2205雙相不銹鋼薄板端接接頭焊接工藝

沈亞仁

摘要：介紹了2205雙相不銹鋼1.2 mm薄板端接接頭鎢極氬弧焊焊接工藝，從2205的特點與應用、材料的焊接性、焊接工藝參數及操作要領等方面入手，著重分析薄板端接焊接過程中容易出現的問題（金相組織不均勻）以及為解決缺陷所采取的相關工藝措施及方法。

關鍵詞：2205雙相不銹鋼;端接接頭;焊接工藝;金相組織

0? ? 前言

某換熱器設備制造公司承接一批容器設備制作工程，該設備要求具有良好的耐腐蝕和力學性能，材料為雙相不銹鋼00Gr22Ni5Mo3N （2205），結構接頭形式為薄板端接，厚度1.2 mm。此類薄板產品目前無成熟經驗可借鑒，因此焊接工藝的適應性是保證焊接質量及組織均勻合理的關鍵。

1 2205雙相不銹鋼基本特性

2205雙相不銹鋼在室溫下固溶體組織奧氏體和鐵素體約各占50%（鐵素體約30%～55%），兼有兩相組織特征。它保留了鐵素體不銹鋼導熱系數大、熱膨脹系數小、耐點蝕縫隙及氯離子應力腐蝕的特點[1];又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學性能和焊接性能好的優點，在化工、海洋等工程行業應用較多，但都局限于3 mm以上的中厚板應用，薄板焊接還處于研究與待開發狀態。

2 2205雙相不銹鋼主要焊接要點

2.1 焊接接頭組織的比例不均勻

在2205焊接過程中最容易出現金相組織不均勻，如奧氏體相比例過高（>75%）將導致強度和抗應力腐蝕能力下降;隨著鐵素體相比例的增加，強度會增加，但材料的475 ℃脆性敏感性會增大，控制焊接接頭中的金相比例是雙相不銹鋼焊接的的主要問題[2]。圖1～圖3分別為焊縫區、熔合及熱影響區、母材區焊接熱輸入不合理情況下的鐵素體與奧氏體比例。

從金相圖來看，因熱輸入不合理，導致焊縫區鐵素體含量達65%，熔合區及熱影區的鐵素體比例嚴重超標高達85%，而稍遠離焊縫的母材組織變化不明顯。端接接頭形式不規則易造成受熱不均，從而導致熱影響區鐵素體與奧氏體組織不均衡是影響焊縫質量的主要問題。

2.2 焊縫區的晶間腐蝕

2205雙相不銹鋼與普通奧氏體不銹鋼一樣，都會產生475 ℃脆性和發生晶間腐蝕等問題[3]。要控制焊縫金屬的化學成分，降低含碳量和添加足夠的TI或NB，盡量避免在450～850 ℃溫度區間的停留以防止晶間腐蝕。

2.3 焊接接頭的點腐蝕

焊接過程中冷卻速度不合理或同樣條件下材料中的N含量過低，導致點蝕電位相差很大，造成焊接接頭在運行過程中出現點腐蝕，嚴重降低其使用性能。

3 焊接試驗實例解析

通過對2205雙相不銹鋼1.2 mm薄板端接接頭形式的試件進行焊接試驗，介紹分析整個焊接工藝過程、工藝參數及對缺陷的防止與處理。

3.1 母材及焊絲

2205不銹鋼板來自國內酒泉鋼鐵公司，執行標準為ASTM A240/A240M-15，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示;焊絲采用瑞典阿維斯坦公司的ER2209，直徑為1.6 mm，其化學成分如表3所示。

3.2 焊接電源、保護氣體、鎢極選用

焊接方法采用手工脈沖鎢極氬弧焊（TIG），電源為松下YC-315TX直流脈沖焊機，焊接參數包括脈沖電流、基值電流、脈沖頻率與脈沖寬度等。

N元素的添加可以強化并穩定奧氏體相，同時提高其焊接性，焊接過程中焊縫表面的N會有一定的損失，為補償損失保護氣體采用φ（Ar）98%+φ（N）2%混合氣。

鎢極選用鈰鎢極φ1.6 mm，端部磨成細尖錐形，以保證焊接電弧的穩定。

3.3 焊前準備

3.3.1 接頭與坡口加工

產品接頭形式為端接，其坡口為機械加工Ⅰ型，焊前嚴格清理焊接區域內20～40 mm污物，接頭與坡口形式如圖4所示。

3.3.2 焊接工藝參數

由于雙相不銹鋼導熱性能較好，熱膨脹系數比奧氏體不銹鋼低，薄板在焊后不會產生較大的殘余應力，具有較好的抗裂性能，可以采用較大的線能量進行焊接[4]。具體焊接工藝參數如表4、表5所示。

3.4 組對定位

制作相應的夾緊裝置將兩板夾緊組對，在坡口焊縫內點固定位;定位參數較正常焊接大10%～15%左右，定位焊長度每點約為5～8 mm，定位間隔50～60 mm，定位焊作為焊縫的組成部分，應確保每點定位焊熔合良好。

3.5 焊接過程及注意事項

2205雙相不銹鋼薄板焊接過程與奧氏體不銹鋼焊接方式基本相似，但應該注意以下幾點：

（1）焊前應將兩板運用夾具夾緊，不允許留有間隙并防止在焊接過程中產生變形。

（2）焊接時通常采用左向焊法，斷續送絲，焊接時送絲應與焊槍移動相協調，其中脈沖電流用于熔化焊絲形成焊縫，基值電流為冷卻熔池和保證電弧不熄滅;在焊接過程中要防止焊絲與鎢極碰撞產生夾鎢。

（3）嚴格控制焊接溫度與熱輸入。在焊接過程中，運用分中分段退焊法，每次焊接長度約為50～60 mm，確保每段每道之間溫度下降到100 ℃以下方可進行焊接。

（4）注意起頭、接頭、收弧的處理。焊接過程中應運用起弧、焊接、收弧電流等功能，稍大的起弧電流能保證焊縫溫度的快速上升，促使起弧熔合良好;焊接電流應與送絲熔化速度及焊接速度相匹配，接頭處應用砂輪機磨薄成斜口以保證連接良好;收弧處須采用衰減或收弧功能，將弧坑填滿，防止火口與弧坑裂紋產生。

（5）焊接過程中采用直線運條法，利用送絲量來控制焊縫余高，并保證焊縫兩側的熔合。

3.6 焊后熱處理

焊縫冷卻至室溫后，將產品進行1 050 ℃固溶處理，保溫60 min后水冷至室溫，以確保奧氏體與鐵素體的組織均勻[5]。

3.7 焊后檢驗

（1）點腐蝕試驗。

從焊縫、熱影響區和母材分別切取尺寸20 mm×10 mm×2 mm的點腐蝕試樣，依椐ASTM G84標準進行點腐蝕試驗。將試樣清理干凈稱重，然后置于PH=1.3的6%三氯化鐵（FeCl3）溶液中浸泡24 h，保持恒溫20～24 ℃，試驗后再次稱重，計算出試樣的腐蝕率，應滿足標準規定腐蝕率（不超過10 mdd）。

（2）用線切割切取金相試樣，試樣應包括焊縫、熱影響區和母材。采用5 g三氯化鐵（FeCl3）溶于100 mL蒸餾水，再加入100 mL鹽酸（HCl）配制成腐蝕液浸蝕金相試樣，用金相顯微鏡觀察焊接接頭各區域的組織分布與比例，鐵素體組織比例為45%～55%，完全滿足要求。

4 結論

（1）2205雙相不銹鋼1.2 mm薄板端接接頭要獲得奧氏體與鐵素體比例比較合理的金相組織，應選擇合理的工藝參數，并在焊后進行固溶處理。

（2）滿足力學性能的關鍵是合理控制焊接線能量，通過試驗分析，線能量控制在100～120 kJ/cm為合適。

（3）采用φ（Ar）98%+φ（N）2%的混合保護氣體，可促進焊縫及熱響區金相組織的均勻。

（4）與普通奧氏體不銹鋼相同，2205雙相不銹鋼也會產生晶間腐蝕和475 ℃脆性，在焊接和熱處理過程中應避免在450～850 ℃溫度區間的停留。

參考文獻：

鄒德寧，韓寧，李姣，等.熱處理對2205雙相不銹鋼焊接接頭力學性能的影響[J].機械工程學報，2011，47（1）：85-89.

張建勛，李為衛，李慶琰. 2205雙相不銹鋼焊接性研究綜述[J].焊管，2005，28（5）：6-10.

岳斌，馬鵬舉，王大治，等. 2205雙相不銹鋼的焊接工藝研究[J].化工機械，2009，36（1）：5-8.

劉志軍，王國斌，樊麗娜，等. 2205雙相不銹鋼3mm薄板焊接試驗[J].機械化工，2013（1）：39-42.

韓志斌，王少剛，徐鳳林，等. 2205雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能[J].石油化工腐蝕與防護，2008，25（3）：1-3.