王錢浦 岑越 孫曉嵐 傅玉華

2205雙相不銹鋼埋弧焊焊接工藝研究

王錢浦 岑越 孫曉嵐 傅玉華

針對雙相不銹鋼埋弧焊焊接接頭的金相組織觀察及力學(xué)性能的檢測，以及耐蝕性能的分析，對雙相不銹鋼埋弧焊焊接工藝進(jìn)行較為全面的總結(jié)，以便制定合理的焊接工藝方案。

雙相不銹鋼在埋弧焊焊接過程中存在一系列問題：①焊接變形大，精度控制難度增加。②熱輸入的大小使雙相組織受到破壞，影響其具有的力學(xué)性能及耐腐蝕性能。③焊接參數(shù)不合適將引起一系列的焊接缺陷等。

本文通過對不同厚度的雙相不銹鋼進(jìn)行埋弧焊試驗，選擇出合適的坡口形式及焊接參數(shù)，通過力學(xué)性能及金相試驗，分析在保證焊接接頭質(zhì)量可靠性和穩(wěn)定性的情況下如何選擇合適的焊接參數(shù)，控制焊接變形等問題。

1. 2205雙相不銹鋼埋弧焊試驗及焊接性

（1）焊接試驗材料選用 材料為Outokumpu公司提供板厚為10mm、12mm和16mm的2205雙相不銹鋼，其中12mm厚鋼材力學(xué)性能如表1所示。2205雙相不銹鋼的焊接對污染更敏感，特別是對濕氣和水分，因此在焊前要對母材進(jìn)行嚴(yán)格清理。選用國外進(jìn)口匹配雙相不銹鋼的焊絲Avesta 2205、φ3.2mm，化學(xué)成分如表2所示。為保證試驗結(jié)果的可靠性，整個試驗過程均按照DNV船級社的要求進(jìn)行。

此外，2205雙相不銹鋼埋弧焊過程中，焊縫熔池流動性較差，必須考慮焊接的熔透性和良好的脫渣性，在確保焊透的前提下，保證焊縫成形的效果，因此本次工藝試驗選用Avesta 805焊劑。此焊劑為堿性的燒結(jié)焊劑，在焊劑中添加了Cr元素，以保證焊縫金屬的性能要求，同時在焊劑中有一定量的SiO2，能夠?qū)⒑竸A度控制在1.7左右，以減少焊劑的熔化量，減小熔寬波動，避免焊道邊緣不良的成形效果，確保焊縫的美觀。

（2）坡口形式的選擇 雙相鋼具有良好的導(dǎo)熱性及較低的膨脹系數(shù)，使得雙相不銹鋼的焊接變形比碳鋼大很多。我們選取常用的鋼板厚為10～18mm，針對三種不同板厚選用三種不同坡口形式進(jìn)行前期比較試驗，埋弧焊焊接后，觀察其變形程度。板厚分別為10mm、12mm、16mm的坡口形式如圖1～圖3所示。

通過對以上三組板厚及坡口形式試板進(jìn)行埋弧焊試驗，其中板厚10mm和12mm的鋼板采用雙面單道焊的變形相比于板厚為16mm的板的雙面單道焊變形小，其變形大小如表3所示

因此，綜合考慮焊接變形及施工過程中的焊接效率，選用厚度為12mm，坡口形式如圖4所示的鋼板進(jìn)行工藝評定試驗。

雙相不銹鋼的坡口應(yīng)采用機(jī)械加工，不宜采用砂輪打磨的方法，避免坡口表面粗糙與裝配間隙不均勻。

表1 板厚12mm鋼材的力學(xué)性能

表2 Avesta 2205焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3） 雙相不銹鋼埋弧焊試驗 焊接方法采用埋弧焊，直流反接，焊前清理焊接接頭坡口附

近的水分及油污等雜質(zhì)。采用雙面單道焊形式，待正面焊道焊接完成后，道層間溫度＜150℃，再翻身焊接背面焊道，其背面無需等離子清根處理，正面焊道的焊接速度較快，背面焊道的焊縫適當(dāng)減慢，以增加熔深。

圖1

圖2

圖3

圖4

由于熱輸入大小對雙相不銹鋼的耐蝕性有非常大的影響，因此理論上熱輸入量需要控制在25kJ/cm以下。如果熱輸入量過大，焊接接頭的冷卻速度慢，會在不銹鋼中析出碳化物、氮化物，并形成缺鉻現(xiàn)象，特別是在熱影響區(qū)，會析出σ相等有害相，使雙相組織的優(yōu)良性能降低，造成韌性和耐蝕性降低。因此必須嚴(yán)格控制熱輸入，實(shí)際焊接參數(shù)如表4所示。

焊后按DNV規(guī)范，分別進(jìn)行外觀檢測及射線探傷，結(jié)果焊縫寬度25～26mm，余高1.5～2mm，表面成形美觀；射線探傷沒有發(fā)現(xiàn)任何影響焊縫性能的焊接缺陷，均符合DNV標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2. 試驗結(jié)果

（1）金相分析 分別取焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行微觀分析（見圖5～圖7）。焊縫區(qū)域中為樹枝晶組織，熱影響區(qū)中鐵素體與奧氏體分布不均勻，但占比大致一樣，沒有析出σ相。

（2）力學(xué)性能測試 拉伸試驗結(jié)果如表5所示，試樣均斷于母材，斷口為塑性斷裂，并均無裂紋，強(qiáng)度及斷后伸長率與母材相當(dāng)，焊縫具有良好的韌性。

彎曲試驗結(jié)果如表6所示，試樣經(jīng)180°，4倍板厚壓頭直徑進(jìn)行側(cè)彎試驗，試驗結(jié)果符合DNV船級社規(guī)范。

沖擊試樣取4套，分別位于焊縫中心、交界、界外2mm和界外5mm，每套3根，尺寸為10mm×10mm×55mm，開V型缺口，試驗結(jié)果如表7所示。

表4 焊接參數(shù)

圖5 焊縫中心微觀照片（200×）

圖6 熱影響區(qū)微觀照片（200×）

圖7 母材微觀照片（200×）

根據(jù)DNV船級社規(guī)范，雙面焊試樣硬度三條線，均需要覆蓋到焊縫中心、熱影響區(qū)及母材，

試驗結(jié)果如表8所示。

因此，通過以上金相及力學(xué)性能分析，首先建議焊接過程中熱輸入控制在25kJ/cm以內(nèi)，最大不得超過30kJ/cm，才能保證雙相鋼理想的相平衡；其次控制好層間溫度，因為冷卻速度的快慢決定了轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的鐵素體數(shù)量，同樣也影響兩相的平衡，最終導(dǎo)致影響焊接接頭的韌性。

3. 結(jié)語

2205雙相不銹鋼的焊接工藝在實(shí)際生產(chǎn)過程中很少使用，焊接技術(shù)經(jīng)驗缺乏，通過不斷的摸索與焊接試驗，本文對埋弧焊焊接試驗過程中的注意事項及問題進(jìn)行了分析與總結(jié)，對今后相關(guān)產(chǎn)品的制造積累了經(jīng)驗。

表5 焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

表6 焊接接頭彎曲試驗結(jié)果

表7 焊接接頭沖擊試驗結(jié)果

表8 焊接接頭硬度試驗結(jié)果 (HV10)

[1] 張心保，等.2205雙相不銹鋼鋼筋弧焊工藝[J].金屬加工，2011（10）：43-46.

加反向磁場消除管道中剩磁

通過調(diào)整，最終將管道中剩磁降至滿足焊接的范圍之內(nèi)。在打底焊完成后，焊縫處磁偏吹已消失，管道可進(jìn)行正常焊接。

4. 結(jié)語

使用直流線圈產(chǎn)生反向磁場的方法，經(jīng)過實(shí)踐產(chǎn)生了較好的效果，使得該項目能夠順利進(jìn)行，也為帶強(qiáng)磁場管道的焊接積累了經(jīng)驗。

方案確定后，由公司經(jīng)驗豐富的焊工進(jìn)行試焊。在第一次焊接時，發(fā)現(xiàn)坡口處的磁性雖然有所減弱，但依然有較大的磁性，致使起弧困難，磁偏吹、吸焊絲的情況仍然存在。通過分析，主要是因為線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，不能將管道中的剩磁消減至滿足焊接要求的范圍。

主分析原因，要有以下幾點(diǎn)：①焊接電流相對較低。②焊線間距太大，在管道上纏繞的圈數(shù)較少。③在焊接前需要對管道預(yù)熱，為防止損壞焊線，管道上較長一段未纏繞線圈。④兩節(jié)管道中的剩磁強(qiáng)度大小不同，纏繞相同的圈數(shù)對消磁的效果有一定程度的影響。

經(jīng)上述分析后，對方案做以下調(diào)整：①按照焊接工藝，在滿足焊接要求的情況下盡可能的調(diào)大焊機(jī)電流。②減小焊線纏繞在鋼管上的間距，將焊線盡可能多的纏繞在管道上。③根據(jù)管道中

作者簡介： 蒯宏忠，深圳市發(fā)利機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)有限公司，機(jī)械配管工程師。

王錢浦等，滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司。