至德钢业2205双相不锈钢的焊接工艺试验研究分析

  随着工程建设不断发展，双相不锈钢已成为一种重要的工程材料，广泛应用于石油、天然气和化工等领域。双相不锈钢具有优良的综合性能，如高强度、高抗疲劳强度、低温高韧性、耐蚀性和对应力腐蚀裂纹不敏感等，在-50～280℃范围内具有优良的力学性能和焊接性能。

 伊拉克井口注水项目中管线输送介质为高腐蚀性化学试剂，利用2205双相不锈钢的材质特性达到安全运输的目的，所以项目施工中运用合理的的焊接工艺及参数至关重要。本文以该工程中2205双相不锈钢（规格为φ168.3mm×14.27mm）的工艺为例，详细阐述了2205双相不锈钢焊接工艺试验研究。

 一、2205双相不锈钢的焊接性分析

  2205双相不锈钢的焊接质量，决定于焊缝和热影响区中铁素体和奥氏体含量的平衡及两相组织的均匀性。焊缝、热影响区及靠近焊接熔合线的高温加热区在焊接加热过程中全部转变为铁素体，在随后冷却过程中部分铁素体转变为奥氏体，形成铁素体—奥氏体双相组织。该两相组织可以保证焊接接头同时具有铁素体和奥氏体不锈钢的特点，具有良好的力学性能和耐蚀性能。

  在焊接过程中，金属从熔融到冷却，很可能有中间相（碳化物、氮化物）析出。因此，焊接热输入的大小，直接影响着焊缝和热影响区中铁素体的含量。热输入太小，不利于奥氏体析出；热输入太大，会引起合金元素铬、镍、钼的烧损，导致材料的耐腐蚀性能下降，力学性能劣化，不能得到良好的相组织，更容易析出中间相。

二、焊接热输入控制原理

  2205双相不锈钢导热系数小并包含两种组织铁素体和奥氏体。为了避免析出相的产生，层间温度需控制在100℃以内，因此2205双相不锈钢的焊接试验中，焊接热输入是决定焊缝质量的重要因素。根据焊接热输入公式和工艺要求，2205双相不锈钢的焊接热输入标准范围为0.5～2.5kJ/mm。

  1. 焊接工艺

  a. 焊接方法及装置为保证焊缝根部打底质量和管内清洁度，采用钨极氩弧焊打底、填充，焊条电弧焊填充、盖面的方法，如表2所示。所选焊材的化学成分如表所示。焊道背面充气保护装置如图所示。

  b. 焊接工艺与性能检测焊接工艺中母材为φ168.3mm×14.27mm管件，坡口采用60°的V形坡口，坡口间隙3～4mm，钝边0～2mm,如图2所示。焊接参数如表所示。该焊接工艺中盖面焊采用单道的方式进行，从表中看出，焊接热输入值均在标准范围内。

  2. 外观检测与无损检测

   对焊件进行外观检查，焊缝外观如图所示。外观检测项目均达到各项要求。焊接管件进行RT检测，检测合格。力学性能检测：全部合格，结果如表所示。

  3. 硬度试验

   焊件硬度试验结果如表所示，硬度点分布示意如图所示。焊件硬度试验测试合格。相比例试验：对焊道剖面图侵蚀后，进行相比例测试，测试结果如图所示。在低倍组织中，焊缝金属与母材熔合良好。母材、焊缝及热影响区的显微组织均为铁素体加奥氏体，未见金属间相和沉淀物。物理测试合格。

  4. 腐蚀试验

  将试样浸入温度为（25±1）℃的约6%浓度的三氯化铁溶液中进行24小时点腐蚀试验。试验结果是试样表面有点腐蚀，腐蚀率为1.45g/m2。该试验焊件，外观检测、无损检测、力学性能检测和相比例测试均合格，但腐蚀试验中焊缝盖面处产生点腐蚀，焊缝耐蚀性较差。

  缺陷分析该焊接工艺中，焊缝盖面位置除了产生点腐蚀外，其它性能检测项目均合格，分析原因为盖面焊接过程中热输入值较大，造成了一些合金元素烧损。经理论计算，焊件盖面焊接宽度为16～18mm。由于仅焊缝盖面位置产生缺陷，根焊和填充处均无缺陷。为研究焊接热输入对盖面焊接的影响，保留根焊和填充焊接工艺，将盖面焊接工艺从单道焊接改为双排道焊接。

  5. 新焊接工艺及性能检

  测焊接参数如表所示。外观检测与无损检测：对焊件进行外观检测，如图所示。外观和RT检测项目均达到各项要求。力学性能检测：全部合格，如表所示。

  硬度试验：焊件硬度试验结果如表所示，硬度点分布示意如图所示。

  相比例试验： 对焊道剖面图侵蚀后，进行相比例测试，测试结果如图所示。母材、焊缝及热影响区显微组织均为铁素体加奥氏体，未见金属间相和沉淀物。

  腐蚀试验：将试样浸入温度为（22±1）℃的约6%浓度的三氯化铁溶液中进行24小时点腐蚀试验。试验结果是试样表面无点腐蚀，腐蚀率为0.69g/m2。

  从检测结果得出：双排道试验焊件，外观检测、无损检测、力学性能检测、相比例测试和腐蚀试验全部合格，焊缝质量好。

  对比试验分析经对比试验分析得出，双排道盖面焊接工艺间接提升了焊接速度，根据焊接热输入公式，降低了单位时间单位面积内的焊接热输入值。所以对于2205双相不锈钢，控制焊接热输入极为重要，焊接热输入的大小对焊缝及热影响区显微组织中奥氏体的形貌和体积分数均有影响：①焊接热输入适中，在适当的线能量下焊接，无焊接缺陷，焊缝及热影响区的奥氏体转变充分，两相比例在合适的范围，接头韧性增加。②焊接热输入过大，热输入过大，焊接过程冷却速度过慢，焊缝或热影响区金属间相析出的可能性增加，接头韧性增加，但耐蚀性降低。

  盖面焊接工艺无论是单道焊或排道焊，焊接热输入计算值均在标准范围内，但焊缝质量却不同。经分析得出焊接热输入理论值与实际焊接操作中焊接热输入的真实值有偏差，所以焊接热输入往往需要从实际焊接过程中进行有效控制。

三、焊接热输入控制方法

 根据2205双相不锈钢的物理性质，热传导速度相对较慢，焊接热输入的控制方法有：

  1.  多采用灭弧焊的方式焊接。

  2. 严格控制层间温度，每焊接完一层需等待层间温度降低到100℃以内，再进行下一层焊道的焊接。

  3. 控制焊接层数及焊道数，不得随意更改。有效增加层数和焊道数，可使整个焊接接头的组织及性能有显著提升。

四、结语

  1. 2205双相不锈钢的焊接工艺，通过采用合理的工艺参数、层间温度的控制方法，并结合自行设计的管内充气装置，可保证焊缝质量和各项性能检测。

  2. 当焊接热输入过大，焊缝过热，部分金属元素烧损，金属相析出增加，焊缝韧性增加但耐蚀性降低。

  3. 焊接实际操作中，热输入的实际值与理论值会有偏差，往往需要从焊接工艺参数制定、焊接操作方法等途径，对实际热输入进行有效控制。

  4. 双排道焊接工艺已成功应用于伊拉克3505-01井口注水工程项目，并得到了非常好的焊缝质量，焊接一次合格率达97%以上。