陸鳳輝

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司， 山西 太原 030027）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

UNSS32205雙相不銹鋼焊接工藝研究

陸鳳輝

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司， 山西 太原 030027）

針對(duì)UNSS32205雙相不銹鋼焊接工藝進(jìn)行研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。分析表明：UNSS32205雙相不銹鋼因其鐵素體、奧氏體的雙相組織結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)良的耐蝕及機(jī)械性能，選用2209為填充材料并選擇合理的焊接和焊后熱處理工藝，可使焊縫區(qū)獲得良好的雙相組織，從而得到耐點(diǎn)腐蝕和沖擊性能良好的接頭。

雙相鋼 焊接性 相比例

1 UNSS32205雙相不銹鋼優(yōu)點(diǎn)

UNSS32205（00Cr22Ni5Mo3N）雙相不銹鋼是一種典型的含氮、超低碳（w（C）≤0.03%）的不銹鋼，其鐵素體和奧氏體兩種組織各約50%。在2000年之前，該產(chǎn)品完全依靠進(jìn)口。該鋼種具備超低碳、室溫鐵素體和奧氏體雙相組織的優(yōu)點(diǎn)、高的Cr含量以及Mo、N的添加使得其具有更好的耐氯離子點(diǎn)蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐縫隙腐蝕、耐晶界腐蝕以及高強(qiáng)度、耐高速泥沙沖刷等優(yōu)點(diǎn)，是典型的應(yīng)用廣泛的含N、超低碳、鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼。因其兼?zhèn)淞耸覝罔F素體與奧氏體雙相組織的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有比SUS304、SUS316L等奧氏體不銹鋼更好的耐應(yīng)力腐蝕、耐縫隙腐蝕、耐Cl-點(diǎn)蝕、耐晶界腐蝕以及高強(qiáng)度、耐磨損腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]，而且在高溫下（如1 300℃）仍能保持一定比例的奧氏體。因此焊接熱影響區(qū)不會(huì)導(dǎo)致因產(chǎn)生單相鐵素體而脆化以及耐晶界腐蝕性能惡化而產(chǎn)生的不良后果，相比之下有優(yōu)良的高溫焊接性能[1]。

在雙相不銹鋼中，由于奧氏體是在鐵素體冷卻過(guò)程中形成的，焊接過(guò)程的熱輸入大小直接影響了焊后焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織，容易造成兩相比例的失衡?？珊感院秃负鬅崽幚硎窃u(píng)價(jià)材料能否推廣應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是2205雙相不銹鋼在后續(xù)進(jìn)行深加工應(yīng)用中的瓶頸因素。因此制定正確的焊接及后續(xù)的熱處理工藝，對(duì)接頭性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，是2205雙相不銹鋼焊管研發(fā)及推廣應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 UNSS32205雙相不銹鋼焊接工藝研究

2.1 試驗(yàn)材料與方法

母材為UNSS32205，δ=15.5 mm；填充材料為ER2209，Ф=1.2mm；氬氣純度不小于 99.99%，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分 %

2.2 UNSS32205焊接工藝試驗(yàn)及熱處理

2.2.1 UNSS32205雙相不銹鋼焊接性分析

雙相不銹鋼其優(yōu)良的耐腐蝕性能和機(jī)械性能是靠?jī)上嘟M織的適當(dāng)比例來(lái)保證的。焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫組織的比例影響很大。焊接時(shí)，采用過(guò)低的線能量，工件受熱少，冷卻時(shí)速度過(guò)快，焊縫和熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生過(guò)高比例的鐵素體和氮化物，從而降低焊接接頭的耐腐蝕性能和韌性；采用過(guò)高的線能量時(shí)，工件受熱較大，焊后冷卻速度過(guò)慢，焊縫及熱影響區(qū)會(huì)析出有害相，也會(huì)使焊接接頭的耐腐蝕性能和韌性降低。所以，合適的焊接工藝參數(shù)和一定的技術(shù)措施相結(jié)合才能保證焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能[2-3]。

因此，為了避免焊縫金屬中熱影響區(qū)晶粒粗大，韌性下降，適宜使用多層焊。由于重復(fù)加熱和冷卻，情況較復(fù)雜，其冷卻速度還受層間溫度的影響。為了保持理想的兩相組織和滿意的性能，要求嚴(yán)格遵守一定的雙相不銹鋼焊接工藝規(guī)程，選擇合適的焊接參數(shù)。

2.2.2 UNSS32205焊接工藝介紹

焊接方法采用等離子（PAW）＋氬弧焊（TIG）。坡口形式采用Y型坡口，鈍邊高度為4.0±0.5mm，坡口角度為60°，工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

先用等離子（PAW）打底，然后用氬弧焊（TIG）蓋面，填充焊每層厚度不超過(guò)3mm，層間溫度控制在150℃以下。

焊后熱處理溫度為1 040～1 080℃，保溫3 min/mm，水冷。

2.2.3 UNSS32205雙相不銹鋼焊接工藝的實(shí)施與評(píng)定

雙相不銹鋼同時(shí)具有鐵素體和奧氏體兩相，母材兩相約各占50%，在實(shí)際焊接過(guò)程中應(yīng)保證焊縫每一相含量為35%～65%，只有這樣才能充分發(fā)揮它的耐蝕性和強(qiáng)韌性。

采用加絲等離子焊打底，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，內(nèi)焊縫余高不大于2mm，以無(wú)未焊透和內(nèi)凹為最佳。填充和蓋面采用自動(dòng)鎢極氬弧焊，當(dāng)管壁厚較大需多層填充焊時(shí)，按規(guī)定的層數(shù)施焊，層間溫度要小于150℃，每層焊完后用不銹鋼絲刷清理焊道，線能量應(yīng)在規(guī)定要求的范圍之內(nèi)。雙相不銹鋼的接頭性能主要取決于熱影響區(qū)的性能，焊接熱循環(huán)會(huì)對(duì)基體的組織和性能產(chǎn)生很大的影響。熱影響區(qū)的性能和熱輸入有關(guān)，冷卻速率加快，硬度升高；冷卻速率影響熱影響區(qū)的沖擊韌性，存在一個(gè)臨界的冷卻速率，超過(guò)和小于此冷卻速率，沖擊韌性都會(huì)降低；冷卻速度大于該臨界值時(shí)鐵素體含量增加，冷卻速度小于該臨界值時(shí)使得氮化物和σ相在鐵素體中析出，均會(huì)導(dǎo)致高溫和低溫的沖擊韌性降低。熱影響區(qū)的臨界點(diǎn)蝕溫度也和冷卻速率有關(guān)，冷卻速率小導(dǎo)致點(diǎn)蝕阻力增大。焊接過(guò)程中的熱輸入和冷卻速率影響鐵素體和奧氏體的相對(duì)含量，當(dāng)采用很低的熱輸入時(shí)，由于快速冷卻使得焊接熱影響區(qū)的鐵素體含量偏高，對(duì)沖擊韌性不利；但是過(guò)高的熱輸入會(huì)由于冷卻太慢而使得氮化物和σ相在鐵素體中析出，同樣對(duì)沖擊韌性不利。因此，通過(guò)調(diào)整焊接熱輸入可以得到最佳的焊接熱影響區(qū)性能。在適當(dāng)?shù)木€能量下焊接使得焊縫及熱影響區(qū)的奧氏體轉(zhuǎn)變充分，兩相比例在35%～65%的合適范圍，從而使焊接接頭具有良好的性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊縫外觀

檢查焊縫外觀，未發(fā)現(xiàn)咬邊、裂紋、表層未填滿、未焊透等缺陷，焊縫經(jīng)100%X射線檢測(cè)，全部達(dá)到GB 3323—2005標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)要求。

3.2 抗拉強(qiáng)度

取兩個(gè)試樣對(duì)焊縫按GB/T 228標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 力學(xué)性能

3.3 彎曲性能

取2個(gè)試樣對(duì)焊縫進(jìn)行橫向彎曲試驗(yàn)，一個(gè)面彎，一個(gè)背彎，試驗(yàn)方法按GB/T 232標(biāo)準(zhǔn)，b=40mm，d=94mm，彎曲180°后試樣完好，無(wú)裂紋，合格。

3.4 沖擊性能

取1個(gè)試樣進(jìn)行-40℃焊縫接頭沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按GB/T 229進(jìn)行，V型缺口。焊縫接頭沖擊值見(jiàn)表4。

表4 焊縫接頭沖擊值

在-40℃時(shí)，熱影響區(qū)和焊縫仍有很高的沖擊吸收能量，說(shuō)明沒(méi)有σ等脆性相析出。焊縫和熱影響區(qū)也沒(méi)有因組織粗化而引起韌性下降。

3.5 維氏硬度（HV5）

維氏硬度（HV5）測(cè)試按GB/T 4340.1標(biāo)準(zhǔn)要求＜350。從表5中得出焊縫接頭硬度（HV5）實(shí)測(cè)值＜350，結(jié)論：合格。焊縫維氏硬度橫截面位置圖見(jiàn)下頁(yè)圖1。

3.6 耐蝕性

耐蝕性按GB 17897—1999方法檢測(cè)，試驗(yàn)介質(zhì)為6%的FeCl3溶液，試驗(yàn)溫度為35℃，試驗(yàn)周期為24 h。

表5 焊縫維氏硬度實(shí)測(cè)值

圖1 焊縫維氏硬度橫截面位置圖

從表6腐蝕結(jié)果得出σ等有害相耐蝕性較差，極易腐蝕，會(huì)造成耐點(diǎn)蝕性能明顯下降。接頭耐點(diǎn)蝕性能良好，說(shuō)明焊后冷速大于有害相析出臨界冷速，沒(méi)有析出腐蝕性較差的有害相。

表6焊縫接頭腐蝕率g/（m2·h）

3.7 金相分析

鐵素體百分含量用菲希爾鐵素體測(cè)試儀FERITSCOPEFMP30測(cè)定。

從圖2中可以看出，實(shí)測(cè)熱影響區(qū)和焊縫區(qū)中的鐵素體平均含量值分別為57.38%和40.9%，兩相接近理想比例，且焊縫區(qū)組織細(xì)密。

焊縫由于采用了ER2209焊絲，焊絲鎳含量高于母材，由于鎳是奧氏體形成元素，較高的含鎳量，在焊縫快速冷卻過(guò)程中易于形成較多的奧氏體，使焊縫中鐵素體含量低于50%。

熱影響區(qū)由于冷卻速度較快，保留了較多的鐵素體，鐵素體含量高于母材的50%。在試驗(yàn)參數(shù)下，兩相比范圍滿足35%～65%的比例要求，使焊縫和熱影響區(qū)組織接近平衡轉(zhuǎn)變。

圖2 焊縫熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的金相圖

4 結(jié)論

1）等離子焊和氬弧焊焊接方法適合于雙相不銹鋼的焊接。

2）多層焊時(shí)，后道焊層對(duì)前一道焊層起到熱處理作用，利于獲得平衡組織。

3）采用合適的熱輸入，可得到耐點(diǎn)蝕腐蝕和沖擊性能良好的接頭。

[1] 王一德，李國(guó)平，王立新，等.OOCr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼板材的生產(chǎn)工藝[J].特殊鋼，2001，22（5）：36-37.

[2] 張文鉞，侯勝昌.雙相不銹鋼的焊接性及其焊接材料[J].焊接技術(shù)，2004，33（1）：40-42.

[3] 方偉秉.鐵素體-奧氏體型雙相不銹鋼的焊接性[J].化工裝備技術(shù)，1997，18（3）：9-43.

Study on Welding Process of UNSS32205 Duplex Stainless Steel

Lu Fenghui
（Shanxi TISCO Stainless Steel Tube Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030027）

The welding process of UNSS32205 duplex stainless steel is studied,and the test results are analyzed.The analysis shows UNSS 32205 duplex stainless steel has excellent corrosion resistence and mechanical properties for its ferrite and austenite duplex microstructure.2209 type welding metarial is used,also appropriate welding parameters and PWHT are applied.As a result,a good dual phase structure can be obtained in the weld zone so as to obtain a good jointwith good corrosion resistance and impact resistance.

dual phase steel;weldability;phase ratio

TG441

A

1672-1152（2017）05-0018-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.07

2017-09-11

陸鳳輝（1963—），女，工程師，主要負(fù)責(zé)不銹鋼焊管焊接及熱處理工藝技術(shù)的研究。

（編輯：王瑾）