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        雙相不銹鋼在不同焊接位置下接頭性能研究

        2020-07-08 08:34:02聶加俊王龍富
        金屬加工(熱加工) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:雙相鐵素體奧氏體

        聶加俊,王龍富

        蕪湖造船廠有限公司 安徽蕪湖 241001

        1 序言

        蕪湖造船廠有限公司承建的28000化學品船貨艙區(qū)域采用雙相不銹鋼材料2205,雙相不銹鋼不僅具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的性能優(yōu)點,而且也進一步克服了奧氏體不銹鋼所固有的焊接熱裂傾向大、抗晶間腐蝕性能差、氯離子環(huán)境下的應力腐蝕抗力明顯不足以及鐵素體不銹鋼焊接性差、耐點腐蝕性能較低等常見問題[1]。2205屬于典型的雙相不銹鋼,其奧氏體和鐵素體體積分數(shù)各占一半。通過焊接加工,焊接接頭區(qū)域(焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū))的雙相組織體積分數(shù)及金屬化合物析出直接影響接頭的性能,特別是點腐蝕性能。

        眾所周知,焊接位置的不同直接影響焊接熱輸入大小,過大熱輸入則會使冷卻速度太慢,延長了焊縫高溫停留的時間,雖然得到足夠的奧氏體,但會導致晶粒長大以及σ相等脆性相的析出,造成焊接接頭脆化;過小的熱輸入,冷卻速度過快,奧氏體析出不足,鐵素體含量過大,導致韌性不足[2,3],因此必須選擇適合的熱輸入。本試驗通過控制橫焊及立焊位置的熱輸入,從而確定滿足使用性能的熱輸入范圍。

        2 試驗材料及方法

        試驗選用的材料為新日鐵公司提供的雙相不銹鋼2205板材,制造標準、交貨狀態(tài)為固溶處理+酸洗鈍化,規(guī)格為14mm×150mm×450mm。焊接材料首先滿足力學性能要求,同時也應滿足點腐蝕要求。為此,焊材選擇φ1.2mm的AVSTA藥芯焊絲FCW2205-PW進行試驗,2205雙相不銹鋼、焊材的化學成分及力學性能見表1、表2。

        3 焊接坡口及參數(shù)

        采用等離子數(shù)控切割對板材下料、機械加工坡口,為提高生產(chǎn)效率,本次試驗采用單面焊雙面成形方式,反面墊陶瓷襯墊,接頭形式如圖1所

        表1 2205雙相不銹鋼及焊材的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

        表2 2205雙相不銹鋼及焊材的力學性能

        示。由于板材較厚,焊接時采用多層多道焊形式。焊前對坡口周圍30mm范圍進行打磨并用丙酮或者無水酒精擦洗。道間清理用不銹鋼鋼絲刷,以保證每道焊道清潔。焊接參數(shù)見表3,層間溫度控制在60~100℃之間。由表3可知,立焊采用的熱輸入明顯高于橫焊。

        圖1 坡口形式

        表3 焊接參數(shù)

        4 檢測項目

        (1)無損檢測 焊接完成后對焊縫區(qū)域進行射線和滲透檢測,射線底片顯示焊縫無裂紋、未熔合、夾雜及氣孔等缺陷,檢測結(jié)果表明,試板無缺陷,符合要求。

        (2)性能試驗項目 為系統(tǒng)測試接頭綜合性能,根據(jù)船級社規(guī)范要求(CCS),對接頭進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度性能測試及抗點腐蝕試驗項目,同時測定鐵素體含量及金屬化合物。

        5 試驗結(jié)果及分析

        (1)力學性能試驗結(jié)果 根據(jù)船級社規(guī)范要求,每個位置選取拉伸試樣2件,進行拉伸試驗 。沖擊試驗分別取在焊縫、熔合線、距熔合線2mm及5mm位置,試驗數(shù)據(jù)見表4。

        由表4可知:拉伸斷裂處均在焊接熱影響區(qū)域,橫焊的抗拉強度高于立焊,焊縫區(qū)域的韌性基本相同。一般認為奧氏體較鐵素體韌性要好,鐵素體含量測定結(jié)果顯示:立焊的鐵素體含量低于橫焊,雖然奧氏體析出較多,但立焊奧氏體晶粒度與橫焊比較,較為粗大,所以焊縫區(qū)域的韌性基本相當。拉伸斷裂處均在熱影響區(qū)域,立焊數(shù)值低于橫焊,由于在熱影響區(qū)發(fā)生奧氏體二次轉(zhuǎn)變,在冷卻速度較慢情況下,出現(xiàn)了粗大晶粒等現(xiàn)象,降低了接頭強度。

        表4 力學性能試驗結(jié)果

        (2)鐵素體含量及點腐蝕 對橫焊、立焊接頭區(qū)域進行鐵素體含量測定,要求鐵素體含量(體積分數(shù))為30%~70%,測定方法按照ASTM E562—2011,各個區(qū)域測量結(jié)果見表5。

        由表5可知,立焊焊縫區(qū)域的鐵素體含量明顯低于橫焊,熱影響區(qū)基本相同,根據(jù)Fe-Cr-Ni三元相圖,雙相不銹鋼焊縫區(qū)域在冷卻凝固初期都是鐵素體相;冷卻凝固時,奧氏體相在鐵素體相基體中析出,該階段時間越長,奧氏體析出越充分,同時晶粒粗大可能性就越大。所以較大熱輸入,對冷卻速度有一定的影響,導致了奧氏體含量變高,而對于較厚板材的焊接都采用多層多道焊,后道焊縫對前道焊縫有熱處理作用,使得奧氏體充分析出,導致形成奧氏體含量超過鐵素體的結(jié)果,并可能帶來晶粒粗大。而熱影響區(qū)雖然受到焊接熱量影響,但溫度較低,時間較短,雙相之間的變化不明顯,該區(qū)域的雙相比例基本不會發(fā)生變化。

        表5 鐵素體含量(體積分數(shù)) (%)

        點腐蝕試驗標準參考CCS材料與焊接參數(shù),配制好6%三氯化鐵作為腐蝕液,溶液PH值控制在1.3。試驗溫度22℃(精度要求在1℃),保持24h[4]。腐蝕完成后進行稱重(精度到1mg)。腐蝕試驗結(jié)果見表6。

        表6 腐蝕試驗結(jié)果

        由于立焊鐵素體含量較低,導致了抗點腐蝕程度降低,由表6可知,立焊的腐蝕率高于橫焊,但在規(guī)范要求范圍之內(nèi),所以滿足產(chǎn)品性能要求。

        (3)金屬化合物測定 對試樣的焊縫及熱影響區(qū)進行金屬化合物測定,雙相不銹鋼金屬化合物大多是高溫時間停留過長而產(chǎn)生,金屬化合物等雜質(zhì)相的出現(xiàn)對接頭的腐蝕及力學性能都帶來很大的影響。通過電鏡觀察,接頭區(qū)域未出現(xiàn)金屬化合物(見圖2)。

        圖2 接頭區(qū)域組織

        (4)硬度 對立焊、橫焊位置的接頭進行硬度測試,各區(qū)域硬度分布如圖3所示

        圖3 接頭各區(qū)域硬度分布

        由圖3可以看出,熱影響區(qū)及熔合區(qū)域硬度基本相同,而焊縫區(qū)域下降,在同樣區(qū)域橫焊的硬度高于立焊,說明大熱輸入帶來硬度相對下降,這主要和奧氏體含量有一定關(guān)系。

        6 結(jié)束語

        1)立焊的熱輸入較大,使冷卻速度較慢,焊縫區(qū)域產(chǎn)生的奧氏體含量要高于鐵素體,因此硬度低于橫焊焊縫的硬度。

        2)立焊位置鐵素體含量較低,耐點腐蝕效果要低于橫焊;合理的熱輸入是保障雙相組織含量比例的重要因素。

        3)熱影響區(qū)在焊接熱作用下,發(fā)生了奧氏體二次轉(zhuǎn)變,立焊冷卻速度較慢,出現(xiàn)了力學性能下降現(xiàn)象。

        4)不同位置采用的熱輸入應控制在最?。M焊)和最大(立焊)范圍內(nèi),即可得到滿意的接頭。

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