不同焊接工藝對(duì)雙相不銹鋼力學(xué)性能及耐腐蝕性能的影響

袁世東

(上海森松壓力容器有限公司，上海 201323)

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不同焊接工藝對(duì)雙相不銹鋼力學(xué)性能及耐腐蝕性能的影響

袁世東

(上海森松壓力容器有限公司，上海 201323)

采用三種不同的焊接工藝對(duì)雙相不銹鋼S31803進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過對(duì)接頭微觀組織、力學(xué)性能、氧含量及耐腐蝕性能的觀察與測試，確定最佳焊接工藝參數(shù)，并分析了焊接工藝方法對(duì)焊接接頭組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響。結(jié)果表明：與GTAW，SMAW相比，GTAW+SAW焊接工藝獲得的接頭的沖擊吸收能量和耐腐蝕性能均可以滿足雙相不銹鋼的制造標(biāo)準(zhǔn)要求，可以在壓力容器制造中廣泛使用。

雙相不銹鋼 埋弧焊 含氧量 沖擊吸收能量 耐腐蝕性能

0 序 言

雙相不銹鋼(Duplex Stainless Steel，簡稱DSS)，指其固溶組織中鐵素體與奧氏體各約占50%，一般較少相的含量最少也需要達(dá)到30%的不銹鋼。在含C較低的情況下，Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%，Ni含量只有奧氏體不銹鋼的一半。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時(shí)還保有鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性以及導(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點(diǎn)。與奧氏體不銹鋼相比，特別是介質(zhì)環(huán)境比較惡劣(如海水，氯離子含量較高)的條件下，雙相不銹鋼的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能明顯優(yōu)于普通的奧氏體不銹鋼，其屈服強(qiáng)度可達(dá)400～550 MPa，是普通不銹鋼的2倍，因此可以節(jié)約用材，降低設(shè)備制造成本[1]。

雙相不銹鋼從20世紀(jì)40年代誕生以來，已經(jīng)發(fā)展到第三代。由于其特殊的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備、海水與廢水處理設(shè)備、輸油輸氣管線及造紙機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，近年來也被研究用于橋梁承重結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展前景。

目前雙相不銹鋼焊接使用的焊接方法為鎢極氬弧焊(GTAW)和焊條電弧焊(SMAW)[2]，埋弧焊(SAW)也有使用，但在壓力容器上很少使用，主要原因是沖擊韌性及腐蝕性能較差，達(dá)不到化工行業(yè)的要求。因此很多工程文件中僅要求使用GTAW及SMAW，文中根據(jù)山特維克雙相不銹鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，參照ASME IX《焊接、釬接和粘接評(píng)定》及ASTM A 923《檢測鍛造雙相奧氏體/鐵素體中有害金屬中間相的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》開展了S31803雙相不銹鋼SAW焊接工藝的研究，保證焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。雙相鋼的埋弧焊焊接不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義而且具有重要的學(xué)術(shù)研究價(jià)值。文中采用GTAW，GTAW打底+SMAW蓋面及GTAW打底+SAW蓋面的焊接工藝對(duì)S31803雙相不銹鋼板進(jìn)行焊接，通過對(duì)焊接接頭金相組織、力學(xué)性能、耐腐蝕性能的分析，確定了最佳焊接工藝參數(shù)；并分析了焊接熱輸入、焊接工藝方法等對(duì)焊接接頭組織及力學(xué)性能和腐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

焊材分別為ER2209φ2.4 mm(GTAW)，E2209-16φ4.0 mm(SMAW)，ER2209φ2.4 mm(SAW)，焊材及雙相不銹鋼S31803的主要成分見表1。雙相不銹鋼S31803的力學(xué)性能見表2。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣準(zhǔn)備

將12 mm厚的雙相鋼S31803試板加工成圖1所示坡口形狀，采用平焊位置對(duì)接焊。焊前選用丙酮清

理坡口及坡口兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)的水、油污及銹蝕；焊絲清潔、干燥。定位焊采用氣體保護(hù)焊方法，在根部焊道的起點(diǎn)處進(jìn)行定位焊。為避免定位焊引起的根部焊道開裂，根部焊道采用斷續(xù)焊且磨掉定位焊縫。定位焊縫長度不小于50 mm，間距200～300 mm。為防止焊后變形，試板預(yù)留反變形5 °，坡口形式及焊道分布如圖1所示。

1.2.2 焊接工藝參數(shù)

雙相不銹鋼焊接時(shí)主要問題不在焊縫，而在熱影響區(qū)。因?yàn)樵诤附訜嵫h(huán)作用下，熱影響區(qū)處于快速冷卻的非平衡狀態(tài)，冷卻后總是使組織中的鐵素體含量增多，從而降低了耐腐蝕能力和增加了氫致裂紋(脆化)的敏感性[3]。在600～1 000 ℃溫度范圍長時(shí)間加熱時(shí)，會(huì)有σ相、χ相轉(zhuǎn)變，碳、氮化物及其他各種金屬間相析出，這些σ相、χ相的形成和碳、氮化物的析出，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬的塑性、韌性和耐腐蝕性能大幅降低。所以一定要避免在600～1 000 ℃溫度區(qū)停留時(shí)間過長，熱輸入不能過大[4]。

在溫度較高的情況下，雙相不銹鋼母材和焊縫金屬都是100%的鐵素體，隨著溫度的降低，奧氏體逐漸從δ鐵素體中析出，最終形成雙相鋼的微觀組織。焊接熱影響區(qū)的奧氏體形成至關(guān)重要，為了獲得優(yōu)良的焊接性能，應(yīng)該避免快速冷卻過程[5]。

表1 S31803雙相不銹鋼及焊材的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 S31803雙相不銹鋼的力學(xué)性能

圖1 坡口形式及焊道分布

S31803雙相鋼具有良好的焊接性能，焊接時(shí)為獲得平衡的雙相組織同時(shí)避免出現(xiàn)其它相(尤其是σ相)，選擇合理的焊接參數(shù)就至關(guān)重要[6]。焊接熱輸入過大或過小都不利，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)一般控制在0.5～2.5 kJ/mm較為合適[7-8]。文中試驗(yàn)實(shí)際選用的焊接工藝參數(shù)見表3，層間溫度控制在150 ℃以下。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 試樣制取

拉伸、彎曲試樣按ASME IX《焊接、釬接和粘接評(píng)定》的取樣要求，參照ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)，沖擊吸收能量、晶間腐蝕、微觀金相鐵素體含量測定參照ASTM A923進(jìn)行取樣及試驗(yàn)，試樣取樣如圖2所示。

圖2 試樣取樣圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 接頭微觀組織

圖3為不同焊接工藝下接頭焊縫區(qū)金相組織圖。由圖可知，GTAW焊接工藝下，焊縫區(qū)奧氏體/鐵素體兩相比例更接近于理想的奧氏體與鐵素體的相平衡，即奧氏體與鐵素體各占50%，而SMAW比SAW焊縫金屬的鐵素體含量偏高。從三種焊接工藝的焊縫金屬的微觀金相圖中可發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)主要為鐵素體與柱狀?yuàn)W氏體組織，晶間均未發(fā)現(xiàn)析出相。

2.1 接頭力學(xué)性能

由試驗(yàn)結(jié)果可知，接頭在α=180°，D=4T，T=10的彎曲條件下彎曲均合格，其抗拉強(qiáng)度、沖擊吸收能量、晶間腐蝕腐蝕率見表4，5，7。

從表4試驗(yàn)結(jié)果可知，使用SMAW的焊縫金屬比使用GTAW的焊縫金屬抗拉強(qiáng)度值要低30 MPa，SAW的焊縫金屬抗拉強(qiáng)度值最低，比GTAW的焊縫金屬抗拉強(qiáng)度值低80 MPa，均高于S31803的最低抗拉強(qiáng)度。

圖3 不同焊接工藝焊縫金屬的金相組織

試樣接頭抗拉強(qiáng)度Rm/MPaGTAWGTAW+SMAWGTAW+SAW18678408032885839789平均值876839．5796

從表5結(jié)果可知， 三種焊接工藝的焊縫金屬的沖擊吸收能量均可以滿足ASTM A923方法B對(duì)焊縫金屬中心的沖擊吸收能量值最低34 J的要求，但SAW及SMAW焊縫金屬的沖擊吸收能量均低于GTAW的焊縫金屬的沖擊吸收能量，分析其原因?yàn)楸Ｗo(hù)藥皮及焊劑中含有氧，導(dǎo)致焊縫金屬中氧含量增多，降低了沖擊吸收能量(見表6)。

表5 不同焊接工藝下焊縫試樣的沖擊吸收能量值

表6 不同焊接工藝焊縫中心試樣的氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

從表7結(jié)果可知，三種焊接工藝的焊縫金屬均可以達(dá)到ASTM A923方法C要求的小于10 mg/(dm2·d)的腐蝕率要求，但GTAW焊縫金屬的抗晶間腐蝕的性能最優(yōu)異，SAW焊縫金屬的抗晶間腐蝕的性能其次，SMAW的抗晶間腐蝕性能最差。

表7 不同焊接工藝晶間腐蝕試驗(yàn)腐蝕率

對(duì)比發(fā)現(xiàn)沖擊吸收能量低的SAW焊縫金屬不是由于存在金屬間化合物相，而是由于SAW使用的焊劑導(dǎo)致焊縫金屬氧含量比GTAW增多，但其抗晶間腐蝕性能并未因氧含量的增多而下降很多，由于SAW焊接熱輸入比SMAW焊接熱輸入低，導(dǎo)致其焊縫金屬中鐵素體含量也比SMAW的焊縫金屬的要低，故此其焊縫金屬抗晶間腐蝕性能要好一些。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)幾種焊接工藝的試驗(yàn)研究，采用GTAW+SAW的焊接工藝參數(shù)形成的焊縫金屬，可以保證焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。

(2)SAW的焊接過程通過嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，限制焊接熱輸入，獲得的雙相不銹鋼焊接接頭的微觀組織未發(fā)現(xiàn)晶間析出相，耐晶間腐蝕性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)SMAW和SAW的焊縫金屬中氧含量比GTAW的焊縫金屬顯著增多，沖擊吸收能量雖較GTAW要差，仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1] 康利梅. 雙相不銹鋼的發(fā)展及應(yīng)用綜述[J]. 科技廣場，2010(8):165-168.

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[4] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(第2版)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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2016-11-21

TG442

袁世東，1980年出生，碩士，工程師。主要從事壓力容器焊接技術(shù)方面的工作。