孫文浩，陶鑫，陸鳳姣，楊震宇，周坤園

1.江蘇雙良新能源裝備有限公司 江蘇江陰 214444

2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院江陰分院 江蘇江陰 214400

3.招商局金陵船舶（南京）有限公司 江蘇南京 210015

1 序言

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本研究使用亞達(dá)管道系統(tǒng)股份有限公司生產(chǎn)的、外徑與厚度規(guī)格為φ273mm×10mm的2507不銹鋼管作為主要試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。焊接材料使用昆山京群焊材科技有限公司生產(chǎn)的牌號(hào)為GTS-2594（ASME SFA5.9/5.9M ER2594）不銹鋼氬弧焊絲，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表1 2507不銹鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 2507不銹鋼管的力學(xué)性能

表3 GTS-2594不銹鋼氬弧焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 試驗(yàn)方法

（1）焊接工藝 試驗(yàn)采用GTAW焊接方法，管傾斜45°立向上（6G/HL-045）焊接。試驗(yàn)用坡口形式與焊道布置如圖1所示。焊前采用機(jī)械切割加打磨的方式加工坡口，并確保坡口面50mm內(nèi)無(wú)銹跡、油污或其他雜質(zhì)。

選擇使用98%Ar+2%N2作為焊接時(shí)的保護(hù)氣體，在焊縫正面使用的同時(shí)，管內(nèi)也需充分充入該氣體。選擇帶有N2成分的保護(hù)氣體，有助于奧氏體的轉(zhuǎn)變，從而在控制兩相平衡的同時(shí)，又補(bǔ)充了容易燒損的N，使焊縫的抗腐蝕性能得到保證。焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度＜100℃，焊接熱輸入＜15kJ/cm。具體焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 GTAW焊接參數(shù)

（2）無(wú)損檢測(cè) 對(duì)焊接完成后的2507不銹鋼排舷外管進(jìn)行目視檢測(cè)后再進(jìn)行射線和滲透檢測(cè)，結(jié)果均合格后，按照LR船級(jí)社規(guī)范要求進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

（3）金相試驗(yàn) 選用80#～2000#的砂紙，由粗到細(xì)，以“單程單向”方式重復(fù)對(duì)所觀測(cè)焊縫截面區(qū)域進(jìn)行磨制，最后用帶有研磨膏的拋光布進(jìn)行鏡面拋光。拋光完成后用無(wú)水乙醇擦去表面污漬，最后使用王水腐蝕液腐蝕。全部完成后，使用金相顯微鏡分別觀察試樣的焊縫，熱影響區(qū)及母材的顯微組織，并拍照記錄。

（4）力學(xué)性能試驗(yàn) 使用顯微維氏硬度試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)焊接接頭上下兩個(gè)部分的焊縫、熱影響區(qū)和母材區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。

按照LR船級(jí)社材料與焊接標(biāo)準(zhǔn)，在室溫下進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)取橫向拉伸試樣兩個(gè)，拉伸區(qū)域截面規(guī)格為11.4mm×25mm。彎曲試驗(yàn)取兩組試樣，每組正彎、反彎試樣各1個(gè)，彎曲角為180°，壓頭直徑為48mm。

在-20℃條件下對(duì)焊接接頭進(jìn)行夏比V型沖擊試驗(yàn)，沖擊位置分別為焊縫中心（W M）、熔合線（F L）、距熔合線2m m（F L+2）、距熔合線5m m（F L+5），為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，沖擊試驗(yàn)每組做 3 個(gè)試樣取平均值，取樣尺寸為

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7.5mm×10mm×55mm。

（5）點(diǎn)蝕試驗(yàn) 試樣尺寸為25mm×50mm，經(jīng)120#砂紙打磨后充分清洗、干燥后，稱量每塊試樣，精確到0.001g；配制適量的6%FeCl3水溶液和1%HCl溶液，混合后倒入1000mL燒杯中，待溶液溫度調(diào)整到20℃后，將試樣放入溶液中的玻璃架上，試驗(yàn)72h后，將試樣取出，充分清洗干凈，干燥后稱量每塊試樣的重量。

3 結(jié)果與分析

3.1 焊接接頭組織

焊接接頭宏觀金相如圖2所示，對(duì)焊接接頭進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)焊縫熔敷金屬、熔合線、熱影響區(qū)顯示清楚，焊縫與母材之間的過(guò)渡較為平滑，未發(fā)現(xiàn)明顯或過(guò)分補(bǔ)強(qiáng)情況；同時(shí)也未發(fā)現(xiàn)有咬邊、氣孔、裂紋、夾渣、未焊透及未熔合等缺陷，焊接質(zhì)量較好，滿足試驗(yàn)要求。

圖2 焊接接頭宏觀金相

焊接接頭各區(qū)域顯微組織取樣位置如圖3所示，各位置微觀組織如圖4所示。在對(duì)2507不銹鋼進(jìn)行焊接之后，焊縫金屬會(huì)表現(xiàn)為鑄態(tài)組織，這屬于一次凝固組織為單相鐵素體的鐵素體凝固模式。當(dāng)溫度降至低于鐵素體固溶線溫度后，部分鐵素體則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，奧氏體形成時(shí)先在鐵素體晶粒邊界形成，逐漸向鐵素體晶內(nèi)生長(zhǎng)[4]。由圖4可看出，焊縫組織由奧氏體和鐵素體組成，奧氏體相主要以晶界奧氏體、魏氏體型奧氏體和晶內(nèi)奧氏體三種形式存在于鐵素體晶粒中。在鐵素體晶界處析出的相為晶界奧氏體；從晶界開(kāi)始向晶內(nèi)以長(zhǎng)條狀存在的相為魏氏體型奧氏體；而晶內(nèi)奧氏體則在鐵素體晶粒內(nèi)，以孤島狀和小塊狀的形式存在。該合金組織中鐵素體和奧氏體所占比例基本相等。兩相顯微組織的交互生長(zhǎng)阻止了晶粒生長(zhǎng)[5]，使得 2507不銹鋼具有良好的綜合性能。

圖3 焊接接頭各區(qū)域顯微組織取樣位置

圖4 焊接接頭各區(qū)域顯微組織

觀察2507不銹鋼焊縫和母材之間的熱影響區(qū)組織可發(fā)現(xiàn)，其熱影響區(qū)寬度較小，晶粒粗化區(qū)只有一個(gè)晶粒的大小。熱影響區(qū)晶粒粗化程度與焊接熱輸入的大小有關(guān)，當(dāng)焊接熱輸入量較大時(shí)，會(huì)增加熱影響區(qū)晶粒粗化傾向，因此，對(duì)2507不銹鋼焊接時(shí)要控制熱輸入在一個(gè)適中的范圍，不宜使熱輸入過(guò)大，這樣就可以避免熱影響區(qū)組織的粗大傾向，阻止鐵素體晶界析出Cr的碳氮化合物，還可以防止晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

焊縫各位置鐵素體含量見(jiàn)表5。由表5可知，焊縫和熱影響區(qū)組織中無(wú)第三相產(chǎn)生，焊縫區(qū)組織為奧氏體+鐵素體（46%）；熱影響區(qū)組織為奧氏體+鐵素體（45%），組織比例滿足要求。

表5 焊縫各部位鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)）（%）

3.2 焊接接頭力學(xué)性能

（1）硬度 焊縫各區(qū)域的顯微硬度分布如圖5所示。由圖5可發(fā)現(xiàn)，在上部焊縫中，從母材到熱影響區(qū)再到焊縫中心，顯微硬度先增大后減小再逐漸增大，焊縫中心的硬度最高；在下部焊縫中，焊接接頭的顯微硬度則是由母材向中心位置先增大后減小，到達(dá)中心位置后再增大，其中熱影響區(qū)的硬度最大。同時(shí)下部焊縫的硬度普遍高于上部焊縫。各部位硬度值均符合LR船級(jí)社材料與焊接規(guī)范要求。

圖5 焊縫各區(qū)域的顯微硬度分布

（2）彎曲強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度 試樣按要求彎曲后，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)開(kāi)口缺陷。

抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，2組試樣最終斷裂位置都在母材區(qū)域，焊縫區(qū)域的抗拉強(qiáng)度均高于母材，抗拉強(qiáng)度值符合規(guī)范要求。

表6 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

（3）沖擊韌性 焊縫不同位置沖擊試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，沖擊吸收能量試驗(yàn)值與平均值均符合規(guī)范要求。焊縫熔合線處沖擊吸收能量最小，母材處沖擊吸收能量最大。因?yàn)楸Ｗo(hù)氣體為98%Ar+2%N2，促進(jìn)了熔敷金屬對(duì)氮的吸收，而氮是一種強(qiáng)烈的奧氏體化元素，所以組織中奧氏體相含量增大，從而增大了材料的韌性，這就直接導(dǎo)致接頭焊縫的沖擊吸收能量較高。

表7 焊縫不同位置沖擊試驗(yàn)結(jié)果 （J）

3.3 點(diǎn)蝕性能

采用失重法測(cè)試兩個(gè)試樣的點(diǎn)蝕性能，點(diǎn)蝕試樣如圖6所示，焊接接頭點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可知，點(diǎn)蝕率滿足LR船級(jí)社材料與焊接參數(shù)要求，表面未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，焊接接頭的耐點(diǎn)蝕性良好。保護(hù)氣體中添加少量N2，熔池金屬對(duì)N的溶解度迅速增加，熔池金屬中的奧氏體相含量也迅速增加，焊縫中兩相比例也變得更趨合理，因此焊接接頭的耐點(diǎn)蝕性能變得更好。不銹鋼耐點(diǎn)蝕能力隨著鋼中Cr、Mo 、N 含量的增加而增強(qiáng)。在雙相不銹鋼焊接中，N主要固溶于奧氏體相中，同時(shí)N能使Cr、Mo兩種元素從鐵素體相中轉(zhuǎn)移到奧氏體相中，從而平衡Cr、Mo兩種元素在相中的分布，又由于N在奧氏體相中的溶解度逐漸增加，而N是奧氏體化元素，它能擴(kuò)大和穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，對(duì)于焊縫中的相比例能起到合理的優(yōu)化作用，從而形成奧氏體占優(yōu)的焊縫成分[3]，進(jìn)而改善了奧氏體相的耐點(diǎn)蝕性[2，6]，因此使2507不銹鋼焊接接頭的耐點(diǎn)蝕性逐漸提高。

圖6 點(diǎn)蝕試樣

表8 焊接接頭點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)2507不銹鋼管進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)和破壞性檢測(cè)的手段，觀察焊接接頭的金相組織，測(cè)試接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，得出了如下結(jié)論。

1）2507不銹鋼焊縫組織由奧氏體和鐵素體組成，二者之間的比例約為1∶1，滿足組織比例要求。兩相顯微組織的交互生長(zhǎng)阻止了晶粒生長(zhǎng)，使得 2507不銹鋼具有良好的綜合性能。

2）2507不銹鋼焊接接頭硬度較高，擁有良好的彎曲強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及沖擊性能，符合LR船級(jí)社材料與焊接參數(shù)的要求。

3）2507雙相不銹鋼焊接接頭有較好的耐腐蝕性能。保護(hù)氣體中添加少量N2，熔池金屬中的奧氏體相含量也迅速增加，焊縫中兩相比例也變得更趨合理，金屬中的析出也相對(duì)減少，焊接接頭的耐蝕性變得更好。

4）2507不銹鋼經(jīng)過(guò)焊接后，焊接接頭處具有良好的兩相組織，各項(xiàng)性能得以提升，可滿足船舶日常實(shí)際使用需求，為后續(xù)排舷外管裝船使用提供了理論支持和焊接經(jīng)驗(yàn)。