特材管道接頭焊接工藝優化及效果測試研究

盧青 裴瑞國 尹一峰 王喆 史國棟

摘 要：試驗采用全自動鎢極氬弧焊（TIG）工藝和多層焊道焊接方式，對2205雙相不銹鋼管進行焊接，并研究焊接頭性能。結果表明：焊縫組織中兩相分布均勻，而熱影響區組織中奧氏體較少，鐵素體較多，但均符合應用要求；焊接頭的抗拉強度超過母材標準強度620 MPa，延伸率超過母材標準延伸率25%，經180°彎曲試驗后無裂紋萌生，焊接頭拉伸、彎曲性能良好，焊接頭各區域的硬度不超過硬度指標要求290 HV10，硬度性能良好，焊接頭焊縫的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位分別為3.324 8×10-8 A/cm2、-165.5 mV，焊接頭耐腐蝕性能良好。

關鍵詞：雙相不銹鋼；焊接頭；強度；彎曲性能；耐腐蝕性能

中圖分類號：TQ 317

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0038-04

Study on optimization of welding process and effect test of special pipe joint

LU Qing，PEI Ruiguo，YIN Yifeng，WANG Zhe，SHI Guodong

（China Mcc20 Group Co.，Ltd.，Shanghai 201999，China

）

Abstract：This experiment used fully automatic tungsten inert gas （TIG） welding process and multi-layer welding method to weld 2205 duplex stainless steel pipes，and studied the performance of the welding joints.The test results show that the two phases in the weld structure are evenly distributed，while the heat-affected zone has less austenite and more ferrite，which meet the application requirements.The tensile strength of the welded joint exceeds the standard strength of the base material by 620 MPa，and the elongation rate exceeds the standard elongation rate of the base material by 25%.After 180° bending test，there is no crack initiation，and the tensile and bending performance of the welded joint is good.The hardness of each area of the welding joint does not exceed the hardness index requirement of 290 HV10，and the hardness performance is good.The self corrosion current density I and self corrosion potential E of the welded joint are 3.324 8×10-8 A/cm2 and -165.5 mV，respectively.The welding joint has good corrosion resistance.In summary，the welding joint prepared in this experiment has good comprehensive performance and meets the requirements of engineering applications.

Key words：duplex stainless steel;welding head;strength;bending performance;corrosion resistance

雙相不銹鋼（DSS）是一種鐵素體與奧氏體含量各占50%左右的優良金屬材料，擁有良好的塑性、韌性、強度以及耐腐蝕性能，在化工領域應用廣泛，其中，極具代表性的就是2205雙相不銹鋼［1］。通過3種焊接工藝研究2205雙相不銹鋼焊接頭，分析焊接頭性能情況。試驗結果表明，最佳焊接工藝為GTAW+SMAW焊接，此時，焊接頭的組織均勻且綜合性能良好，而氬電聯焊工藝焊接頭的耐腐蝕效果最優［2］。除此之外，通過鎢極氬弧焊工藝，對薄壁小管徑的2205雙相不銹鋼管進行焊接。試驗結果表明，焊接頭的抗拉強度達到668 MPa，各區域硬度在260～280 HV，抗點蝕效果良好［3］?；诖耍囼炦x擇了全自動鎢極氬弧焊焊接工藝，通過多層焊道的焊接方式對2205雙相不銹鋼進行焊接，并對焊接頭性能情況進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：2205雙相不銹鋼管（無錫昌隆恒達鋼業，管徑323.9 mm，壁厚10 mm）；ER2954型焊絲（上海威仕利焊材，直徑2.4 mm）；金剛石拋光膏（安徽利王超硬材料）；草酸（化學分析純，河南立清化工）；無水乙醇（分析純，河南米蘭達化工）；砂紙（深圳市粵浩研磨材料，240、600、800目）。

主要設備：P-2T型拋光機（深圳市榮達儀器）；VINATF200型金相顯微鏡（山東微納檢測技術）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗機（北京吉泰科儀檢測設備）；HJ-WS型硬度儀（昆山市泓進檢測儀器）；CHI600E型電化學工作站（北京明宸中寰科技）。

1.2 試驗方法

1.2.1 焊接工藝

本試驗采用全自動鎢極氬弧焊（TIG）工藝，使用ER2954型焊絲對2205雙相不銹鋼管進行4層焊道焊接，分別是根焊層、熱焊層、填充層以及蓋面層。其中，焊道設計為60°V型坡口，3～5 mm裝配間隙，具體焊接工藝與參數如表1所示［4-5］。

1.2.2 焊接頭試件制備

對2205雙相不銹鋼焊接完成后，將試樣靜置2 d，然后通過機械加工的方式，根據試驗需要，對焊接頭進行切割，獲得焊接頭試樣，最后貯存備用。

1.3 性能測試

1.3.1 微觀形貌分析

將試樣依次用粗、細砂紙打磨，然后在拋光面抹上拋光膏，在金相拋光機上進行拋光處理，之后用10%草酸溶液電解腐蝕處理拋光面25 s，再用酒精清洗拋光面水漬，最后通過金相顯微鏡觀察試樣微觀形貌情況。

1.3.2 拉伸、彎曲試驗

通過試驗機對試件進行拉伸試驗，其中，試件長度為220 mm，厚度為2205雙向不銹鋼管的厚度，分析焊接頭拉伸性能。

通過試驗機對尺寸為220 mm×10 mm×10 mm的試件進行彎曲試驗，分析焊接頭彎曲性能。

1.3.3 硬度試驗、耐腐蝕

通過硬度儀對焊接頭試件進行測試，分析焊接頭硬度情況。

通過電化學工作站對焊接頭試件進行電化學性能測試，并采用Tafel極化曲線的方法來分析焊接頭的耐腐蝕性能［6］。

2 結果與分析

2.1 微觀形貌分析

2.1.1 焊縫組織

圖1為不同焊道層焊縫組織微觀形貌。

由圖1可知，在焊縫組織內部，成塊狀的奧氏體相在鐵素體中呈現均勻分布。圖1（a）為根焊層微觀形貌，在根焊層組織中，含有較多呈小塊狀的奧氏體，且分布較為均勻，同時，在晶粒內部，存在一小部分奧氏體相析出；圖1（b）和圖1（c）分別是熱焊層、填充層的微觀形貌，可以觀察到，在鐵素體晶界處，析出較多呈樹枝狀的奧氏體，同時，還有大量奧氏體在鐵素體晶粒內部析出。從圖1（c）中可知，當焊接熱輸入較大時，焊縫組織中的鐵素體大量轉變為奧氏體，奧氏體相的數量不斷增加并且形狀變大；圖1（d）為蓋面層的微觀形貌，其中的鐵素體形狀較大，在熔池邊緣有較多呈柱狀的奧氏體，而在熔池中央，則是較多等軸晶奧氏體。這些現象表明，在本試驗選用的全自動TIG工藝中，2205雙向不銹鋼鋼管材料在焊后的冷卻速度較慢，焊縫組織中的鐵素體更容易轉變為奧氏體，同時，這種變化在一定程度上抑制組織中奧氏體相柱狀晶的生成，從而使焊縫組織均勻化，這種兩相平衡有利于材料綜合性能的提升［7］。綜上，焊接頭焊縫組織性能良好。

2.1.2 熱影響區組織

圖2為不同焊道層熱影響區微觀形貌。

圖2（a）為熱影響區根焊層，其中，組織內的奧氏體數量較少，主要呈現為條狀以及針狀；圖2（b）為熱焊層，其中的奧氏體多數呈現為短棒狀和塊狀，并且相互連結在一起，這與熱焊層的溫度未能達到鐵素體溶解溫度有關；圖2（c）和圖2（d）分別是熱影響區的填充層與蓋面層，可以觀察到，在經過多次熱循環后，鐵素體晶界出有奧氏體析出并不斷生長，最先析出的奧氏體最為粗大，且互相連結，構成網狀結構，同時，部分奧氏體在鐵素體晶粒內部析出，但分布情況密集且雜亂。從整體來看，在熱影響區中，從根焊層到蓋面層，材料組織中的奧氏體數量不斷增多，同時，在根焊層與熱焊層組織中，奧氏體晶粒生長更加粗大，而填充層與蓋面層的奧氏體晶粒比較細小。與焊縫組織區域相比，熱影響區的奧氏體含量較少，發生這種現象的主要原因是，熱影響區的溫度較低，因此，在焊接后的冷卻速度較快，冷卻時間短，熱影響區中的鐵素體達不到向奧氏體轉變的溫度，所以，鐵素體含量較多，整個熱影響區會在一定程度上呈現出兩相不平衡的狀態［8］。然而，試驗采用的多層焊接方法，后面的焊層會對前面的焊層存在熱處理效應，可以促使材料中的鐵素體轉變為奧氏體，同時也能使奧氏體晶粒固溶退火并不斷細化，從而提升焊接頭性能［9］。綜上，本試驗制備的焊接頭熱影響區性能良好。

2.2 拉伸性能

圖3為2組焊接頭平行試樣的測試結果。

由圖3可知，兩組平行試樣的抗拉強度均達到母材標準強度620 MPa以上，延伸率也達到母材標準延伸率25%以上，這表明，在本試驗全自動TIG工藝下，2205雙相不銹鋼鋼管焊接頭試樣的強度性能可以達到應用標準。發生這種變化主要有3個原因，（1）在母材軋制方向，材料中的鐵素體、奧氏體兩相組織帶狀分布，而在焊接頭焊縫以及熱影響區域內，鐵素體與奧氏體分布較雜亂，且相互連結交錯，較多的兩相組織不斷析出，材料中晶界數量增多，從而減緩了材料中晶粒的位錯運動作用效果，因此，焊接頭強度增加；（2）在焊縫區域中，鉻、鉬等金屬原子不斷與晶格中的鐵原子發生置換，使晶格順序被打亂，在一定程度上也抑制了晶粒的位錯運動進行，因此，焊接頭強度提高；（3）全自動TIG焊工藝中保護氣體含氮原子，在焊接過程中，氮原子會不斷進入材料晶格內，構成間隙固溶體，使得奧氏體性能增強，從而強化焊接頭強度［10］。因此，本試驗制備的焊接頭拉伸性能良好，且高于母材。

2.3 彎曲性能

表2為4組焊接頭平行試樣的彎曲性能情況。

由表2可知，在經過180°彎曲試驗后，各焊接頭試件的焊縫與熱影響區均未出現裂紋痕跡，這種現象表明，本試驗全自動TIG工藝下制備的2205雙相不銹鋼管焊接頭試樣韌性良好，材料致密性強，抗彎曲能力較好。發生這種現象的原因是，首先，本試驗通過全自動TIG焊接工藝制備的2205雙相不銹鋼管焊接頭的焊縫及熱影響區組織中，多層焊道方式使得熱處理效果增強，材料中的鐵素體轉變為奧氏體較多，而奧氏體含量增多可以在一定程度上緩解裂紋的生成和擴展；其次，材料中的奧氏體含量較多，能夠抑制鐵素體晶粒的生成和不斷長大，使材料達到兩相平衡狀態，因此，焊接頭韌性增強；另外，本試驗所采用的工藝和方式，能使焊后冷卻時間增加，焊縫及熱影響區組織析出的氮化物、碳化物等間隙元素產物較少，因此，組織中晶界脆化得到緩解，所以，材料韌性提高，表現為較好的彎曲性能［11］。綜上，本試驗制備的2205雙相不銹鋼管焊接頭具備良好的彎曲性能，符合實際應用要求。

2.4 硬度性能

圖4為焊接頭試樣中各區域的硬度情況，分別是母材區、熱影響區以及焊縫區。

由圖4可知，各區域的硬度較高，但均不超過290 HV10，符合焊接頭硬度指標要求，其中，硬度較高的區域是熱影響區，而焊縫和母材區域的硬度則較低。發生這些現象的原因是，在焊接過程中，多層焊道工藝下長時間高溫作用，使得熱影響區的熱循環效應增強，因此，鐵素體的含量增加，而奧氏體析出變少，因為鐵素體的硬度高于奧氏體，并且本試驗采用的2205雙相不銹鋼管母材是兩相平衡組織，所以，焊接頭熱影響區的硬度對比母材有所提升；除此之外，焊縫區的硬度逐漸降低，這可能是因為焊縫區域熱輸入較高，奧氏體含量增多，因此，熱影響區的硬度明顯比焊縫區高。整體來看，焊接頭的硬度值較高，基本能達到210 HV10以上，這是因為本試驗選擇的ER2954型焊絲中合金元素含量較多，在焊接過程中，其中的鉻、鉬等金屬原子與組織晶格中的鐵原子不斷置換，使晶格順序錯亂，在一定程度上抑制組織中晶粒的位錯運動，因此，硬度增加；另外，組織晶格內的含氮間隙固溶體增多，使得組織中的奧氏體相硬度增加，因此，材料硬度提高［12］。綜上，本試驗制備的焊接頭硬度良好，符合焊接頭硬度標準。

2.5 耐腐蝕性能

圖5為2205雙相不銹鋼管母材和本試驗中全自動TIG焊接頭焊縫的Tafel極化曲線。在Tafel極化曲線中，試樣在腐蝕溶液中的耐腐蝕性能的表征指標為自腐蝕電流密度I，其中，材料的耐腐蝕性能較好時，則為較小的自腐蝕電流密度I，而試樣金屬腐蝕敏感度的表征指標為自腐蝕電位E，其中，材料耐腐蝕性較強時，則為較大的自腐蝕電位［13］。

由圖5可知，2205雙相不銹鋼管母材和焊接頭焊縫的自腐蝕電流密度分別為2.710 8×10-8、3.324 8×10-8 A/cm2，自腐蝕電位分別為-119.29、-165.5 mV。這表明，與母材的耐腐蝕能力相比，焊接頭焊縫的耐腐蝕效果較低，但依然具備良好的耐腐蝕性能。發生這種現象的原因是，本試驗采用的母材為2205雙相不銹鋼管，是一種兩相平衡組織，母材自身的耐腐蝕性能較好，而在全自動TIG工藝以及多層焊道方式下，焊接熱輸入大小比較穩定，因此，焊縫組織更加均勻，晶粒細化更明顯，從而在材料表面生成致密的鈍化膜，而在電化學耐腐蝕性能測試中，主要是溶液中的氯離子穿透材料表面鈍化膜，破壞鈍化膜結構引起的材料腐蝕［14-15］，所以，本試驗制備的焊接頭耐腐蝕性能良好。在實際應用中，2205雙相不銹鋼管通常用于輸油輸氣，長時間處理氯化物、鹵素鹽等環境，而本試驗中的2205雙相不銹鋼管焊接頭具備較好的耐腐蝕性能，能達到實際使用要求。

3 結語

綜上所述，本試驗采用全自動鎢極氬弧焊（TIG）工藝，通過多層焊道的焊接方式和ER2954焊絲，對2205雙相不銹鋼管進行焊接，并研究焊接頭性能。

（1）焊縫組織中成分均勻，能達到兩相平衡，有利于增強材料性能；熱影響區組織中鐵素體含量多，而奧氏體含量少，呈現兩相失衡；

（2）本試驗制備的焊接頭的抗拉強度超過母材標準強度620 MPa，延伸率超過母材標準延伸率25%，經180°彎曲試驗后無裂紋萌生；焊接頭各區域的硬度不超過硬度指標要求290 HV10；焊接頭焊縫的自腐蝕電流密度I和自腐蝕電位分別為3.324 8×10-8 A/cm2、-165.5 mV；

（3）試驗制備的焊接頭拉伸、彎曲、耐腐蝕性能良好，硬度較好，符合工程應用要求。

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