(酒泉鋼鐵(集團)有限責(zé)任公司不銹鋼研究所，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

2205雙相不銹鋼厚板TIG焊工藝研究

陳安忠王軍偉李玉峰

(酒泉鋼鐵(集團)有限責(zé)任公司不銹鋼研究所，甘肅嘉峪關(guān)735100)

采用不同焊接參數(shù)對16 mm厚2205雙相不銹鋼進行TIG多層多道焊，焊后對焊接接頭顯微組織和沖擊韌性進行了分析研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2205雙相不銹鋼焊接接頭組織為奧氏體+鐵素體，多層多道焊有助于鐵素體內(nèi)二次奧氏體γ2的生成；焊接接頭中焊縫金屬和熱影響區(qū)的鐵素體含量與熱輸入量成反比；在-40 ℃對焊接接頭進行沖擊試驗，低韌性焊接接頭的沖擊斷口形貌為準(zhǔn)解理斷口、高韌性焊接接頭的沖擊斷口形貌為韌性斷口，焊接接頭的韌度與鐵素體含量成反比。

2205雙相不銹鋼鎢級氬弧焊顯微組織斷口形貌

0 序 言

2205雙相不銹鋼由于含有奧氏體和鐵素體雙相組織，因此雙相不銹鋼兼顧了奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良的韌性及焊接性能和鐵素體不銹鋼具有的高強度及耐氯化物應(yīng)力腐蝕等性能，廣泛的應(yīng)用在石油化工、海洋工業(yè)以及核電工業(yè)等許多工程領(lǐng)域[1-4]。由于2205雙相不銹鋼在工程領(lǐng)域主要使用厚板，而有關(guān)2205雙相不銹鋼厚板焊接的研究相對較少，不同焊接參數(shù)會對焊接接頭的組織和性能產(chǎn)生一定影響。文中采用TIG(鎢級氬弧焊)焊接方法對16 mm厚2205雙相不銹鋼進行多層多道焊，探討了不同焊接參數(shù)對2205雙相不銹鋼厚板焊接接頭的組織和沖擊性能的影響規(guī)律，為2205雙相不銹鋼厚板在工程實際中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗?zāi)覆牟捎?6 mm厚的2205雙相不銹鋼，焊接材料采用φ2.0 mm的ER2209焊絲，母材和焊絲主要化學(xué)成見表1。

表1 2205母材及2209焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 焊接工藝

焊接試樣尺寸為500 mm×200 mm×16 mm。采用X形坡口，坡口角度α=60°～70°，根部間隙2.5～4.0 mm，采用TIG焊(鎢級氬弧焊)進行多層多道焊，每塊試樣采用相同層數(shù)和道數(shù)進行焊接，具體如圖1所示。

采用不同焊接參數(shù)對兩組試樣進行焊接，1號試樣采用低熱輸入的焊接參數(shù)，2號試樣采用高熱輸入的焊接參數(shù)。為避免脆性相的析出，層間溫度控制在100 ℃以下。具體焊接工藝參數(shù)見表2。

1.3 分析測試方法

采用DMI3000M萊卡金相顯微鏡對焊接接頭顯微組織進行分析，利用分析軟件對焊接接頭的兩相比例進行定量分析；沖擊試驗按照GB1/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕-不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》進行，采用55 mm×10 mm×10 mm V形缺口試樣，缺口分別開在焊縫中心和熔合線遠離焊縫中心1 mm處，試驗溫度為-40 ℃，對沖擊斷口采用ZEISS-MERLI Compact場發(fā)射掃描電鏡進行斷口形貌觀察。

圖1 焊接示意圖

試樣編號焊接電流I/A電弧電壓U/V層間溫度T/℃焊接速度v/(mm·s-1)熱輸入Q/(kJ·mm-1)118015≤1002.780.97218015≤1001.391.95

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭顯微組織分析

2205雙相不銹鋼母材顯微組織如圖2所示，基體組織成條帶分布，圖中白色部分為奧氏體相，黑色部分為鐵素體相，兩相成條帶間隔分布，兩相比例鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為53∶47。

圖2 2205雙相不銹鋼母材顯微組織

圖3是采用不同熱輸入焊接參數(shù)得到的焊接接頭的焊縫金屬(WM)和熱影響區(qū)(HAZ)的金相組織，并利用光學(xué)顯微鏡分析軟件對焊接接頭的兩相比例進行定量分析，采用低熱輸入焊接參數(shù)的1號試樣焊縫金屬鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為67∶33，熱影響區(qū)鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為71∶29；高熱輸入焊接參數(shù)的2號試樣焊縫金屬鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為47∶53，熱影響區(qū)鐵素體(α)∶奧氏體(γ)為58∶42。采用小熱輸入量焊接參數(shù)的1號試樣不論是焊縫金屬還是熱影響區(qū)鐵素體相比例都較高， 而不論是1號試樣還是2號試樣熱影響區(qū)的鐵素體相比例要高于焊縫金屬。

根據(jù)Fe-Cr-Ni偽二元相圖(圖4)，雙相不銹鋼焊縫凝固時都先生成100%的鐵素體，再通過部分的固態(tài)相變來形成其平衡組織中的奧氏體。從組織形態(tài)上來看焊縫和熱影響區(qū)的組織均為奧氏體+鐵素體，沒有金屬間化合物等脆性相析出，其中白色為奧氏體，灰黑色為鐵素體，白色奧氏體包含一次奧氏體和二次奧氏體，一次奧氏體γ1為樹枝狀和羽毛狀，二次奧氏體γ2為鐵素體晶粒內(nèi)析出的細小顆粒，二次奧氏體γ2主要是由于采用多層多道焊時可以對前道焊進行再熱，促進大量二次奧氏體的生成。二次奧氏體γ2可以顯著改善焊接接頭的韌度。

圖3 不同熱輸入焊接參數(shù)焊縫金屬和熱影響區(qū)的金相組織

圖4 雙相不銹鋼成分范圍內(nèi)的偽二元相圖

2205雙相不銹鋼焊接接頭固態(tài)相變主要發(fā)生在1 200～800 ℃之間，低溫下由于元素擴散較慢固態(tài)相變也較慢，因此在高溫停留時間越長，固態(tài)相轉(zhuǎn)變越充分[5-6]。熱輸入量大則在高溫停留時間長，δ→γ轉(zhuǎn)變更加充分，奧氏體會更多。因此，2號試樣不論是焊縫金屬還是熱影響區(qū)奧氏體相比例都較高。而不論是1號試樣還是2號試樣熱影響區(qū)鐵素體相含量均高于焊縫金屬，這主要是由于焊縫金屬固態(tài)相轉(zhuǎn)變是從δ→γ+δ，而熱影響區(qū)固態(tài)相轉(zhuǎn)變是從α+γ→δ→δ+γ，熱影響區(qū)固態(tài)相轉(zhuǎn)變需要先發(fā)生α+γ→δ，再發(fā)生δ→δ+γ，固態(tài)相轉(zhuǎn)變時間較長，而高溫停留時間有限，因此最終鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變不充分，導(dǎo)致熱影響區(qū)鐵素體含量較高；另一方面焊絲成分為ER2209，從圖4也可以看出ER2209鐵素體固溶溫度要高于2205母材，更早進入γ+δ兩相區(qū)，在高溫停留時焊縫金屬奧氏體轉(zhuǎn)變更加充分，導(dǎo)致焊縫金屬鐵素體含量較低。

2.2 沖擊試驗

表3是采用不同熱輸入焊接參數(shù)進行TIG焊接得到的2205雙相不銹鋼焊接接頭夏比沖擊試驗結(jié)果。

表3 沖擊試驗結(jié)果

ASTM A923標(biāo)準(zhǔn)中要求2205雙相不銹鋼焊接試樣在-40 ℃時焊縫區(qū)域每套試驗沖擊吸收能量不低于34 J，熱影響區(qū)和母材每套試驗沖擊吸收能量不低于54 J。從表3中可以看出1號試樣焊縫金屬和熔合線遠離焊縫中心+1 mm處沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)值。而沖擊吸收能量是衡量韌度的關(guān)鍵指標(biāo)，由于雙相不銹鋼含有很高的鐵素體相，因此焊縫接頭和母材都存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度，焊縫金屬的韌度與鐵素體含量成反比，1號試樣由于采用熱輸入量小的焊接參數(shù)，高溫停留時間短，焊接接頭鐵素體含量較高造成韌度較低。

2.3 沖擊斷口分析

圖5為1號和2號試樣焊縫金屬的沖擊斷口形貌圖，由于1號和2號試樣各自的3個焊縫沖擊斷口具有相似的特點，因此分別選取其中一個沖擊斷口的形貌進行對比分析。1號試樣斷口形貌圖不僅有解理面，還能看見大小不均勻的等軸韌窩，屬于準(zhǔn)解理斷裂類型；2號試樣斷口形貌主要是大小不均勻的等軸韌窩，韌窩較淺，未見明顯的解理面，屬于韌性斷裂類型。從斷口形貌圖上可以得知對于2205雙相不銹鋼厚板采用高熱輸入焊接參數(shù)能夠提高焊接接頭的沖擊韌性。

圖5 -40 ℃焊縫金屬沖擊斷口形貌圖

3 結(jié) 論

(1)2205雙相不銹鋼厚板進行TIG焊接時采用熱輸入量高的焊接參數(shù)焊縫金屬和熱影響區(qū)的鐵素體含量少、奧氏體轉(zhuǎn)變充分；而不論采用何種焊接參數(shù)熱影響區(qū)的鐵素體含量均要高于焊縫金屬。

(2)2205雙相不銹鋼厚板采用TIG多層多道焊可以促進鐵素體中二次奧氏體γ2的生成，γ2能明顯改善焊接接頭的韌度。

(3)沖擊試驗表明，2205雙相不銹鋼厚板焊接接頭的沖擊韌性與熱輸入量成反比；低韌性的沖擊斷口為準(zhǔn)解理斷口、高韌性的沖擊斷口為韌性斷口。

[1] 張志昌，張建峰，周友龍.鐵路貨車2205雙相不銹鋼的焊接[J].焊接，2011(12)：58-60.

[2] 陳興潤，潘吉祥.2205雙相不銹鋼焊接接頭組織與性能研究[J].焊接，2014(10)：54-57.

[3] Fargas G, Akdut N, Anglada M, et al. Microstructural evolution during industrial rolling of a duplex stainless steel[J]. ISIJ International, 2008,48(11):1596-1602.

[4] Lippold J C. Duplex stainless steel[C]. 4th International Duplex Stainless Steel Conference, Glasgow, UK, 1994:115-118.

[5] 熊慶人，霍春勇，李為衛(wèi)，等.2205雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為[J].焊接學(xué)報，2007,28(11)：53-57.

[6] 吳 玖，姜世振.雙相不銹鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

TG442

2016-06-21

陳安忠，1989年出生，碩士，工程師。主要從事不銹鋼焊接與新產(chǎn)品研究工作，已發(fā)表2篇文章。