(酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司不銹鋼研究所，甘肅 嘉峪關 735100)

2205雙相不銹鋼厚板TIG焊工藝研究

陳安忠王軍偉李玉峰

(酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司不銹鋼研究所，甘肅嘉峪關735100)

采用不同焊接參數(shù)對16 mm厚2205雙相不銹鋼進行TIG多層多道焊，焊后對焊接接頭顯微組織和沖擊韌性進行了分析研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2205雙相不銹鋼焊接接頭組織為奧氏體+鐵素體，多層多道焊有助于鐵素體內(nèi)二次奧氏體γ2的生成；焊接接頭中焊縫金屬和熱影響區(qū)的鐵素體含量與熱輸入量成反比；在-40 ℃對焊接接頭進行沖擊試驗，低韌性焊接接頭的沖擊斷口形貌為準解理斷口、高韌性焊接接頭的沖擊斷口形貌為韌性斷口，焊接接頭的韌度與鐵素體含量成反比。

2205雙相不銹鋼鎢級氬弧焊顯微組織斷口形貌

0 序 言

2205雙相不銹鋼由于含有奧氏體和鐵素體雙相組織，因此雙相不銹鋼兼顧了奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良的韌性及焊接性能和鐵素體不銹鋼具有的高強度及耐氯化物應力腐蝕等性能，廣泛的應用在石油化工、海洋工業(yè)以及核電工業(yè)等許多工程領域[1-4]。由于2205雙相不銹鋼在工程領域主要使用厚板，而有關2205雙相不銹鋼厚板焊接的研究相對較少，不同焊接參數(shù)會對焊接接頭的組織和性能產(chǎn)生一定影響。文中采用TIG(鎢級氬弧焊)焊接方法對16 mm厚2205雙相不銹鋼進行多層多道焊，探討了不同焊接參數(shù)對2205雙相不銹鋼厚板焊接接頭的組織和沖擊性能的影響規(guī)律，為2205雙相不銹鋼厚板在工程實際中的應用提供依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗母材采用16 mm厚的2205雙相不銹鋼，焊接材料采用φ2.0 mm的ER2209焊絲，母材和焊絲主要化學成見表1。

表1 2205母材及2209焊絲化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 焊接工藝

焊接試樣尺寸為500 mm×200 mm×16 mm。采用X形坡口，坡口角度α=60°～70°，根部間隙2.5～4.0 mm，采用TIG焊(鎢級氬弧焊)進行多層多道焊，每塊試樣采用相同層數(shù)和道數(shù)進行焊接，具體如圖1所示。

采用不同焊接參數(shù)對兩組試樣進行焊接，1號試樣采用低熱輸入的焊接參數(shù)，2號試樣采用高熱輸入的焊接參數(shù)。為避免脆性相的析出，層間溫度控制在100 ℃以下。具體焊接工藝參數(shù)見表2。

1.3 分析測試方法

采用DMI3000M萊卡金相顯微鏡對焊接接頭顯微組織進行分析，利用分析軟件對焊接接頭的兩相比例進行定量分析；沖擊試驗按照GB1/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕-不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》進行，采用55 mm×10 mm×10 mm V形缺口試樣，缺口分別開在焊縫中心和熔合線遠離焊縫中心1 mm處，試驗溫度為-40 ℃，對沖擊斷口采用ZEISS-MERLI Compact場發(fā)射掃描電鏡進行斷口形貌觀察。

圖1 焊接示意圖

試樣編號焊接電流I/A電弧電壓U/V層間溫度T/℃焊接速度v/(mm·s-1)熱輸入Q/(kJ·mm-1)118015≤1002.780.97218015≤1001.391.95

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭顯微組織分析

2205雙相不銹鋼母材顯微組織如圖2所示，基體組織成條帶分布，圖中白色部分為奧氏體相，黑色部分為鐵素體相，兩相成條帶間隔分布，兩相比例鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為53∶47。

圖2 2205雙相不銹鋼母材顯微組織

圖3是采用不同熱輸入焊接參數(shù)得到的焊接接頭的焊縫金屬(WM)和熱影響區(qū)(HAZ)的金相組織，并利用光學顯微鏡分析軟件對焊接接頭的兩相比例進行定量分析，采用低熱輸入焊接參數(shù)的1號試樣焊縫金屬鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為67∶33，熱影響區(qū)鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為71∶29；高熱輸入焊接參數(shù)的2號試樣焊縫金屬鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為47∶53，熱影響區(qū)鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為58∶42。采用小熱輸入量焊接參數(shù)的1號試樣不論是焊縫金屬還是熱影響區(qū)鐵素體相比例都較高， 而不論是1號試樣還是2號試樣熱影響區(qū)的鐵素體相比例要高于焊縫金屬。

根據(jù)Fe-Cr-Ni偽二元相圖(圖4)，雙相不銹鋼焊縫凝固時都先生成100%的鐵素體，再通過部分的固態(tài)相變來形成其平衡組織中的奧氏體。從組織形態(tài)上來看焊縫和熱影響區(qū)的組織均為奧氏體+鐵素體，沒有金屬間化合物等脆性相析出，其中白色為奧氏體，灰黑色為鐵素體，白色奧氏體包含一次奧氏體和二次奧氏體，一次奧氏體γ1為樹枝狀和羽毛狀，二次奧氏體γ2為鐵素體晶粒內(nèi)析出的細小顆粒，二次奧氏體γ2主要是由于采用多層多道焊時可以對前道焊進行再熱，促進大量二次奧氏體的生成。二次奧氏體γ2可以顯著改善焊接接頭的韌度。

圖3 不同熱輸入焊接參數(shù)焊縫金屬和熱影響區(qū)的金相組織

圖4 雙相不銹鋼成分范圍內(nèi)的偽二元相圖

2205雙相不銹鋼焊接接頭固態(tài)相變主要發(fā)生在1 200～800 ℃之間，低溫下由于元素擴散較慢固態(tài)相變也較慢，因此在高溫停留時間越長，固態(tài)相轉(zhuǎn)變越充分[5-6]。熱輸入量大則在高溫停留時間長，δ→γ轉(zhuǎn)變更加充分，奧氏體會更多。因此，2號試樣不論是焊縫金屬還是熱影響區(qū)奧氏體相比例都較高。而不論是1號試樣還是2號試樣熱影響區(qū)鐵素體相含量均高于焊縫金屬，這主要是由于焊縫金屬固態(tài)相轉(zhuǎn)變是從δ→γ+δ，而熱影響區(qū)固態(tài)相轉(zhuǎn)變是從α+γ→δ→δ+γ，熱影響區(qū)固態(tài)相轉(zhuǎn)變需要先發(fā)生α+γ→δ，再發(fā)生δ→δ+γ，固態(tài)相轉(zhuǎn)變時間較長，而高溫停留時間有限，因此最終鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變不充分，導致熱影響區(qū)鐵素體含量較高；另一方面焊絲成分為ER2209，從圖4也可以看出ER2209鐵素體固溶溫度要高于2205母材，更早進入γ+δ兩相區(qū)，在高溫停留時焊縫金屬奧氏體轉(zhuǎn)變更加充分，導致焊縫金屬鐵素體含量較低。

2.2 沖擊試驗

表3是采用不同熱輸入焊接參數(shù)進行TIG焊接得到的2205雙相不銹鋼焊接接頭夏比沖擊試驗結(jié)果。

表3 沖擊試驗結(jié)果

ASTM A923標準中要求2205雙相不銹鋼焊接試樣在-40 ℃時焊縫區(qū)域每套試驗沖擊吸收能量不低于34 J，熱影響區(qū)和母材每套試驗沖擊吸收能量不低于54 J。從表3中可以看出1號試樣焊縫金屬和熔合線遠離焊縫中心+1 mm處沖擊吸收能量低于標準值。而沖擊吸收能量是衡量韌度的關鍵指標，由于雙相不銹鋼含有很高的鐵素體相，因此焊縫接頭和母材都存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度，焊縫金屬的韌度與鐵素體含量成反比，1號試樣由于采用熱輸入量小的焊接參數(shù)，高溫停留時間短，焊接接頭鐵素體含量較高造成韌度較低。

2.3 沖擊斷口分析

圖5為1號和2號試樣焊縫金屬的沖擊斷口形貌圖，由于1號和2號試樣各自的3個焊縫沖擊斷口具有相似的特點，因此分別選取其中一個沖擊斷口的形貌進行對比分析。1號試樣斷口形貌圖不僅有解理面，還能看見大小不均勻的等軸韌窩，屬于準解理斷裂類型；2號試樣斷口形貌主要是大小不均勻的等軸韌窩，韌窩較淺，未見明顯的解理面，屬于韌性斷裂類型。從斷口形貌圖上可以得知對于2205雙相不銹鋼厚板采用高熱輸入焊接參數(shù)能夠提高焊接接頭的沖擊韌性。

圖5 -40 ℃焊縫金屬沖擊斷口形貌圖

3 結(jié) 論

(1)2205雙相不銹鋼厚板進行TIG焊接時采用熱輸入量高的焊接參數(shù)焊縫金屬和熱影響區(qū)的鐵素體含量少、奧氏體轉(zhuǎn)變充分；而不論采用何種焊接參數(shù)熱影響區(qū)的鐵素體含量均要高于焊縫金屬。

(2)2205雙相不銹鋼厚板采用TIG多層多道焊可以促進鐵素體中二次奧氏體γ2的生成，γ2能明顯改善焊接接頭的韌度。

(3)沖擊試驗表明，2205雙相不銹鋼厚板焊接接頭的沖擊韌性與熱輸入量成反比；低韌性的沖擊斷口為準解理斷口、高韌性的沖擊斷口為韌性斷口。

[1] 張志昌，張建峰，周友龍.鐵路貨車2205雙相不銹鋼的焊接[J].焊接，2011(12)：58-60.

[2] 陳興潤，潘吉祥.2205雙相不銹鋼焊接接頭組織與性能研究[J].焊接，2014(10)：54-57.

[3] Fargas G, Akdut N, Anglada M, et al. Microstructural evolution during industrial rolling of a duplex stainless steel[J]. ISIJ International, 2008,48(11):1596-1602.

[4] Lippold J C. Duplex stainless steel[C]. 4th International Duplex Stainless Steel Conference, Glasgow, UK, 1994:115-118.

[5] 熊慶人，霍春勇，李為衛(wèi)，等.2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為[J].焊接學報，2007,28(11)：53-57.

[6] 吳 玖，姜世振.雙相不銹鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

TG442

2016-06-21

陳安忠，1989年出生，碩士，工程師。主要從事不銹鋼焊接與新產(chǎn)品研究工作，已發(fā)表2篇文章。