采用兩種不同焊材（焊條、焊絲+焊劑）對S22053 鋼板進行焊接，通過試驗確定S22053 雙相鋼兩種焊接方法的選擇原則，并對接頭進行力學性能、晶間腐蝕、微觀金相和鐵素體含量檢測試驗，這對保證焊縫質量和后續雙相鋼的焊接工作有重要理論意義和工程實踐意義。

1 試驗

試驗材料為S22053 雙相不銹鋼，試件尺寸為500 mm×150 mm×20 mm，化學成分如表1 所示。所用的焊條有Φ3.2 mm 和Φ4.0 mm 兩種規格的E2209-16，焊絲有ER2009，焊劑有GXS-330。焊接前用砂紙將不銹鋼板材表面清理干凈，再用丙酮和酒精擦洗板材表面，待酒精丙酮揮發后進行焊接。

表1 S22053 不銹鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of S22053 stainless steel

試驗涉及焊接方法有SMAW 和SAW，焊接接頭坡口形式為單面V 形坡口，坡口角度為70°，焊接位置都為平焊，焊接參數如表2 所示。焊后沿各焊接接頭的橫截面取樣進行分析，對比不同工藝參數下接頭微觀組織、力學性能、耐晶間腐蝕性能和鐵素體含量的變化特征。

表2 焊接參數Tab.2 Welding parameters

采用偏重亞硫酸鈉鹽酸水溶液對金相試樣進行腐蝕，采用硫酸-硫酸銅溶液進行耐晶間腐蝕性能測試，在微沸的硫酸-硫酸銅溶液中煮沸20 h 后，采用彎芯半徑為試樣厚度2 倍的壓頭對試樣彎曲90°，根據試樣產生裂紋的情況判斷材料是否具有晶間腐蝕敏感性。拉伸試樣尺寸如圖1 所示，拉伸速率為2 mm/min，彎曲試樣如圖2 所示。

圖1 拉伸試件尺寸Fig.1 Dimension of tensile test piece

圖2 彎曲試件尺寸Fig.2 Dimensions of bending test piece

2 結果與分析

2.1 接頭顯微組織

3 組試驗接頭顯微組織如圖3 所示。圖3a，c，e為接頭焊縫顯微組織，可以看出3 組試驗的焊縫組織為奧氏體和鐵素體，基體為鐵素體，奧氏體被鐵素體基體包圍著。3 組試驗的奧氏體晶粒大小和組織形態變化較大，圖3a 和c 中，主要為晶間奧氏體和晶內奧氏體，晶間奧氏體沿鐵素體晶界析出呈條狀，晶內奧氏體生長在鐵素體晶內呈片狀，圖3e 中，主要是魏氏奧氏體呈羽毛狀，從圖3e 可以看出奧氏體多于鐵素體，粗大的奧氏體占據了大片區域，局部有魏氏組織產生，奧氏體按一定方向的板條狀分布，也有部分以片狀分布。這是因為隨著焊縫冷卻，晶粒會沿著散熱最快的方向生長，從焊縫邊緣向焊縫中心生長，粗大的奧氏體之間分布著許多細小的等軸晶，但由于焊縫金屬瞬間冷卻，晶粒呈長條狀分布。對比圖3a，c，e 可以發現，圖3a 中奧氏體晶粒最為細小，這主要是由于E2209 焊條中Ni 含量高于ER2209，Ni 含量增多有助于降低相變溫度和細化晶粒，焊條直徑越大，所需要的熱輸入越大，因此Φ3.2 mm 的E2209焊條具有更小的熱輸入，焊縫冷卻速度較快，晶粒更為細小的特點。圖3b，d，f 為接頭熱影響區顯微組織，熔合線兩側的組織有明顯差異，在熱影響區板條狀的奧氏體以一定方向分布在鐵素體基體上，這是因為靠近焊縫一側熱影響區的峰值溫度超過了鐵素體固溶溫度，有利于奧氏體向鐵素體轉變，隨著焊縫的冷卻，奧氏體晶粒逐漸長大，并向鐵素體晶粒內部延伸，形成了條狀奧氏體，此外奧氏體與鐵素體比例基本各占一半，圖3f 中出現了魏氏組織，雙相鋼組織中鐵素體和奧氏體分布越均勻，那么沖擊韌性越好，因此在接頭熱影響區均可以獲得良好的塑韌性，提高接頭的變形能力和抵抗斷裂能力。

圖3 接頭顯微組織Fig.3 Microstructure of joint

2.2 接頭抗晶間腐蝕性能

3 組試驗的晶間腐蝕試驗結果如表3 所示。這3組試驗使用的母材和焊材本身晶間腐蝕試驗都合格，且試驗方法和標準也是ISO 3651—2，排除母材和焊材對焊縫金屬的影響。從表3 看出，3 種焊接方法的晶間腐蝕試驗結果都合格，這主要是由于在奧氏體-鐵素體雙相組織中，δ/γ相界面能低于奧氏體晶界γ/γ界面能，碳化物擇優在δ相一側析出，降低了碳化物在奧氏體相界面的析出量，此外，在奧氏體晶界處被孤立的鐵素體分離，增加了晶界面積，也有利于提高接頭抗晶間腐蝕的能力。晶間腐蝕試樣彎曲90°后的試樣形貌見圖4，由圖4 可見，試樣彎曲部位外表面均未產生晶間腐蝕裂紋。

表3 晶間腐蝕試驗結果Tab.3 Results of intergranular corrosion test

圖4 彎曲后的試樣形貌Fig.4 Specimen morphology after bending

2.3 接頭鐵素體含量

3 組試驗焊縫金屬和熱影響區鐵素體含量檢測結果如表4 所示。從表4 可看出3 種焊材的焊縫金屬鐵素體含量都滿足要求，而且集中在57%左右，說明這3 種焊材的化學成分較穩定，采用的焊接工藝參數也不會造成鐵素體相和奧氏體相比例失衡。3 組試驗中都是鐵素體居多，奧氏體與鐵素體兩相平均比例為42.33%∶57.67%，雙相不銹鋼接頭的兩相比例在要求的范圍內。

表4 接頭鐵素體質量分數Tab.4 Ferrite content of joint

2.4 接頭力學性能

圖5 為接頭室溫抗拉強度。各接頭均是在打磨清理余高后所測得。從圖5 可以看出，E2209 接頭抗拉強度均為855 MPa，ER2009+GXS-330 接頭抗拉強度為795 MPa，焊縫的抗拉強度均達到了母材抗拉強度的97%，ER2009+GXS-330 接頭斷裂在熱影響區靠近母材一側，E2209 接頭斷裂在母材。E2209(Φ3.2 mm)，E2209(Φ4.0 mm)，ER2009+GXS-330 接頭伸長率依次為24%，21%，26.4%，均大于標準要求，檢驗結果均合格。

圖5 室溫抗拉強度Fig.5 Bar chart of tensile strength at room temperature

3 結論

1）采用兩種不同焊材（Φ3.2 mm 和Φ4.0 mm 焊條、焊絲+焊劑）焊接的接頭組織為奧氏體和鐵素體，基體為鐵素體，奧氏體被鐵素體基體包圍著，3 組試驗的奧氏體晶粒大小和組織形態變化較大，其中Φ3.2 mm 的E2209 焊條焊縫晶粒最為細小，宜選用此種焊接方法。

2）對兩種不同焊材進行晶間腐蝕試驗和鐵素體含量檢測試驗，從試驗結果來看，3 種焊材基本都滿足S22053 的焊接要求。

3）兩種焊材接頭抗拉強度均達到母材抗拉強度的97%，Φ3.2 mm 的E2209 焊條焊縫抗拉強度為855 MPa，超過了母材抗拉強度，拉伸試樣斷裂在母材處，伸長率依次為24%，21%，26.4%均符合標準要求，90°側彎后表面無任何可見裂紋。