常 靜，梁 艷，羅 磊

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅嘉峪關(guān)735100）

0 前言

S31803雙相不銹鋼具有鐵素體（α）和奧氏體（γ）兩相組織結(jié)構(gòu)，其性能兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)。因耐腐蝕性能優(yōu)異和強(qiáng)度高，目前S31803多應(yīng)用于耐腐蝕場(chǎng)合，已經(jīng)在很多可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋和點(diǎn)蝕的應(yīng)用環(huán)境中替代奧氏體不銹鋼，且它們?cè)谶@些腐蝕環(huán)境下的強(qiáng)度相當(dāng)高，因此廣泛應(yīng)用于石油化工、海上化學(xué)產(chǎn)品儲(chǔ)罐、海水交換器等領(lǐng)域[1-3]。焊接接頭耐蝕性能對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。本研究采用鎢極氬弧焊焊接S31803雙相不銹鋼，對(duì)比分析在保護(hù)氣體Ar中加入φ（N2）2%和采用純Ar保護(hù)所獲得焊接接頭的組織和耐蝕性的差別。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為S31803雙相不銹鋼，板厚40mm；焊接材料為φ2.0mm的ER2209焊絲，母材和焊絲主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 S31803母材及ER2209焊絲化學(xué)成分%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試板開(kāi)60°V型坡口，根部間隙2.5～4.0mm，采用GTAW進(jìn)行多層多道焊，為避免脆性相的析出，層間溫度小于等于150℃，保護(hù)氣體分別采用φ（Ar）98%+φ（N2）2%和純 Ar，混合氣體中添加 N2時(shí)需將氣體混合均勻。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

1.3 分析測(cè)試方法

1.3.1 金相組織及定量分析

采用DMI3000M萊卡金相顯微鏡分析接頭顯微組織，利用分析軟件定量分析焊接接頭的兩相比例。

1.3.2 點(diǎn)腐蝕實(shí)驗(yàn)

在焊接接頭部位取50mm×25mm×20mm點(diǎn)腐蝕試樣，依據(jù)ASTM A923C《奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的金屬間不良化合相的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法》測(cè)定焊接接頭的點(diǎn)蝕速率，將樣品水平置于6%FeCl3溶液中22℃恒溫水浴24 h（試樣置于溶液中部）。

1.3.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用單層電板電解池，參比電極為飽和Ag/AgCl電極，輔助電極為鉑電極，利用CS350電化學(xué)工作站進(jìn)行動(dòng)電位掃描實(shí)驗(yàn)，溶液介質(zhì)采用3.5%NaCl溶液，恒溫30℃，以0.2 mV/s的掃描速度進(jìn)行測(cè)量，起始電位為-0.2 V（相當(dāng)開(kāi)路電位），終止電位為2 V（相對(duì)開(kāi)路電位）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織及相比例

S31803焊縫接頭金相組織如圖1所示，圖中白色部分為奧氏體相，灰黑色部分為鐵素體相。焊縫中心區(qū)域奧氏體相呈樹(shù)枝狀和羽毛狀，熱影響區(qū)鐵素體晶粒長(zhǎng)大，奧氏體沿著鐵素體晶粒呈島狀分布。利用金相分析軟件自帶的定量分析功能測(cè)定焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)兩相比例，測(cè)定結(jié)果顯示：保護(hù)氣體為φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊縫γ相占比達(dá)到60%，而保護(hù)氣體采用純Ar的焊縫γ相僅為52%；保護(hù)氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的熱影響區(qū) γ 相為48%，純Ar焊接工藝的熱影響區(qū)γ相為42%。

N元素在S31803母材何ER2209焊絲中均作為合金元素進(jìn)行添加，N作為奧氏體形成元素可以提高奧氏體的穩(wěn)定性、平衡兩相比例、提高耐點(diǎn)蝕能力。雙相不銹鋼在熔焊過(guò)程中N元素會(huì)變成氣體溢出熔池，當(dāng)保護(hù)性氣體中增加N2可彌補(bǔ)母材和焊絲N的損失，提高焊縫以及鄰近熱影響區(qū)的奧氏體含量，并且N2的加入會(huì)促使δ向γ轉(zhuǎn)變溫度的提高而縮短晶粒粗化時(shí)間，因此保護(hù)氣體添加N2的接頭焊縫區(qū)域以及熱影響區(qū)會(huì)有更多的奧氏體相。

2.2 焊接接頭的點(diǎn)腐蝕實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ASTM A923C《奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的金屬間不良化合相的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法》對(duì)焊接接頭的耐點(diǎn)蝕性能進(jìn)行評(píng)定，不同焊接工藝焊接接頭點(diǎn)腐蝕實(shí)驗(yàn)后照片如圖2所示?？梢钥闯?，保護(hù)氣體采用純Ar焊接工藝的2#試樣出現(xiàn)點(diǎn)蝕孔，如圖中圓卷所示，而保護(hù)氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的1#樣未出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕孔，經(jīng)過(guò)拋光腐蝕后發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕孔位于焊縫區(qū)域。

兩個(gè)試樣腐蝕速率結(jié)果如表3所示。由表3可知，保護(hù)氣體采用純Ar的焊接接頭腐蝕速率為28.8 mdd（mg/dm2·d），遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的 10.0 mdd，而保護(hù)氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的焊接接頭腐蝕速率為6.4 mdd，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。保護(hù)氣體中添加N2能對(duì)焊接接頭起到N合金化作用。N可在表面膜以及膜與基體界面處富積，形成富鉻的氮化層，增加鈍化膜中鉻的含量，提高耐點(diǎn)蝕性能。N還可在腐蝕過(guò)程中形成NH4+，消耗部分H+，起到緩蝕作用。在含Mo雙相不銹鋼中，N可以與Mo結(jié)合形成Ni2Mo2N，使鈍化膜更加穩(wěn)定。以上原因會(huì)增加焊接接頭的耐點(diǎn)蝕能力[4-5]。

2.3 焊接接頭電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

S31803雙相不銹鋼在兩種不同焊接工藝條件下焊縫區(qū)域陽(yáng)極極化曲線如圖3所示。部分極化曲線腐蝕性能特征值如表4所示。點(diǎn)蝕電位Eb為鈍化膜開(kāi)始破裂的電位，Eb越高，耐蝕性能越好。再鈍化電位Ep是評(píng)價(jià)鈍化膜是否容易修復(fù)的特征電勢(shì)，Eb-Ep值越小，鈍化膜修復(fù)能力越強(qiáng)[6]。由表4可知，保護(hù)氣體添加N2的工藝焊縫點(diǎn)蝕電位Eb高于保護(hù)氣體不添加N2的工藝，說(shuō)明保護(hù)氣體添加N2的焊縫點(diǎn)蝕敏感性較低。保護(hù)氣體添加N2的工藝焊縫Eb-Ep值小于保護(hù)氣體不添加N2的工藝，說(shuō)明保護(hù)氣體添加N2其焊縫鈍化膜的自修復(fù)能力較強(qiáng)。

圖1 不同焊接工藝焊接接頭組織

圖2 不同焊接工藝焊接接頭點(diǎn)腐蝕實(shí)驗(yàn)后照片

表3 點(diǎn)腐蝕速率結(jié)果

圖3 不同焊接工藝焊縫陽(yáng)極極化曲線

表4 極化曲線腐蝕性能特征值

3 結(jié)論

（1）保護(hù)氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊接接頭，其焊縫區(qū)和熱影響區(qū)會(huì)促使更多奧氏體相轉(zhuǎn)變，抑制并延緩Cr23C6析出，提高焊接接頭的耐點(diǎn)蝕能力。

（2）保護(hù)氣體采用 φ（Ar）98%+φ（N2）2%的焊接接頭點(diǎn)腐蝕腐蝕速率為6.4mdd，無(wú)點(diǎn)蝕孔出現(xiàn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM A923C要求，而純Ar氣體保護(hù)的焊接接頭無(wú)法滿足相應(yīng)要求。

（3）電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，保護(hù)氣體采用φ（Ar）98%+φ（N2）2%焊接工藝的焊縫耐點(diǎn)蝕能力以及鈍化膜修復(fù)能力均好于純Ar氣體保護(hù)焊接工藝的焊縫。

參考文獻(xiàn)：

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