本文針對(duì)雙相不銹鋼埋弧焊焊接接頭的金相組織觀(guān)察及力學(xué)性能的檢測(cè)，以及耐蝕性能的分析，進(jìn)而對(duì)雙相不銹鋼埋弧焊焊接工藝運(yùn)用進(jìn)行較為全面的總結(jié)，以便制定合理的焊接工藝方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙相不銹鋼具有良好的焊接性，在選擇合適的坡口并合理控制熱輸入和冷卻速度的前提下，可以獲得良好的力學(xué)性能和耐蝕性能的焊接接頭，保證焊接試板的質(zhì)量。
前言
試驗(yàn)采用 Outokumpu 公司生產(chǎn)的 2205 雙相不銹鋼材料，具有極強(qiáng)的耐腐蝕性能，又具有較高的強(qiáng)度和韌性，且便于制造加工，這就使得其成為化學(xué)品船液貨艙結(jié)構(gòu)建造的首要選擇。而焊接方法中，埋弧自動(dòng)焊工藝應(yīng)用較多。但雙相不銹鋼在埋弧焊焊接過(guò)程中存在一系列問(wèn)題：
（1）焊接變形大，精度控制難度增加；
（2）熱輸入的大小使雙相組織受到破壞，影響其具有的力學(xué)性能及耐腐蝕性能；
（3）焊接參數(shù)不合適將引起一系列的焊接缺陷等。
本文通過(guò)對(duì)不同厚度的雙相不銹鋼進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊試驗(yàn)，選擇出合適的坡口形式及焊接參數(shù)，通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)及金相試驗(yàn)，分析在保證焊接接頭質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性的情況下如何選擇合適的焊接參數(shù)控制焊接變形等一些問(wèn)題。
1 2205 雙相不銹鋼的特點(diǎn)分析
2205雙相不銹鋼最主要合金元素是Cr、Ni、Mo和N，其中Cr含量為22%。其化學(xué)成分見(jiàn)表(1)。Cr和Mo為增加鐵素體含量，而Ni、N為奧氏體穩(wěn)定元素，有些鋼種還含有Mn、Cu、W等元素。Cr、Ni和Mo能夠改進(jìn)抗腐蝕性，在含氯化物的環(huán)境中抗點(diǎn)蝕及裂縫腐蝕的性能特別好。N是強(qiáng)化奧氏體形成元素，增加雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力，氮可以延緩金屬間隙的析出，降低雙相不銹鋼中形成σ相的傾向[1]。
雙相不銹鋼的力學(xué)性能與鋼板的回火溫度有關(guān),回火溫度越高,強(qiáng)度越低。回火溫度為600 ℃時(shí),屈服強(qiáng)度為400 MPa,抗拉強(qiáng)度為650 MPa。圖2為2205雙相不銹鋼的金相組織(腐蝕劑30g K(OH) + 30g K3 Fe (CN)6 + 100ml H2O )，雙相不銹鋼的金相組織由α鐵素體(黑色)和γ奧氏體(白色)二相組成,具有體積分?jǐn)?shù)大體相等的特征[2]。
因此,雙相不銹鋼兼有奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的雙重特征。與鐵素體不銹鋼相比,其韌性高,韌脆轉(zhuǎn)變溫度低,耐晶間腐蝕性能和焊接性能顯著提高,同時(shí)保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小、具有超塑性等特性；而與奧氏體不銹鋼相比，屈服強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度顯著提高，約為奧氏體不銹鋼的2倍，且耐晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等性能有明顯改善。氮在強(qiáng)化2205雙相不銹鋼中起著重要的作用,但當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0. 2%時(shí),由于氮的間隙固溶強(qiáng)化使得奧氏體的強(qiáng)度大于鐵素體。增加鐵素體的含量,會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性降低,也導(dǎo)致氮在鐵素體中的析出,生成氮化鉻,因?yàn)榈阼F素體中比在奧氏體中的溶解度低。冷加工能降低2205雙相不銹鋼的沖擊韌性,提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度。而在280——350 ℃區(qū)間過(guò)渡時(shí)效也會(huì)導(dǎo)致韌性降低。
2 2205 雙相不銹鋼埋弧焊試驗(yàn)及焊接性分析
1） 焊接試驗(yàn)材料選用
1．母材
本次埋弧焊試驗(yàn)的材料為 Outokumpu 公司提供 δ=10mm、δ=12mm 和 δ=16mm 的雙相不銹鋼，其力學(xué)性能如下表 2。
2205 雙相不銹鋼的焊接對(duì)污染更敏感，特別是對(duì)濕氣和水分。任何類(lèi)型的油污、油脂和水分等污染會(huì)影響材料的抗腐蝕性及力學(xué)性能，因此在焊接前要對(duì)母材進(jìn)行嚴(yán)格清理。
2.埋弧焊絲
本次試驗(yàn)選用國(guó)外進(jìn)口 Avesta 2205 的匹配雙相不銹鋼焊絲，直徑為 Φ3.2mm，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均按照 DNV 船級(jí)社的要求進(jìn)行。
3.埋弧焊劑
2205 雙相不銹鋼的埋弧焊焊接過(guò)程中，因?yàn)殡p相不銹鋼的焊縫熔池流動(dòng)性較差，必須考慮焊接的熔透性和良好的脫渣性，在確保焊透的前提下，保證焊縫成型的效果，焊劑的選用是關(guān)鍵。
因此，本次工藝試驗(yàn)選用 Avesta 805 焊劑，此焊劑為堿性的燒結(jié)焊劑，在焊劑中添加 Cr 元素，以保證焊縫金屬的性能要求，同時(shí)，在焊劑中有一定量的 SiO2,能夠?qū)⒑竸A度控制在 1.7 左右，以減少焊劑的熔化量，減小熔寬波動(dòng)，避免焊道邊緣不良的成型效果，確保焊縫的美觀(guān)。
2） 坡口形式的選擇
在焊接過(guò)程中，坡口的選擇決定焊接變形的大小。雙相鋼具有良好的導(dǎo)熱性及較低的膨脹系數(shù)使得雙相不銹鋼的焊接變形比碳鋼大很多。我們選取常用的鋼板厚范圍：10-18mm，分別選用三種不同板厚，三種不同坡口形式進(jìn)行前期比較試驗(yàn)，通過(guò)埋弧焊焊接后，觀(guān)察其變形程度。板厚分別為 δ=10mm，δ=12mm，δ=16mm，其坡口形式如下圖：
通過(guò)對(duì)以上三組板厚及坡口試板進(jìn)行埋弧焊試驗(yàn)比較，其中 δ=10mm 和 δ=12mm 的雙相鋼板采用雙面單道焊的變形相比于板厚為 δ=16mm 的雙相鋼板的雙面單道焊變形小，其變形大小如下表 4 所示
因此，綜合考慮焊接變形及施工過(guò)程中的焊接效率，我們選用厚度為 δ=12mm，坡口形式如圖 6 所示的雙相鋼板進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)。
雙相不銹鋼的坡口應(yīng)預(yù)先經(jīng)過(guò)很好的準(zhǔn)備，最好采用機(jī)械加工，不宜采用砂輪打磨的方法，要避免坡口表面粗糙與裝配間隙不均勻。
3） 雙相不銹鋼埋弧焊試驗(yàn)
對(duì)于雙相不銹鋼焊接，一般不需要進(jìn)行焊前預(yù)熱，因?yàn)轭A(yù)熱會(huì)降低焊接熱影響區(qū)的冷卻速度，會(huì)導(dǎo)致雙相不銹鋼析出金屬脆性相，從而降低接頭的韌性和耐蝕性。
焊接方法采用埋弧自動(dòng)焊，直流反接，焊前清理焊接接頭坡口附近的水分及油污等雜質(zhì)，采用雙面單道焊形式，待正面焊道焊接完成后，道層間溫度低于 150℃，再翻身焊接背面焊道，其背面留根無(wú)須等離子清根處理，正面焊道的焊速較快，背面焊道的焊縫適當(dāng)減慢，以增加熔深。
由于雙相鋼焊接接頭對(duì)熱輸入大小對(duì)雙相不銹鋼的耐蝕性有非常大的影響。因此，理論上熱輸入量需要控制在 25KJ/cm 以下，如果熱輸入量過(guò)大，焊接接頭的冷卻速度慢，會(huì)在不銹鋼中析出碳化物、氮化物，并形成缺鉻現(xiàn)象，特別是在熱影響區(qū)，會(huì)析出 σ 相等有害相，造成雙相組織的優(yōu)良性能降低，造成韌性和耐蝕性降低，因此必須嚴(yán)格控制熱輸入,實(shí)際焊接焊接參數(shù)如表 5 所示。
通過(guò)使用熱輸入計(jì)算公式：K=UI/V
計(jì)算得：正面焊道的熱輸入為 22——23.6KJ/cm；反面焊道的熱輸入為 26——28KJ/cm。
在焊接完成后，按照 DNV 規(guī)范，分別進(jìn)行外觀(guān)檢查及射線(xiàn)探傷，結(jié)果焊縫尺寸寬度為 25——26mm，余高為 1.5——2mm，表面成型美觀(guān)；射線(xiàn)探傷沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何影響焊縫性能的焊接缺陷，均符合 DNV 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
3 2205 雙相不銹鋼埋弧焊試驗(yàn)結(jié)果分析
1）金相分析
雙相不銹鋼的金相組織為鐵素體及奧氏體，分別取焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材的微觀(guān) 進(jìn)行分析。圖 8 中焊縫區(qū)域中組織為樹(shù)枝晶組織。圖 9 熱影響區(qū)中鐵素體與奧氏體分布 不均勻，但所占比例大致一樣，沒(méi)有出現(xiàn)σ相析出。
2）力學(xué)性能測(cè)試
拉伸試驗(yàn)：如表 6 所示，試樣均斷于母材，斷口均為塑性斷裂，并均無(wú)裂紋，強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率與母材相當(dāng)，焊縫具有良好的韌性。
彎曲試驗(yàn)：如表 7 所示，試樣經(jīng) 180°，4 倍板厚壓頭直徑進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合 DNV 船級(jí)社規(guī)范。
沖擊試驗(yàn)：沖擊試樣取 10×10×55mm 的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，取 4 套試樣，分別焊縫中心、交界、界外 2mm 和界外 5mm，每套 3 根，試樣開(kāi) V 型缺口，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表 8 所示。
硬度試驗(yàn)：根據(jù) DNV 船級(jí)社規(guī)范，雙面焊試樣硬度三條線(xiàn)，均需要覆蓋到焊縫中心、熱影響區(qū)及母材，試驗(yàn)結(jié)果如表 9 所示。
因此，通過(guò)以上金相及力學(xué)性能分析，建議在焊接過(guò)程中熱輸入控制在 25KJ/cm 以?xún)?nèi)，最大不得超過(guò) 30KJ/cm，才能保證雙相鋼理想的相平衡，其次是控制好層間溫度，因?yàn)槔鋮s速度的快慢決定了轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的鐵素體的數(shù)量，同樣也是影響兩相的平衡，導(dǎo)致影響焊接接頭的韌性。
4.結(jié)論
2205 雙相不銹鋼的焊接工藝在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中很少使用，焊接技術(shù)經(jīng)驗(yàn)缺乏，通過(guò)不斷的摸索與焊接試驗(yàn)，保證焊接質(zhì)量，本文對(duì)埋弧焊焊接試驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)及問(wèn)題進(jìn)行了分析與總結(jié)：
1）2205 雙相不銹鋼的焊接對(duì)污染敏感，在焊接前要對(duì)材料進(jìn)行嚴(yán)格的清理，以免使得油污、水分等的污染會(huì)影響材料的抗腐蝕性能。
2）針對(duì) 2205 雙相不銹鋼的變形大的問(wèn)題，埋弧自動(dòng)焊采用雙面單道的焊接方法能夠很好的控制熱輸入，進(jìn)而控制焊接過(guò)程中引起的變形，避免其在船舶建造過(guò)程中引起的變形導(dǎo)致精度控制難度加大，減少在工程建造中的不必要浪費(fèi)。
3）2205 雙相不銹鋼焊接過(guò)程中熱輸入量應(yīng)盡量控制在 25KJ/cm 以?xún)?nèi)，最大不得超過(guò)30KJ/cm，并控制好層間溫度，才能夠保證雙相不銹鋼理想的相平衡，使其力學(xué)性能在規(guī)定的范圍內(nèi)。
本文內(nèi)容來(lái)源于“壓力容器人”
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