SAF2205雙相不銹鋼管焊接微觀(guān)組織及力學(xué)性能研究

  浙江至德鋼業(yè)有限公司根據工程需要采用鎢極氬弧焊打底、蓋面、背部充氬保護的焊接工藝，對SAF2205雙相不銹鋼管焊接接頭的金相組織及力學(xué)性能進(jìn)行了試驗和分析。結果表明，選用適當的焊絲及合理的焊接工藝參數并控制熱輸入和層間溫度，所得的焊接接頭的焊縫及焊縫熱影響區域的金相組織為滿(mǎn)足需求的鐵素體加奧氏體雙相組織，其各項力學(xué)性能及理化試驗結果均理想。

 雙相不銹鋼是指金相組織由鐵素體與奧氏體兩種組織構成的不銹鋼。雙相不銹鋼不僅具有奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性、良好的加工性、焊接性，而且還具有鐵素體不銹鋼的高強度和良好的耐氯化物腐蝕等性能，被廣泛用于石油、化工、海洋及電力等行業(yè)中，核電建設在紅沿河海水淡化和田灣核電中都有應有，是非常具有發(fā)展前景的材料之一。雙相不銹鋼焊接的最大難點(diǎn)是焊接過(guò)程中不均勻加熱和冷卻對焊接接頭中組織的影響。因此，有必要研究雙相鋼的焊接工藝，確定焊接工藝參數，保證焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。至德鋼業(yè)研究了SAF2205雙相不銹鋼鎢極氬弧焊打底及蓋面并背部充氬的焊接工藝，并對焊接接頭進(jìn)行了多項高科技試驗。

一、焊接材料與方法

1. 母材與焊接材料

 焊接母材為規格457×14mm的SAF2205雙相不銹鋼管。實(shí)驗中采用鎢極氬弧焊打底、蓋面的焊接方法，背部采用充氬的氣體保護，氬氣純度≥99.99%。

 焊接材料選用鎳質(zhì)量分數高于母材的雙相鋼焊接材料，以確保焊縫中奧氏體相占有優(yōu)勢，焊縫中的鐵素體質(zhì)量分數控制在30%~45%。焊絲選用ER2209￠2.0及￠2.4的焊絲，焊縫坡口角度35°，坡口形式為雙V型，對口間隙2mm~3mm。管材與焊接材料主要元素相比較管材的鉻、鎳、鉬的質(zhì)量分數分別為22.0、5.0、3.0，焊材的鉻、鎳、鉬的質(zhì)量分數分別為21.5/23.5、7.5/9.5、2.5/3.5。

 2. 焊接工藝參數

 SAF2205雙相不銹鋼的焊接性能良好，熱裂紋傾向低，脆化傾向小。為使焊縫和焊接熱影響區能有合適的奧氏體數量以保證焊接接頭有良好的力學(xué)與腐蝕綜合性能，焊接時(shí)必須控制線(xiàn)能量和層間溫度，一般控制在0.5kj/mm~2.5kj/mm。多層多道焊時(shí)，控制層間溫度可避免冷卻速度過(guò)低而引起析出相的產(chǎn)生，焊接時(shí)嚴格制定焊接工藝參數，焊接電流、電壓均參考此專(zhuān)用焊絲的推薦參數，單層焊道的厚度及整體焊縫的焊接層數都嚴格計算并在過(guò)程中嚴格控制。

 焊接時(shí)，保護氣體為體積分數99.99%的氬氣，熔池保護氣體體積流量為10L/min，背面保護氣體體積流量為5L/min，層間溫度不超過(guò)100℃。當焊至第三層的時(shí)候可撤掉背部保護氣體。測量層間溫度時(shí)用遠紅外測溫機，測3點(diǎn)以上的數據，避免使用直接接觸式測溫以免高溫燙傷。焊接記錄見(jiàn)表。

 3. 焊后外觀(guān)檢驗及射線(xiàn)檢驗

 焊接后焊縫的外觀(guān)經(jīng)檢查，符合規范要求，采用搖擺焊蓋面的雙相鋼焊縫的外觀(guān)呈均勻的魚(yú)鱗狀波紋。外觀(guān)合格的焊縫經(jīng)過(guò)RT檢驗結果為RT檢驗Ⅰ級合格（標準為DL/T821-2002）。檢驗合格后的試件拿到精加工車(chē)間加工金相及力學(xué)性能試驗所需的試塊。

二、試驗方法及結果分析

 1. 金相組織觀(guān)察

 對試樣進(jìn)行了宏觀(guān)金相，觀(guān)察了SAF2205雙相不銹鋼管道焊接接頭的焊縫、熱影響區和母材的顯微組織，見(jiàn)圖。從圖可以看出，焊縫與母材之間熔合良好，未見(jiàn)裂紋及未熔合。從圖可以看出，母材SAF2205的微觀(guān)結構中具有鐵素體和奧氏體雙相組織。從圖可以看出，焊縫及熱影響區微觀(guān)組織均為奧氏體+鐵素體雙相組織，并且為觀(guān)察到晶間碳化物和沉淀相。

 圖中灰色基體為鐵素體，白色為奧氏體組織。由于根部冷卻速度快，中部冷卻速度慢，使得鐵素體轉變成奧氏體較充分，所以焊縫中部的奧氏體量比根部要多一些。另外，后續焊道對前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉變?yōu)閵W氏體，故焊縫中部奧氏體量高于焊縫底部的奧氏體量。

 2. 力學(xué)性能試驗

  a. 拉伸試驗

 根據9001標準進(jìn)行試樣制備及拉伸試驗，試驗機型號為濟南材料試驗機廠(chǎng)制造的WWE-60。試樣形狀及其尺寸見(jiàn)圖，拉伸試驗結果見(jiàn)表。

 拉伸試驗結果表明，斷裂均發(fā)生在母材部位，焊接接頭的抗拉強度符合要求，且焊縫強度比母材更好（母材抗拉強度為680MPa），說(shuō)明接頭抗拉強度優(yōu)于母材，其原因有以下兩方面：1）由圖可以看出，母材中鐵素體和奧氏體組織沿軋制方向呈帶狀分布，而焊縫金屬和熱影響區中的鐵素體和奧氏體互相交錯，方向各異，晶界增多，能夠鎖定位錯從而使鋼強化；2）焊縫中的鉻、鉬、鎳原子經(jīng)高溫重熔后能夠置換晶格中的鐵原子，擾亂了原來(lái)的晶格排列，使位錯移動(dòng)困難，從而使鋼強化。因此，焊縫金屬經(jīng)過(guò)多種強化方式后，其強度優(yōu)于母材。

 2. 沖擊試驗

 根據ASTMA370的要求對試樣焊接接頭的焊縫、熔合區和母材進(jìn)行了-20℃的低溫沖擊試驗。沖擊試樣尺寸為10mm×10mm。沖擊試驗結果見(jiàn)表 。

 實(shí)驗要求在-20℃下，試樣的平均沖擊吸收功為50J。試驗的焊縫、熔合線(xiàn)及母材的沖擊韌性均符合要求。雙相不銹鋼焊接接頭由于奧氏體的存在具有良好的沖擊韌性，奧氏體不僅能抑制已產(chǎn)生裂紋的繼續擴展，而且能阻止高溫加熱時(shí)鐵素體晶粒的長(cháng)大。另外，碳、氮等間隙元素在奧氏體相中的溶解度高，與單相鐵素體不銹鋼相比，高溫冷卻時(shí)不易析出碳和氮的化合物，從而抑制了晶界脆化。

 由于沖擊試驗的結果可見(jiàn)，焊縫和熔合線(xiàn)的沖擊功都小于母材，這是由母材金相結構決定的。母材中鐵素體和奧氏體兩相組織約各占一半，并呈帶狀交替分部，較好地抑制了裂紋的擴展。

 3.彎曲試驗

 根據ASME IX的標準，對試樣進(jìn)行了側彎試驗，彎曲角度180°。試驗結果為4個(gè)試樣結果均合格。根據規定，認定彎曲試驗合格。

 4. 接頭硬度測試

 采用FV-7B數字維氏硬度計測量了焊縫、熱影響區以及母材3個(gè)區域中共計27個(gè)點(diǎn)的維氏硬度，測試載荷為10kg。測試點(diǎn)的位置見(jiàn)圖，硬度分部見(jiàn)圖。試驗要求焊縫和熱影響區的硬度值均應小于310Hv10，母材硬度值不超過(guò)285Hv10，測量結果表明焊接接頭硬度符合要求。

 從圖可以看出，焊接接頭熱影響區中靠近熔合線(xiàn)的側量點(diǎn)的硬度值高于熱影響區遠離熔合線(xiàn)的測量點(diǎn)的硬度值。這是因為鐵素體的顯微硬度高于奧氏體的顯微硬度，由于焊接熱循環(huán)的作用，靠近熔合線(xiàn)部分的組織中含有較多的鐵素體，硬度也隨之升高。焊縫區的硬度由頂部到底部大體呈升高的趨勢，這和焊縫區金相組織是相對應的。焊縫底部打底采用的線(xiàn)能量較小，鐵素體轉變成奧氏體不充分，故硬度值稍高。受后續焊道的熱處理作用，相比焊縫中部，焊縫頂部含有較多的奧氏體組織，故硬度值低。

 5. 晶間腐蝕

 依據GB/T4334-2008，加工試樣并將樣品在晶間腐蝕試驗裝置中進(jìn)行浸泡、煮沸試驗后，在200倍顯微鏡下觀(guān)察，未發(fā)現晶間腐蝕裂紋。

 6. 鐵素體含量測定

 依據GB/T13305-2008，加工試樣并對試樣進(jìn)行研磨、拋光，在500倍顯微鏡下測定試樣檢查面上鐵素體相面積百分含量。如下表所示，對焊縫部位選取5個(gè)視場(chǎng)測定鐵素體含量，記錄測定值并計算平均值。

三、結論

 對SAF2205雙相不銹鋼管進(jìn)行氬弧焊焊接，當選用比母材鎳質(zhì)量分數高的雙相鋼焊接材料，線(xiàn)能量在1.5kj/mm以下，層間溫度控制在100℃以下時(shí)，可獲得性能良好的焊接接頭。焊接接頭的各項力學(xué)性能均符合標準，焊縫強度比母材更好，具有良好的沖擊韌性，焊縫和熱影響區的硬度較母材偏高。晶間腐蝕及鐵素體含量的測定更加肯定了雙相鋼焊縫組織完全符合要求。