S31803雙相不銹鋼焊接接頭組織及耐蝕性能研究

常 靜，梁 艷，羅 磊

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院，甘肅嘉峪關735100）

0 前言

S31803雙相不銹鋼具有鐵素體（α）和奧氏體（γ）兩相組織結構，其性能兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。因耐腐蝕性能優(yōu)異和強度高，目前S31803多應用于耐腐蝕場合，已經在很多可能發(fā)生應力腐蝕裂紋和點蝕的應用環(huán)境中替代奧氏體不銹鋼，且它們在這些腐蝕環(huán)境下的強度相當高，因此廣泛應用于石油化工、海上化學產品儲罐、海水交換器等領域[1-3]。焊接接頭耐蝕性能對于產品的質量具有重要意義。本研究采用鎢極氬弧焊焊接S31803雙相不銹鋼，對比分析在保護氣體Ar中加入φ（N2）2%和采用純Ar保護所獲得焊接接頭的組織和耐蝕性的差別。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料為S31803雙相不銹鋼，板厚40mm；焊接材料為φ2.0mm的ER2209焊絲，母材和焊絲主要化學成分如表1所示。

表1 S31803母材及ER2209焊絲化學成分%

1.2 實驗方法

試板開60°V型坡口，根部間隙2.5～4.0mm，采用GTAW進行多層多道焊，為避免脆性相的析出，層間溫度小于等于150℃，保護氣體分別采用φ（Ar）98%+φ（N2）2%和純 Ar，混合氣體中添加 N2時需將氣體混合均勻。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

1.3 分析測試方法

1.3.1 金相組織及定量分析

采用DMI3000M萊卡金相顯微鏡分析接頭顯微組織，利用分析軟件定量分析焊接接頭的兩相比例。

1.3.2 點腐蝕實驗

在焊接接頭部位取50mm×25mm×20mm點腐蝕試樣，依據ASTM A923C《奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的金屬間不良化合相的標準檢測方法》測定焊接接頭的點蝕速率，將樣品水平置于6%FeCl3溶液中22℃恒溫水浴24 h（試樣置于溶液中部）。

1.3.3 電化學實驗

實驗采用單層電板電解池，參比電極為飽和Ag/AgCl電極，輔助電極為鉑電極，利用CS350電化學工作站進行動電位掃描實驗，溶液介質采用3.5%NaCl溶液，恒溫30℃，以0.2 mV/s的掃描速度進行測量，起始電位為-0.2 V（相當開路電位），終止電位為2 V（相對開路電位）。

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織及相比例

S31803焊縫接頭金相組織如圖1所示，圖中白色部分為奧氏體相，灰黑色部分為鐵素體相。焊縫中心區(qū)域奧氏體相呈樹枝狀和羽毛狀，熱影響區(qū)鐵素體晶粒長大，奧氏體沿著鐵素體晶粒呈島狀分布。利用金相分析軟件自帶的定量分析功能測定焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)兩相比例，測定結果顯示：保護氣體為φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊縫γ相占比達到60%，而保護氣體采用純Ar的焊縫γ相僅為52%；保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的熱影響區(qū) γ 相為48%，純Ar焊接工藝的熱影響區(qū)γ相為42%。

N元素在S31803母材何ER2209焊絲中均作為合金元素進行添加，N作為奧氏體形成元素可以提高奧氏體的穩(wěn)定性、平衡兩相比例、提高耐點蝕能力。雙相不銹鋼在熔焊過程中N元素會變成氣體溢出熔池，當保護性氣體中增加N2可彌補母材和焊絲N的損失，提高焊縫以及鄰近熱影響區(qū)的奧氏體含量，并且N2的加入會促使δ向γ轉變溫度的提高而縮短晶粒粗化時間，因此保護氣體添加N2的接頭焊縫區(qū)域以及熱影響區(qū)會有更多的奧氏體相。

2.2 焊接接頭的點腐蝕實驗

根據ASTM A923C《奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的金屬間不良化合相的標準檢測方法》對焊接接頭的耐點蝕性能進行評定，不同焊接工藝焊接接頭點腐蝕實驗后照片如圖2所示?？梢钥闯觯Ｗo氣體采用純Ar焊接工藝的2#試樣出現(xiàn)點蝕孔，如圖中圓卷所示，而保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的1#樣未出現(xiàn)明顯點蝕孔，經過拋光腐蝕后發(fā)現(xiàn)點蝕孔位于焊縫區(qū)域。

兩個試樣腐蝕速率結果如表3所示。由表3可知，保護氣體采用純Ar的焊接接頭腐蝕速率為28.8 mdd（mg/dm2·d），遠超過標準要求的 10.0 mdd，而保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的焊接接頭腐蝕速率為6.4 mdd，滿足標準要求。保護氣體中添加N2能對焊接接頭起到N合金化作用。N可在表面膜以及膜與基體界面處富積，形成富鉻的氮化層，增加鈍化膜中鉻的含量，提高耐點蝕性能。N還可在腐蝕過程中形成NH4+，消耗部分H+，起到緩蝕作用。在含Mo雙相不銹鋼中，N可以與Mo結合形成Ni2Mo2N，使鈍化膜更加穩(wěn)定。以上原因會增加焊接接頭的耐點蝕能力[4-5]。

2.3 焊接接頭電化學實驗

S31803雙相不銹鋼在兩種不同焊接工藝條件下焊縫區(qū)域陽極極化曲線如圖3所示。部分極化曲線腐蝕性能特征值如表4所示。點蝕電位Eb為鈍化膜開始破裂的電位，Eb越高，耐蝕性能越好。再鈍化電位Ep是評價鈍化膜是否容易修復的特征電勢，Eb-Ep值越小，鈍化膜修復能力越強[6]。由表4可知，保護氣體添加N2的工藝焊縫點蝕電位Eb高于保護氣體不添加N2的工藝，說明保護氣體添加N2的焊縫點蝕敏感性較低。保護氣體添加N2的工藝焊縫Eb-Ep值小于保護氣體不添加N2的工藝，說明保護氣體添加N2其焊縫鈍化膜的自修復能力較強。

圖1 不同焊接工藝焊接接頭組織

圖2 不同焊接工藝焊接接頭點腐蝕實驗后照片

表3 點腐蝕速率結果

圖3 不同焊接工藝焊縫陽極極化曲線

表4 極化曲線腐蝕性能特征值

3 結論

（1）保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊接接頭，其焊縫區(qū)和熱影響區(qū)會促使更多奧氏體相轉變，抑制并延緩Cr23C6析出，提高焊接接頭的耐點蝕能力。

（2）保護氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊接接頭點腐蝕腐蝕速率為6.4mdd，無點蝕孔出現(xiàn)，滿足標準ASTM A923C要求，而純Ar氣體保護的焊接接頭無法滿足相應要求。

（3）電化學實驗表明，保護氣體采用φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的焊縫耐點蝕能力以及鈍化膜修復能力均好于純Ar氣體保護焊接工藝的焊縫。

參考文獻：

[1]昌敬源，石巨巖，謝貴生，等.焊接工藝對2205雙相不銹鋼焊接接頭組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2009，34（9）：40-43.

[2]常靜，趙雅，陸小斌，等.2205雙相鋼焊接工藝[J].焊接，2016（12）：70-72.

[3]吳玖，姜世振.雙相不銹鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[4]包曄峰，胡網勤，蔣永鋒，等.2205雙相不銹i鋼焊接接頭微區(qū)耐點蝕性能分析[J].焊接學報，2011,32（11）：81-84.

[5]Deng Bo，Wang Zhiyu，Jiang Yiming，et al.Effect of thermal cycles on the corrosion and mechanical properties of UNS S31803 duplex stainless steel[J].Corrosion Science，2009（51）：2969-2975.

[6]曹楚南.腐蝕電化學原理[M].北京：化學工業(yè)出版社，1985.