至德钢业2205双相不锈钢焊接工艺实验分析报告

 浙江至德钢业试验研究所采用的双相不锈钢为瑞典三特维克和阿维斯坦公司生产的SAF2205（ASTM 24000，UNSS31803），其化学成分见表，ASTM标准要求的力学性能和化学成分见表。母材钢板由轧辊机轧制而成，其金相显微组织如图所示，其中灰色基体为铁素体(α)组织，白色为奥氏体(γ)组织。两相组织各占一半，并且呈带状交替分布。

 实验中采用的手工电弧焊，焊条为E2209，直径为Φ4.0mm；钨极氩弧焊，焊丝为ER2209，直径有Φ2.0、4.0mm两种，焊接填充材料的化学成分见表。所选焊丝的化学成分中，镍含量比母材高出3~4%，这样有利于获得合适的双相比例。

一、焊接方法和焊接过程

 1. 焊接设备

  本实验中采用钨极氩弧焊对2205双相不锈钢进行焊接工艺研究，并与采用手工电弧焊获得的接头进行性能对比。实验中所采用的焊机型号为WSME~500型逆变式手弧/氩弧焊机，由山大奥太有限公司生产，如图所示。由于焊接试验采用的保护气体中含有一定量的氮气，会加速钨极的烧损。因此，钨极选用直径为Φ4mm的钍钨极。

 2. 焊前准备

  将母材试板的尺寸加工为300mm×130mm×8mm，按照图所示对试板进行坡口加工。其中，图所示的X形坡口形式，是用于接头的耐腐蚀性实验，与采用V形坡口获得的接头进行对比。焊前采用机械和化学清洗的方法，对焊接坡口及其两侧各50mm范围内的氧化皮、油脂、灰尘、水和污染物等进行彻底清理。并使用自行配置的酸液对坡口内侧进行必要的酸洗，以彻底消除杂质等对焊缝金属的影响。酸洗溶液的配方为：35%HNO₃+3%~5%HF。酸洗方式为：室温下，使用酸洗液对坡口内侧进行10~15分钟酸洗。在坡口加工和打磨的过程中忌用高碳的砂轮或者砂纸。

 3. 焊接过程

  SAF2205双相不锈钢是含高氮的不锈钢之一，在采用纯氩气作保护气体的GTAW焊中，焊缝接头内不可避免地发生氮损失。为了防止氮的损失，试验中采用在氩气中加入适量氮气的方法。不过，保护气氛中添加过高的氮气含量，易造成钨极的烧损，并且容易在焊缝金属中产生气孔。依据目前的研究报道，本实验中分别采用Ar、Ar+1.5%N₂、Ar＋2.0%N₂、Ar+2.5%N₂、Ar+3%N₂、Ar+3.5%N₂几种混合气体保护进行接头的焊接工艺实验。由于接头根部通常是焊接的一个弱点，易产生氧化，不利于获得良好的组织性能，因此，焊接过程中采用纯氩作为根部保护气体，流量为10L/min。在施焊进行前，先打开保护气体阀，然后引燃电弧，不同保护气体下的接头焊接工艺参数如表所示，保护气体流量为10L/min。由于焊接热输入对焊接效率、焊缝成形及焊接接头质量有很大影响，主要表现为：小的热输入将造成冷却速度快，使焊缝金属中的铁素体相含量增加；而过大的热输入易造成焊缝金属过热，导致铁素体晶粒粗大，这样就使焊接接头很难保持双相不锈钢所具有的优良性能。所以，工艺实验时，在相同的保护气体下，通过改变焊接电流，研究了不同热输入对获得接头组织和性能的影响。GTAW焊为氩+氮混合气体保护，并与采用纯氩保护的GTAW焊和SMAW进行对比，表为不同热输入量下的接头焊接工艺参数，保护气体流量为10L/min。

  本文中除用作腐蚀实验的对比试样外，其余接头试样均采用单面焊双面成形。多层焊时对层间温度应控制得当，这样后一道焊缝可起到降低前道焊缝冷却速度的作用，有利于焊缝金属中γ相的形成，但过高的层间温度会造成焊缝组织和性能恶化。因此，层间温度应控制在150℃以下。

  进行双相不锈钢焊接工艺试验时，除了应严格按照确定的工艺控制焊接参数外，还要执行下列焊接注意事项和操作技巧，才能保证现场的焊接质量。

  a. 焊接时焊枪不摆动，焊接速度适当加快。

  b. 采用大直径喷嘴，加大保护气体流量，提高气体保护效果。

  c. 采用非接触式高频引弧，防止产生脆性组织。

  d. 引弧须在坡口内进行，不允许擦伤母材。被擦伤部位需进行打磨、探伤，然后酸化、钝化处理。

  e. 盖面焊缝必须一次焊接完成，以确保焊缝组织均匀。

  f. 层间温度小于150℃，层间进行空冷，严禁在试件上用水冷却。

  g. 清理工具如钢丝刷、刨锤等一律由双相不锈钢制成，打磨用的砂轮必须专用于打磨双相不锈钢。不能让双相不锈钢与一般钢材直接接触，否则，由于双相不锈钢粘有钢材粉末或铁屑，会造成点蚀。只有严格控制焊接过程中的各个要素、焊工操作规范和环境条件，才能保证获得良好的焊接质量。

 4. 焊后处理

 在接头焊缝未完全冷却时，用双相不锈钢钢丝刷去除焊缝表面的飞溅以及氧化皮。待冷却后观察焊缝表面形貌，并拍摄接头表面形貌照片。

 二、获得接头的实验分析

  采用多层多道焊，焊缝经过多次的热循环，易造成获得接头组织与性能的不均匀。在对接头进行性能测试的过程中，合理的截取试样有利于确切的反应实验结果。

 1. 拉伸实验

  为了测定获得接头的抗拉强度和延伸率，按照TB4708-2000标准从接头部位截取试样进行拉伸试验，拉伸试样尺寸如图所示。每种焊接工艺分别取3~5个试样进行拉伸试验，最后取其平均值作为接头的抗拉强度，并测量接头试样拉伸后的延伸长度。拉伸和弯曲实验在WDW-20型万能拉伸试验机上进行。

  2. 弯曲实验

  根据ASME IX标准，截取接头试样进行弯曲性能测试，每种工艺参数下分别取四块进行弯曲实验，面弯（FB）和背弯（RB）各两块，弯曲角度为180°。

  3. 显微硬度测定

  试样经过磨制、抛光和腐蚀后，在HXS-1000A显微硬度计上测定从“焊缝金属—热影响区—母材”的显微硬度值分布。测量点之间的距离约为0.5mm。测试条件为：加载荷载为100g，保荷时间为15秒。

 4. 断口形貌分析

  采用Quanta200型扫描电镜对拉伸试样的断口形貌进行扫描观察，比较不同的保护气体和焊接热输入量对接头断口形貌的影响。与此同时，采用Quanta200能谱仪对接头微区的化学成分进行分析。

 5. 金相组织观察

 对在获得的接头经磨平、抛光、腐蚀后制备成金相试样，用光学显微镜观察焊缝、熔合区和焊接热影响区的显微组织形态。金相试样的腐蚀条件为：10%铬酸水溶液电解腐蚀，腐蚀时间10~20秒，电压7.5V，或直接王水腐蚀。

 6. 相比例测定

 在接头显微组织照片上采用计点法测定不同试样的相比例含量，以研究焊接参数对接头相比例的影响。

 7. X射线衍射相结构分析

 采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪对焊接接头进行相结构组成分析，比较不同的保护气体和焊接热输入量对接头相结构组成的影响，以及检测接头中是否存在危害相的析出等。

 8. 接头点蚀性能测定

  采用三氯化铁盐酸水溶液化学浸泡法测定双相不锈钢焊接接头的耐腐蚀行为，研究不同保护气体和焊接热输入量对接头耐腐蚀性能的影响，腐蚀溶液为6%FeCl₃+H₂O、6%FeCl₃+12.5%HCl+H₂O、6%FeCl₃+25%HCl+H₂O。试验温度为22±1℃，试验时间为24小时。腐蚀前后用电子天平（感量为0.0001g）测量接头试样的质量，并计算出腐蚀失重。

 腐蚀试样的截取是以焊缝中心线为基准，从接头部位截取尺寸为30mm×10mm×8mm的腐蚀试样，如图2.7所示。采用机械加工的方法去除焊缝余高，并通过研磨以去除试样表面的氧化层。经加工后的试样表面光滑，并对焊缝的纵截面进行磨平、抛光，以便观察试样的腐蚀形貌。

 9. 接头耐晶间腐蚀性能测试

 参考GB4334.2和ASTM A 262.B标准，对获得接头进行耐晶间腐蚀性能测试，计算试样单位面积内的失重。试样分别从采用不同焊接工艺施焊获得的接头上切取，将试样加工成尺寸50mm×25mm×8mm。用砂纸按从粗到细的顺序进行打磨，打磨后的试样应符合尺寸要求，然后用丙酮溶剂去油，最后用酒精洗净，烘干。采用游标卡尺测量相关尺寸并计算其表面积，记录下由电子天平（感量为0.0001g）测量出的试样质量。腐蚀溶液为选用分析纯硫酸配制成（50±0.3）%的硫酸水溶液，取600ml并加入25g纯净硫酸铁。将已称重的试样放入到溶液中，并在25±1℃下浸泡5天。腐蚀后取出试样，经干净流水充分冲洗后，再放入丙酮中清洗并干燥、称重，最后计算试样单位面积上的失重。