馮 勇，陳崇剛，李曉煒，于鳳昌，唐元生，陳言華

（1.中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510630；2.中石化煉化工程集團(tuán)洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽(yáng) 471003；3.中石化第十建設(shè)有限公司，山東 青島 266400）

在石化行業(yè)中，雙相不銹鋼主要因其高強(qiáng)度以及耐腐蝕、耐磨蝕性能優(yōu)越而受到用戶青睞［1-3］。雙相不銹鋼一般都有配套的焊材，但在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于焊接的影響因素較多，導(dǎo)致焊接接頭的性能難以保障，進(jìn)而限制和影響了雙相不銹鋼的應(yīng)用［4］。

在國(guó)內(nèi)工程設(shè)備制造中，針對(duì)雙相不銹鋼的焊接，多選用鎳基合金焊材，但是該焊材對(duì)雙相不銹鋼焊接接頭力學(xué)性能及耐蝕性能的影響尚不明確，并且該焊材用于雙相不銹鋼的焊接缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)參照和數(shù)據(jù)支撐［5］?；陔p相不銹鋼和鎳基合金的特性，利用鎳基合金焊材與雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，針對(duì)焊接接頭開(kāi)展力學(xué)性能及耐蝕性能測(cè)試，根據(jù)評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果提出合適的焊接工藝和方法，保證雙相不銹鋼設(shè)備的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐［6-7］。

針對(duì)常用的SAF2205雙相不銹鋼，采用不同的焊材和焊接工藝制備出4種焊接接頭，通過(guò)開(kāi)展拉伸性能、低溫沖擊性能等力學(xué)性能測(cè)試以及耐晶間腐蝕、點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕等耐蝕性能測(cè)試，對(duì)比不同焊接接頭各項(xiàng)性能的優(yōu)劣，優(yōu)選出合適的雙相不銹鋼焊材及焊接工藝。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用母材為SAF2205雙相不銹鋼無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ273 mm×14 mm，交貨狀態(tài)為固溶酸洗，其金相組織見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，SAF2205雙相不銹鋼由鐵素體相（α相）與奧氏體相（γ相）兩相組成，約各占50%，其中鐵素體相顏色較暗，呈連續(xù)分布，奧氏體相則較為明亮，呈島狀均勻分布，且沿軋制方向延長(zhǎng)。

圖1 SAF2205雙相不銹鋼的金相組織

SAF2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。由表1和表2可以看出，SAF2205的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21833.2—2020《奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼無(wú)縫鋼管》中的要求。

表1 SAF2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分 w，%

表2 SAF2205雙相不銹鋼的力學(xué)性能

試驗(yàn)所用焊材為E2209-16和ER2209雙相不銹鋼常用焊材以及ENiCrMo-3和ERNiCrMo-3鎳基合金焊材，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 焊接材料的化學(xué)成分 w，%

1.2 焊接工藝

試驗(yàn)采用鎢極氬弧焊（GTAW）、手工電弧焊（SMAW）和脈沖熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW-P）等焊接工藝及其組合，其工藝參數(shù)見(jiàn)表4。焊接試樣厚度為14 mm，焊接道數(shù)為6，均采用V型坡口，其示意圖見(jiàn)圖2。

表4 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊接試樣V型坡口示意

1.3 試驗(yàn)儀器

CMT微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、WDS-10E數(shù)顯式電子彎曲試驗(yàn)機(jī)、ZEISS Observer.Z1m金相顯微鏡。

1.4 焊接接頭試樣

針對(duì)SAF2205雙相不銹鋼，采用不同的焊材和焊接工藝制備出4種焊接接頭試樣，具體情況見(jiàn)表5。

表5 焊接接頭試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 拉伸性能

拉伸試樣的取樣及試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》執(zhí)行。拉伸試樣規(guī)格如圖3所示。拉伸試驗(yàn)應(yīng)按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的規(guī)定執(zhí)行。

圖3 拉伸試樣規(guī)格

在不同焊材和焊接工藝下，SAF2205焊接接頭試樣的拉伸曲線見(jiàn)圖4。

圖4 不同焊接接頭的拉伸曲線

從圖4可以看出，試樣的拉伸曲線包括彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和局部塑性變形斷裂階段，試樣抗拉強(qiáng)度均較高（在600 MPa以上）。這是由于雙相不銹鋼中存在鐵素體相和奧氏體相兩相組織，在晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程中互相制約，導(dǎo)致雙相不銹鋼的晶粒較小，其尺寸僅相當(dāng)于奧氏體不銹鋼的一半。由于細(xì)晶粒的組織晶界更多，在晶界處位錯(cuò)的移動(dòng)阻力增大，從而使雙相不銹鋼的強(qiáng)度大大提高，即細(xì)晶強(qiáng)化作用。

2.2 沖擊性能

由于許多焊接構(gòu)件在服役過(guò)程中受到?jīng)_擊載荷的作用，因而對(duì)SAF2205雙相不銹鋼焊接接頭進(jìn)行沖擊性能測(cè)試是十分必要的。沖擊試樣的取樣及試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》執(zhí)行。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》將不同的焊件加工成符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸的沖擊試樣，在-40℃環(huán)境下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

在不同焊材和焊接工藝下，SAF2205焊接接頭的-40℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可以看出，各試樣焊接熱影響區(qū)的沖擊功差別不大，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且均高于焊縫；DSS-1和DSS-2兩組試樣焊縫的沖擊功較低，其中DSS-1試樣焊縫的沖擊功平均值低于53 J。DSS-1和DSS-2兩組試樣的共同點(diǎn)在于焊接工藝中均采用了手工電弧焊（SMAW），該工藝焊接熱輸入較大，焊接熔池降溫速率較小，在金屬間相析出溫度區(qū)間停留時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)DSS-1試樣來(lái)說(shuō)，在相界和晶界等部位生成了σ相等脆硬組織，使焊縫的沖擊韌性急劇下降。對(duì)DSS-2試樣來(lái)說(shuō)，鎳基金屬焊縫中的Nb和Mo等元素發(fā)生嚴(yán)重偏析，生成富含Nb和Mo的Laves中間相，如有焊接變形更會(huì)引起焊縫表面產(chǎn)生微裂紋，并導(dǎo)致其沖擊韌性急劇下降。

表6 不同試樣的沖擊功

2.3 金相組織

在雙相不銹鋼焊接接頭組織中，奧氏體相與鐵素體相的比例會(huì)顯著影響焊接接頭的性能。當(dāng)焊接接頭組織中奧氏體相含量過(guò)高時(shí)，其強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能下降；相反，當(dāng)鐵素體相含量過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致接頭在475℃時(shí)脆化傾向增大。因而控制焊接接頭中熱影響區(qū)、焊縫區(qū)內(nèi)的奧氏體相與鐵素體相的比例極其重要。

圖5為不同焊材及焊接工藝下試樣的熱影響區(qū)（HAZ）金相組織。從圖5可以看出，各試樣的熱影響區(qū)金相組織均為鐵素體相和奧氏體相兩相組織，但由于焊材及焊接工藝的不同，其鐵素體相質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有差別。

2.4 晶間腐蝕

雙相不銹鋼的晶間腐蝕原理以 “貧鉻理論”為主，即含鉻的不銹鋼在焊接時(shí)，由于焊接產(chǎn)生的熱量使焊縫處于敏化溫度區(qū)，在晶界上容易析出碳化鉻，形成貧鉻區(qū)，與腐蝕介質(zhì)接觸后則產(chǎn)生晶間腐蝕，導(dǎo)致晶粒間的結(jié)合力喪失。因此，焊接接頭的晶間腐蝕需引起重視。

采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中的方法C（硝酸法）分別對(duì)不同的焊接試樣進(jìn)行耐晶間腐蝕性能評(píng)價(jià)。在不同焊材及焊接工藝下，試樣試驗(yàn)3個(gè)周期后的宏觀腐蝕形貌見(jiàn)圖6，其晶間腐蝕速率見(jiàn)圖7。采用金相顯微鏡對(duì)不同焊接試樣的熱影響區(qū)進(jìn)行表面微觀形貌觀察，其微觀形貌見(jiàn)圖8。

圖6 焊接試樣的宏觀腐蝕形貌

圖7 焊接試樣的晶間腐蝕速率

從圖7可以看出，DSS-3試樣的焊縫和熱影響區(qū)腐蝕速率較高，而其他幾組試樣的腐蝕速率與母材相當(dāng)。從圖8可以看出，經(jīng)過(guò)3個(gè)試驗(yàn)周期后，DSS-1，DSS-2和DSS-4三組試樣晶界處有輕微腐蝕，晶界較為清晰，試樣未發(fā)生明顯的晶粒脫落；而DSS-3試樣發(fā)生了明顯的晶粒脫落，晶界模糊，晶間腐蝕嚴(yán)重。

圖8 熱影響區(qū)的微觀腐蝕形貌

2.5 耐點(diǎn)蝕性能

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17897—2016《金屬和合金的腐蝕不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法》，分別對(duì)不同的焊接接頭進(jìn)行耐點(diǎn)蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。在不同焊材和焊接工藝下，試樣的點(diǎn)蝕宏觀形貌見(jiàn)圖9。

從圖9可以看出，DSS-1和DSS-2試樣的焊縫區(qū)均有1處點(diǎn)蝕坑且蝕坑較淺，DSS-3試樣的焊縫區(qū)有2處點(diǎn)蝕坑，蝕坑也較淺，但直徑較大；DSS-1試樣的熱影響區(qū)只有1處點(diǎn)蝕坑，蝕坑較淺、直徑也較大，DSS-3試樣的熱影響區(qū)有1處點(diǎn)蝕坑，蝕坑較淺，而DSS-4試樣的焊縫和熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕坑。由此可知，與其他三組焊接試樣相比，DSS-4試樣具有更加優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕性能。

圖9 焊接試樣的點(diǎn)蝕宏觀形貌

2.6 耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能

參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM G123—2000（2011）對(duì)焊接接頭進(jìn)行耐應(yīng)力腐蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，分別以焊縫和熱影響區(qū)為中心制作U型彎曲試樣。

應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，各組試樣表面均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，試樣具有良好的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能。與其他類型的不銹鋼相比，雙相不銹鋼具有更高的屈服強(qiáng)度，且雙相不銹鋼中析出的第二相能夠?qū)α鸭y的擴(kuò)展產(chǎn)生機(jī)械阻礙作用。

3 結(jié) 論

（1）鎳基合金焊材（ERNiCrMo-3）可用于SAF2205的焊接，而且耐蝕性能優(yōu)異，但要選擇合適的焊接工藝。

（2）由于SMAW 焊接熱輸入較大，焊縫冷卻緩慢，會(huì)導(dǎo)致焊縫表面生成富含Nb和Mo的Laves中間相，使得焊縫的沖擊韌性急劇下降，因此，選用ERNiCrMo-3作為SAF2205的焊材時(shí)不建議采用SMAW 焊接工藝。

（3）采用鎳基合金焊材ERNiCrMo-3，配合GTAW +GMAW-P焊接工藝制備的焊接試樣能夠滿足各項(xiàng)力學(xué)性能及耐蝕性能要求。該項(xiàng)研究對(duì)設(shè)備加工制造過(guò)程具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用，為工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。