不同焊接工藝下2205 雙相不銹鋼焊縫組織及性能對比

馮玉蘭， 李 睿

（1. 中鋼不銹鋼管業科技山西有限公司， 山西 晉中030600；2. 晉西車軸股份有限公司， 太原030027）

2205 雙相不銹鋼是雙相不銹鋼的典型代表鋼種， 在雙相不銹鋼應用領域占主導地位， 被廣泛應用在各行業， 主要包括石油化工、 海洋及食品等。 其金相組織中奧氏體與鐵素體各占一半， 約為40%～60%， 具有鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼兩種材料的性能。 因其化學成分中含有Mo， 故具有一定的抗Cl-腐蝕能力[1-4]。 2018 年竣工并通車的港珠澳大橋， 全長約55 km， 采用材料就是2205雙相不銹鋼， 有效地利用了其優越的耐腐蝕性。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗用母材及試板尺寸

試驗用母材為山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產的S32205 雙相不銹鋼鋼板， 尺寸為500 mm×300 mm×15 mm （長×寬×厚）， 數量4 塊。

1.2 母材化學成分及力學性能

試驗用S32205 雙相不銹鋼化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 S32205 超級雙相不銹鋼板的化學成分 %

表2 S32205 雙相不銹鋼的力學性能

1.3 母材相比例

2205 雙相不銹鋼母材 （熱軋板） 金相組織如圖1 所示， 腐蝕劑為FeCl3水溶液， 組織由鐵素體和奧氏體兩相組成， 比例約為1：1， 圖1 中淺灰色為奧氏體， 深灰色為鐵素體， 奧氏體分布在鐵素體基體上， 整體呈條狀分布[5-9]。

圖1 母材的金相組織（腐蝕劑為FeCl3）

2 試驗方案

本研究采用兩種試驗方案， 交貨狀態均為焊接+熱處理。 兩種方案不同之處是焊接方式， 打底焊接均采用等離子焊， 蓋面焊接為TIG 焊與SAW 焊兩種[10]。

2.1 方案一

2.1.1 試驗用焊接材料及設備

焊接采用不銹鋼實芯焊絲， 美標牌號ER2209，規格Φ1.2 mm， 焊絲的化學成分見表3。 焊接設備使用邊梁雙槍P+T 縱環縫焊接系統TETRIX 522D-P、 TETRIX 521 TIG， 電源為AC/DC 1000，焊接位置為平焊。

表3 Φ1.2 mm ER2209 實芯焊絲化學成分 %

2.1.2 工藝及檢驗要求

圖2 2205 雙相不銹鋼焊縫單邊坡口示意圖

圖3 2205 雙相不銹鋼焊縫焊接道次分布示意圖

（2） 焊接方法、 工藝要求及參數。 焊接方法： PAW 不填絲打底焊接+TIG 填絲蓋面焊接；焊接及保護氣體均為純Ar。 焊接工藝要求：焊前及層間使用角磨機或丙酮清理焊縫及兩側30 mm 范圍內的油污及鐵銹， 焊接過程采用小的焊接線能量， 進行多層多道焊接， 嚴格控制 層間溫度≤100 ℃。 焊接工藝參數見表4。

表4 方案一焊接工藝參數

（3） 焊縫檢驗。 焊接完成后， 對焊縫進行外觀目視檢測、 尺寸及RT 實時成像檢測。 外觀目視檢驗結果滿足標準NB/T 47013.7 要求； 射線檢驗按照標準NB/T 47013.2 要求， 未發現有咬邊、 氣孔、 未熔合、 裂紋等任何缺陷， 質量滿足Ⅰ級要求[11]。

（4） 熱處理。 焊縫檢測無缺陷后， 對其進行熱處理， 熱處理溫度1 050 ℃， 保溫時間30 min，冷卻方式為水冷。

2.2 方案二

2.2.1 試驗用焊接材料及設備

埋弧焊采用不銹鋼實芯焊絲， 牌號ER2209，規格Φ3.2 mm， 焊劑牌號SJ606， 規格10～60 目。焊絲及焊劑化學成分分別見表5 和表6。 焊接設備使用邊梁自動雙槍P+S 縱環縫焊接系統。 焊接位置為平焊。

表5 Φ3.2 mm ER2209 實芯焊絲的化學成分 %

表6 SJ606 焊劑化學成分 %

2.2.2 工藝及檢驗要求

（2） 焊接方法、 工藝要求及參數。 焊接方法采用PAW 不填絲打底焊+SAW 蓋面焊， PAW 離子氣與保護氣均為純Ar， 具體工藝參數見表7。工藝要求與TIG 蓋面焊一致。

（3） 焊縫外觀、 無損檢驗及熱處理工藝要求和方案一相同。

表7 方案二焊接工藝參數

3 焊縫理化性能檢驗

焊縫理化性能檢驗主要有拉伸、 彎曲、 金相、 點蝕試驗。 根據ASME 鍋爐及壓力容器規范Ⅸ 《焊接和釬接工藝、 焊工、 釬接工、 焊接和釬接操作工評定標準》 要求取樣并進行試驗。 試驗采用鋼研納克檢測技術有限公司生產的30 t 電子拉伸試驗機， 進行拉伸、 彎曲試驗； 點蝕試驗依據標準ASTM G48。

3.1 力學性能

3.1.1 焊縫橫向拉伸試

拉伸試樣尺寸如圖4 所示， 長度450 mm，寬度50 mm， 厚度15 mm。 試樣要求內外焊縫余高機械磨除。

圖4 焊縫拉伸試樣形狀和尺寸示意圖

試樣的測試條件是： 加載速率5 mm/min，加載載荷10 kN。 試驗執行標準ASTM A370。 力學性能測試結果見表8。

表8 焊接接頭力學性能測試結果

根據美國標準ASME 鍋爐及壓力容器規范Ⅸ 《焊接和釬接工藝、 焊工、 釬接工、 焊接和釬接操作工評定標準》， QW-153 拉伸試驗合格標準為： 試樣的抗拉強度不小于母材規定最小抗拉強度， 根據表QW/QB-422 可知， 母材規定抗拉強度最小值為655 MPa。

從表8 試驗數據可知： 氬弧焊與埋弧焊焊縫抗拉強度試驗值725 MPa 與719 MPa 均高于母材要求的最低抗拉強度655 MPa， 屈服強度高于母材標準值485 MPa， 延伸率大于母材要求的最低值25%， 試驗合格。 拉伸試樣斷裂的位置在母材處， 說明焊縫性能較好。

3.1.2 彎曲試驗

試驗用板材厚度為15 mm， 在做彎曲試驗時選用側彎試驗代替面彎和背彎。 試樣寬度為母材原始厚度15 mm， 試樣厚度10 mm， 長度160 mm。試樣要求內外焊縫余高機械磨除。 焊縫彎曲試樣形狀和尺寸如圖5 所示。

圖5 焊縫彎曲試樣形狀和尺寸示意圖

試驗測試條件： 彎曲直徑40 mm， 彎曲角度180°。 試驗執行標準ASTM A370。 試驗后在顯微鏡下放大10 倍觀察焊縫外表面無裂紋，氬弧焊及埋弧焊蓋面兩種焊接工藝彎曲試驗均合格。

3.2 金相觀察

3.2.1 焊接接頭焊縫區金相組織對比

焊縫金相試驗主要檢驗焊接接頭組織及奧氏體與鐵素體兩相比例[12-14]。 焊接接頭焊縫區金相組織如圖6 所示， 圖6 （a） 為氬弧焊焊縫區組織，圖6 （b） 為埋弧焊焊縫區組織， 腐蝕液為王水。從圖6 可見， 埋弧焊焊縫組織方向性較強， 整體呈樹枝狀晶， 氬弧焊焊縫也存在樹枝狀晶， 方向性較埋弧焊不明顯。

圖6 兩種焊接工藝下焊接接頭焊縫區的金相組織

3.2.2 焊接接頭熱影響區金相組織對比

兩種焊接工藝下焊接接頭熱影響區金相組織如圖7 所示， 圖7 （a） 為氬弧焊蓋面熱影響區組織， 圖7 （b） 為埋弧焊熱影響區組織， 腐蝕液為王水。 從圖7 可以看出， 埋弧焊熱影響區組織呈連續帶狀分布， 氬弧焊熱影響區組織呈間斷條狀分布； 焊接接頭熱影響區中奧氏體與鐵素體兩相比例約各占50%。

圖7 兩種焊接工藝下焊接接頭熱影響區的金相組織

3.2.3 焊接接頭母材區金相組織對比

兩種焊接工藝下焊接接頭母材區金相組織如圖8 所示， 圖8 （a） 為氬弧焊蓋面母材區組織，圖8 （b） 為埋弧焊母材區組織， 腐蝕液為王水。兩圖顯示的是與焊縫中心等距離位置母材的金相組織， 但由于埋弧焊熱輸入較大， 圖8 （a） 組織接近母材， 呈間斷條狀分布； 受熱輸入的影響， 圖8 （b） 組織同熱影響區組織相似， 呈連續帶狀分布； 焊縫兩相比例均滿足要求， 氬弧焊兩相比例約占50%， 埋弧焊鐵素體含量稍高， 根據ASTM E562 標準可知， 鐵素體含量約占55%。

3.3 耐腐蝕性能檢測

本研究中焊縫耐腐蝕性試驗主要檢測其耐點蝕性， 試驗方法為三氯化鐵點腐蝕試驗， 執行標準ASTM G48， 試驗溫度30 ℃。

氬弧焊蓋面焊縫點蝕試驗： 試樣尺寸為25.05 mm×15.11 mm×2.45 mm， 試樣表面積為953.795 mm2； 將試樣研磨并清洗后放入6%的三氯化鐵溶液腐蝕72 h， 試驗前稱重7 231.2 mg， 試驗后稱重7 229.8 mg， 腐蝕速率0.49 g/m2/24h； 試驗后， 試樣表面放大20 倍無可見的點蝕現象。

埋弧焊蓋面焊縫點蝕試驗： 試樣尺寸為25.12 mm×15.04 mm×2.19 mm， 試樣表面積為931.510 4 mm2； 將試樣研磨并清洗后放入6%的三氯化鐵溶液中腐蝕72 h， 在試驗前稱重為6 452.7 mg， 在試驗后稱重為6 450.9 mg， 腐蝕速率0.64 g/m2/24h； 試驗后， 試樣表面放大20 倍無可見的點蝕現象。

根據兩組點蝕試驗的結果可知， 氬弧焊蓋面焊縫耐點蝕性能優于埋弧焊蓋面焊縫耐點蝕性能。

4 結束語

通過對比TIG 焊與SAW 焊兩種焊接方式焊縫的理化性能及金相組織， 發現TIG 蓋面焊縫組織及理化性能優于SAW 蓋面工藝， 但SAW生產效率比TIG 生產效率高3 倍多。 因此， 可綜合考慮應用工況及生產效率， 選擇焊接工藝。如果應用條件苛刻時， 優先選擇TIG 工藝； 如果對使用環境要求不高時， 考慮生產效率， 可選擇SAW 工藝。