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(xué)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(diǎn)，而且也進(jìn)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(yīng)力腐蝕抗力明顯不足以及鐵素體不銹鋼焊接性差、耐點(diǎn)腐蝕性能較低等常見(jiàn)問(wèn)題[1]。2205屬于典型的雙相不銹鋼，其奧氏體和鐵素體體積分?jǐn)?shù)各占一半。通過(guò)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?jǐn)?shù)及金屬化合物析出直接影響接頭的性能，特別是點(diǎn)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(guò)大熱輸入則會(huì)使冷卻速度太慢，延長(zhǎng)了焊縫高溫停留的時(shí)間，雖然得到足夠的奧氏體，但會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大以及σ相等脆性相的析出，造成焊接接頭脆化；過(guò)小的熱輸入，冷卻速度過(guò)快，奧氏體析出不足，鐵素體含量過(guò)大，導(dǎo)致韌性不足[2，3]，因此必須選擇適合的熱輸入。本試驗(yàn)通過(guò)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(yàn)材料及方法

試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)、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(xué)性能要求，同時(shí)也應(yīng)滿足點(diǎn)腐蝕要求。為此，焊材選擇φ1.2mm的AVSTA藥芯焊絲FCW2205-PW進(jìn)行試驗(yàn)，2205雙相不銹鋼、焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

3 焊接坡口及參數(shù)

采用等離子數(shù)控切割對(duì)板材下料、機(jī)械加工坡口，為提高生產(chǎn)效率，本次試驗(yàn)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(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 2205雙相不銹鋼及焊材的力學(xué)性能

示。由于板材較厚，焊接時(shí)采用多層多道焊形式。焊前對(duì)坡口周圍30mm范圍進(jìn)行打磨并用丙酮或者無(wú)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(jiàn)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(cè)項(xiàng)目

（1）無(wú)損檢測(cè) 焊接完成后對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行射線和滲透檢測(cè)，射線底片顯示焊縫無(wú)裂紋、未熔合、夾雜及氣孔等缺陷，檢測(cè)結(jié)果表明，試板無(wú)缺陷，符合要求。

（2）性能試驗(yàn)項(xiàng)目 為系統(tǒng)測(cè)試接頭綜合性能，根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求（CCS），對(duì)接頭進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊、硬度性能測(cè)試及抗點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)測(cè)定鐵素體含量及金屬化合物。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求，每個(gè)位置選取拉伸試樣2件，進(jìn)行拉伸試驗(yàn) 。沖擊試驗(yàn)分別取在焊縫、熔合線、距熔合線2mm及5mm位置，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(qiáng)度高于立焊，焊縫區(qū)域的韌性基本相同。一般認(rèn)為奧氏體較鐵素體韌性要好，鐵素體含量測(cè)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(dāng)。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(qiáng)度。

表4 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

（2）鐵素體含量及點(diǎn)腐蝕 對(duì)橫焊、立焊接頭區(qū)域進(jìn)行鐵素體含量測(cè)定，要求鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)）為30%~70%，測(cè)定方法按照ASTM E562—2011，各個(gè)區(qū)域測(cè)量結(jié)果見(jiàn)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(shí)，奧氏體相在鐵素體相基體中析出，該階段時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體析出越充分，同時(shí)晶粒粗大可能性就越大。所以較大熱輸入，對(duì)冷卻速度有一定的影響，導(dǎo)致了奧氏體含量變高，而對(duì)于較厚板材的焊接都采用多層多道焊，后道焊縫對(duì)前道焊縫有熱處理作用，使得奧氏體充分析出，導(dǎo)致形成奧氏體含量超過(guò)鐵素體的結(jié)果，并可能帶來(lái)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(shí)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(huì)發(fā)生變化。

表5 鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)） （%）

點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)溫度22℃（精度要求在1℃），保持24h[4]。腐蝕完成后進(jìn)行稱重（精度到1mg）。腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

由于立焊鐵素體含量較低，導(dǎo)致了抗點(diǎn)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(cè)定 對(duì)試樣的焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行金屬化合物測(cè)定，雙相不銹鋼金屬化合物大多是高溫時(shí)間停留過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生，金屬化合物等雜質(zhì)相的出現(xiàn)對(duì)接頭的腐蝕及力學(xué)性能都帶來(lái)很大的影響。通過(guò)電鏡觀察，接頭區(qū)域未出現(xiàn)金屬化合物（見(jiàn)圖2）。

圖2 接頭區(qū)域組織

（4）硬度 對(duì)立焊、橫焊位置的接頭進(jìn)行硬度測(cè)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(shuō)明大熱輸入帶來(lái)硬度相對(duì)下降，這主要和奧氏體含量有一定關(guān)系。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn)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(xué)性能下降現(xiàn)象。

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