2507不銹鋼船舶排舷外管焊接接頭組織與性能研究

孫文浩，陶鑫，陸鳳姣，楊震宇，周坤園

1.江蘇雙良新能源裝備有限公司 江蘇江陰 214444

2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院江陰分院 江蘇江陰 214400

3.招商局金陵船舶（南京）有限公司 江蘇南京 210015

1 序言

2 材料與方法

2.1 試驗材料

本研究使用亞達管道系統股份有限公司生產的、外徑與厚度規格為φ273mm×10mm的2507不銹鋼管作為主要試驗材料，其化學成分與力學性能分別見表1、表2。焊接材料使用昆山京群焊材科技有限公司生產的牌號為GTS-2594（ASME SFA5.9/5.9M ER2594）不銹鋼氬弧焊絲，其化學成分見表3。

表1 2507不銹鋼管的化學成分（質量分數）（%）

表2 2507不銹鋼管的力學性能

表3 GTS-2594不銹鋼氬弧焊絲的化學成分（質量分數）（%）

2.2 試驗方法

（1）焊接工藝 試驗采用GTAW焊接方法，管傾斜45°立向上（6G/HL-045）焊接。試驗用坡口形式與焊道布置如圖1所示。焊前采用機械切割加打磨的方式加工坡口，并確保坡口面50mm內無銹跡、油污或其他雜質。

選擇使用98%Ar+2%N2作為焊接時的保護氣體，在焊縫正面使用的同時，管內也需充分充入該氣體。選擇帶有N2成分的保護氣體，有助于奧氏體的轉變，從而在控制兩相平衡的同時，又補充了容易燒損的N，使焊縫的抗腐蝕性能得到保證。焊接過程中嚴格控制層間溫度＜100℃，焊接熱輸入＜15kJ/cm。具體焊接參數見表4。

表4 GTAW焊接參數

（2）無損檢測 對焊接完成后的2507不銹鋼排舷外管進行目視檢測后再進行射線和滲透檢測，結果均合格后，按照LR船級社規范要求進行后續試驗。

（3）金相試驗 選用80#～2000#的砂紙，由粗到細，以“單程單向”方式重復對所觀測焊縫截面區域進行磨制，最后用帶有研磨膏的拋光布進行鏡面拋光。拋光完成后用無水乙醇擦去表面污漬，最后使用王水腐蝕液腐蝕。全部完成后，使用金相顯微鏡分別觀察試樣的焊縫，熱影響區及母材的顯微組織，并拍照記錄。

（4）力學性能試驗 使用顯微維氏硬度試驗機，分別對焊接接頭上下兩個部分的焊縫、熱影響區和母材區域進行顯微硬度測試。

按照LR船級社材料與焊接標準，在室溫下進行拉伸和彎曲試驗。拉伸試驗取橫向拉伸試樣兩個，拉伸區域截面規格為11.4mm×25mm。彎曲試驗取兩組試樣，每組正彎、反彎試樣各1個，彎曲角為180°，壓頭直徑為48mm。

在-20℃條件下對焊接接頭進行夏比V型沖擊試驗，沖擊位置分別為焊縫中心（W M）、熔合線（F L）、距熔合線2m m（F L+2）、距熔合線5m m（F L+5），為保證試驗數據的準確性，沖擊試驗每組做 3 個試樣取平均值，取樣尺寸為

機遇與挑戰并存，困難和希望同在。雖說我國氮肥工業面臨著挑戰，但同時也面臨著新的發展機遇。黨的十九大提出“生態文明”“綠色發展”“堅持人與自然和諧共生”等新的發展理念和發展原則，將給氮肥行業的發展帶來深遠影響。“氮肥行業擁有煤炭清潔高效利用技術，在協同處理有機廢物方面作出了有益探索。抓好氮肥的綠色發展、節能環保工作，不僅有助于行業本身的可持續發展，也將對其他行業的廢棄物處理和提高全社會的資源利用率做出貢獻。”顧宗勤欣慰地說。

7.5mm×10mm×55mm。

（5）點蝕試驗 試樣尺寸為25mm×50mm，經120#砂紙打磨后充分清洗、干燥后，稱量每塊試樣，精確到0.001g；配制適量的6%FeCl3水溶液和1%HCl溶液，混合后倒入1000mL燒杯中，待溶液溫度調整到20℃后，將試樣放入溶液中的玻璃架上，試驗72h后，將試樣取出，充分清洗干凈，干燥后稱量每塊試樣的重量。

3 結果與分析

3.1 焊接接頭組織

焊接接頭宏觀金相如圖2所示，對焊接接頭進行觀察，可以發現焊縫熔敷金屬、熔合線、熱影響區顯示清楚，焊縫與母材之間的過渡較為平滑，未發現明顯或過分補強情況；同時也未發現有咬邊、氣孔、裂紋、夾渣、未焊透及未熔合等缺陷，焊接質量較好，滿足試驗要求。

圖2 焊接接頭宏觀金相

焊接接頭各區域顯微組織取樣位置如圖3所示，各位置微觀組織如圖4所示。在對2507不銹鋼進行焊接之后，焊縫金屬會表現為鑄態組織，這屬于一次凝固組織為單相鐵素體的鐵素體凝固模式。當溫度降至低于鐵素體固溶線溫度后，部分鐵素體則會轉變為奧氏體，奧氏體形成時先在鐵素體晶粒邊界形成，逐漸向鐵素體晶內生長[4]。由圖4可看出，焊縫組織由奧氏體和鐵素體組成，奧氏體相主要以晶界奧氏體、魏氏體型奧氏體和晶內奧氏體三種形式存在于鐵素體晶粒中。在鐵素體晶界處析出的相為晶界奧氏體；從晶界開始向晶內以長條狀存在的相為魏氏體型奧氏體；而晶內奧氏體則在鐵素體晶粒內，以孤島狀和小塊狀的形式存在。該合金組織中鐵素體和奧氏體所占比例基本相等。兩相顯微組織的交互生長阻止了晶粒生長[5]，使得 2507不銹鋼具有良好的綜合性能。

圖3 焊接接頭各區域顯微組織取樣位置

圖4 焊接接頭各區域顯微組織

觀察2507不銹鋼焊縫和母材之間的熱影響區組織可發現，其熱影響區寬度較小，晶粒粗化區只有一個晶粒的大小。熱影響區晶粒粗化程度與焊接熱輸入的大小有關，當焊接熱輸入量較大時，會增加熱影響區晶粒粗化傾向，因此，對2507不銹鋼焊接時要控制熱輸入在一個適中的范圍，不宜使熱輸入過大，這樣就可以避免熱影響區組織的粗大傾向，阻止鐵素體晶界析出Cr的碳氮化合物，還可以防止晶間腐蝕及應力腐蝕的發生。

焊縫各位置鐵素體含量見表5。由表5可知，焊縫和熱影響區組織中無第三相產生，焊縫區組織為奧氏體+鐵素體（46%）；熱影響區組織為奧氏體+鐵素體（45%），組織比例滿足要求。

表5 焊縫各部位鐵素體含量（體積分數）（%）

3.2 焊接接頭力學性能

（1）硬度 焊縫各區域的顯微硬度分布如圖5所示。由圖5可發現，在上部焊縫中，從母材到熱影響區再到焊縫中心，顯微硬度先增大后減小再逐漸增大，焊縫中心的硬度最高；在下部焊縫中，焊接接頭的顯微硬度則是由母材向中心位置先增大后減小，到達中心位置后再增大，其中熱影響區的硬度最大。同時下部焊縫的硬度普遍高于上部焊縫。各部位硬度值均符合LR船級社材料與焊接規范要求。

圖5 焊縫各區域的顯微硬度分布

（2）彎曲強度、抗拉強度 試樣按要求彎曲后，均未發現超標開口缺陷。

抗拉強度試驗結果見表6。由表6可知，2組試樣最終斷裂位置都在母材區域，焊縫區域的抗拉強度均高于母材，抗拉強度值符合規范要求。

表6 抗拉強度試驗結果

（3）沖擊韌性 焊縫不同位置沖擊試驗的結果見表7。由表7可知，沖擊吸收能量試驗值與平均值均符合規范要求。焊縫熔合線處沖擊吸收能量最小，母材處沖擊吸收能量最大。因為保護氣體為98%Ar+2%N2，促進了熔敷金屬對氮的吸收，而氮是一種強烈的奧氏體化元素，所以組織中奧氏體相含量增大，從而增大了材料的韌性，這就直接導致接頭焊縫的沖擊吸收能量較高。

表7 焊縫不同位置沖擊試驗結果 （J）

3.3 點蝕性能

采用失重法測試兩個試樣的點蝕性能，點蝕試樣如圖6所示，焊接接頭點蝕試驗結果見表8。由表8可知，點蝕率滿足LR船級社材料與焊接參數要求，表面未發現點蝕現象，焊接接頭的耐點蝕性良好。保護氣體中添加少量N2，熔池金屬對N的溶解度迅速增加，熔池金屬中的奧氏體相含量也迅速增加，焊縫中兩相比例也變得更趨合理，因此焊接接頭的耐點蝕性能變得更好。不銹鋼耐點蝕能力隨著鋼中Cr、Mo 、N 含量的增加而增強。在雙相不銹鋼焊接中，N主要固溶于奧氏體相中，同時N能使Cr、Mo兩種元素從鐵素體相中轉移到奧氏體相中，從而平衡Cr、Mo兩種元素在相中的分布，又由于N在奧氏體相中的溶解度逐漸增加，而N是奧氏體化元素，它能擴大和穩定奧氏體相區，對于焊縫中的相比例能起到合理的優化作用，從而形成奧氏體占優的焊縫成分[3]，進而改善了奧氏體相的耐點蝕性[2，6]，因此使2507不銹鋼焊接接頭的耐點蝕性逐漸提高。

圖6 點蝕試樣

表8 焊接接頭點蝕試驗結果

4 結束語

本文通過對2507不銹鋼管進行焊接試驗，通過無損檢測和破壞性檢測的手段，觀察焊接接頭的金相組織，測試接頭的力學性能和耐腐蝕性能，得出了如下結論。

1）2507不銹鋼焊縫組織由奧氏體和鐵素體組成，二者之間的比例約為1∶1，滿足組織比例要求。兩相顯微組織的交互生長阻止了晶粒生長，使得 2507不銹鋼具有良好的綜合性能。

2）2507不銹鋼焊接接頭硬度較高，擁有良好的彎曲強度、抗拉強度以及沖擊性能，符合LR船級社材料與焊接參數的要求。

3）2507雙相不銹鋼焊接接頭有較好的耐腐蝕性能。保護氣體中添加少量N2，熔池金屬中的奧氏體相含量也迅速增加，焊縫中兩相比例也變得更趨合理，金屬中的析出也相對減少，焊接接頭的耐蝕性變得更好。

4）2507不銹鋼經過焊接后，焊接接頭處具有良好的兩相組織，各項性能得以提升，可滿足船舶日常實際使用需求，為后續排舷外管裝船使用提供了理論支持和焊接經驗。