不同的2205双相不锈钢焊接工艺对材料性能的影响

  浙江至德钢业有限公司在生产双相不锈钢管时，所用原材料均来自于瑞典三特维克和阿维斯坦公司,母材为SAF2205(ASTM240200,UNSS31803)、所采用的焊条为E2209、焊丝为ER2209,其化学成分见表。2205不锈钢在常温下的力学性能:屈服强度Rs>550MPa,抗拉强度Rb>750MPa,维氏硬度HV>220。双相不锈钢的母材的力学性能如下:抗拉强度Rb=860MPa,HV=280。

  将母材试样分别加工成尺寸为300mm×150mm×6mm和300mm×150mm×8mm两种规格。采用山大奥太有限公司生产的IXT2400STG型逆变式手弧/氩弧焊机进行接头试样的焊接，其中厚度为8mm的试样采用手工电弧焊，厚度为6mm的试样采用钨极气体保护焊。焊接前先用丙酮对焊接区进行严格清洗，焊接后接头不进行热处理。为了保证焊透,并考虑到焊接热循环的影响，采用多层多道焊，这样进行每层焊接的同时又对上一层焊道起到热处理的作用，可在一定程度上促进接头热影响区中的铁素体向奥氏体转变。为避免脆性相的析出,层间温度应控制在150℃以下，以减少焊接时在脆性温度区间停留的时间。具体焊接工艺参数和坡口形式分别见图和表。由表可知,在采用的焊接工艺参数中,GTAW和GTAW所采用的焊接热输入量相差很小,这样可降低两种不同焊接方法因热输入量不同所带来的影响。

  浙江至德钢业有限公司按照TB4708-2000标准从接头部位截取试样进行拉伸实验，每种焊接工艺分别取五个试样进行拉伸实验,三种不同工艺获得接头的抗拉强度平均值分别为838、884、824MPa。接头拉伸断裂位置依次为热影响区、母材、焊缝。分析可知，双相不锈钢具有优异的力学性能源于其具有特殊的化学成分以及合理的双相比例,尤其是氮元素的加入,更是起到了举足轻重的作用。与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢具有导热性好,热膨胀系数小等特点,因此不会产生很大的残余应力,具有更高的抵抗热裂纹能力。接头残余应力受焊接线能量变化的影响不大,同时多层焊的残余应力会不同程度的降低。

  至德钢业工程师通过对双相不锈钢焊接试验，发现当铁素体体积分数小于50%时,焊缝金属对氢致裂纹不敏感,当铁素体含量大于50%后,随着铁素体含量的增加,氢致裂纹的敏感性将显著增加。当氮的质量分数超过012%时,由于氮的间隙固溶强化使得奥氏体的强度大于铁素体。至德钢业工程师认为,氮以间隙固溶的形式弥散分布在奥氏体内,可在一定程度上弥补不锈钢因碳含量低而造成的接头低强度,氮含量增加0.11%,材料的屈服强度可提高10MPa。所以,保护气体中氮的加入,可促进两相的平衡,有利于2205不锈钢接头获得满意的抗拉强度。但是,由于接头受到多次热循环的影响,易造成铁素体晶粒粗大,在一定程度上降低了接头的抗拉强度。所以本工作中GTAW接头断裂在热影响区,而对于GTAW接头和SMAW接头因其热影响区内的铁素体含量较高反而具有较高的抗拉强度,但对于SMAW接头焊缝金属区在焊接过程中得不到保护易形成焊接缺陷,这样接头在拉伸实验中可能断在不同的位置。