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1、精品论文2205 双相不锈钢焊接和焊后热处理工艺研究1昌敬源，石巨岩，谢贵生，林会会，李振荣，于静太原理工大学材料科学与工程学院，太原 (030024)E-mail: 摘要：采用了等离子弧焊（PAW）打底+钨极氩弧焊（TIG）盖面和等离子弧焊（PAW）打底+熔化极氩弧焊（MIG）盖面两种焊接工艺焊接 2205 双相不锈钢，并对焊接接头进行了 固溶处理。对采用两种焊接工艺的焊件进行金相组织、铁素体-奥氏体两相比例、力学性能以及耐点腐蚀性能检测。结果表明：两种焊接工艺都可以保证焊接接头的各项性能均能满足技术要求，TIG 焊盖面的焊接接头铁素体含量低于 MIG 焊盖面，且冲击韧性也优于 MIG 焊
2、盖面，而 MIG 焊盖面的焊接接头的耐点腐蚀性能优于 TIG 焊盖面。关键词：2205 双相不锈钢；TIG 焊；MIG 焊；力学性能；点腐蚀 中图分类号：TG142文献标识码：A0. 引言双相不锈钢是由奥氏体和铁素体两相组成，当两相比例约为 50%时，双相不锈钢将奥 氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高的强度和耐氯化物应 力腐蚀性能结合在一起，使其兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点。2205 双相不锈钢是 20 世纪 70 年代首先由瑞典研制成功，材料牌号为 SAF2205，属于 第二代双相不锈钢。中国在 80 年代初开始研究相当 SAF2205 的 00Cr22Ni
3、5Mo3N 双相不锈 钢，它是一种典型的含 N、超低碳、双相铁素体奥氏体不锈钢，它具有较高的屈服强度(为 奥氏体不锈钢的二倍)及良好的塑性，有良好的低温冲击性能；优良的耐应力腐蚀、晶间腐 蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀性；与奥氏体不锈钢相比，具有导热系数大，线膨胀系数小；可焊性 好，热裂倾向小；钢中含镍量较少，价格相对便宜等优点，使其广泛的应用于化工、石油能 源及海洋等领域，是目前应用最普遍的双相不锈钢材料1-3。本课题是为满足太原钢铁集团不锈钢制品有限公司的 2205 双相不锈钢管生产需要而 开展。分别采用了两种不同焊接方法进行对比，在焊后对焊接接头进行了热处理，研究了焊 缝和热影响区组织及性能变化和
4、奥氏体-铁素体相比例对其的影响。1. 实验材料和实验方法1.1 实验材料实验采用太原钢铁公司生产的 2205 双相不锈钢，其化学成分和力学性能如表 1 和表 2所示。2205 双相不锈钢试板的尺寸为 160mm320mm10mm 。表 1 2205 双相不锈钢的化学成分（质量分数，%）CSiPSMnCrMoNiNFe0.031.000.030.022.0022233.03.54.56.50.150.2余量表 2 2205 双相不锈钢的力学性能材料R0.2(Mpa)Rm(Mpa)A(%)HB2205450620252901本课题得到太原科技局项目 2205 双相不锈钢焊管焊接技术（0602001
5、）的资助。- 6 -1.2 焊接工艺2205 双相不锈钢焊接的关键是保证焊接接头具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，而双 相不锈钢性能的发挥是靠合理的奥氏体和铁素体两相比例，因此需要通过严格的控制焊接工 艺，控制焊接接头的两相比例，以使其得到与母材金属相近的各项性能。1.2.1 焊接方法2205 双相不锈钢的可以采用多种的焊接方法，本试验采用了两种不同的焊接方法进行 研究对比，即：等离子弧焊（PAW）打底+钨极氩弧焊（TIG）盖面和等离子弧焊（PAW） 打底+熔化极氩弧焊（MIG）盖面。打底采用等离子焊，保证单面焊双面成型。盖面采用自 动氩弧焊，按多层焊接规定的顺序，多层数施焊，每次堆焊应清理焊道
6、。试验中使用的等离子焊机为 LINCOLN DC600 型等离子焊机，TIG 盖面使用的焊机是LINCOLN DC400 型焊机，MIG 盖面使用的焊机是 YD-500KR2HGE 型焊机。1.2.2 填充材料 在双相不锈钢的焊接过程中，如果焊缝金属的化学成分与母材相同，在热循环的作用下，焊缝中的铁素体含量会急速增加，甚至出现纯铁素体组织，从而导致氮化物和二次奥氏体的析出，使焊缝的韧性和耐腐蚀性能降低。因此，为抑制铁素体的过量增加，一般采用奥氏体 占优势的焊缝金属来解决4。Ni 是强烈的奥氏体形成元素，因而一般采用的填充材料中 Ni 含量比母材高 24，同时 N 含量略低于母材，以促进铁素体向
7、奥氏体转变，并稳定焊 缝金属中的奥氏体5。所以，本试验选用了 1.6mm 的 2209 焊丝作为盖面时的填充焊丝。1.2.3 焊接工艺参数2205 双相不锈钢要求全熔透，实验中采用 V 型坡口，坡口角度为 60，钝边 5mm，根 部间隙 12mm，平板对接，坡口示意图见图 1。图 1 焊接试件坡口示意图焊接热输入的大小不仅决定焊缝及热影响区的宽度，而且也是决定热影响区的加热和冷 却速度的关键因素。焊接采用高线能量时，尽管会使凝固组织的铁素体晶粒易长大，但是在 此情况下的低的冷却速度却会促使较多的奥氏体转变，可以得到足够数量的奥氏体。相反， 采用低线能量的焊接，即高的冷却速度相对奥氏体的数量也少
8、6。因此，要得到最佳的焊接 热影响区性能必须选择合适的焊接热输入1,4,7。一般 2205 双相不锈钢的推荐焊接热输入为0.52.5kJ/mm8，但是在本实验中，由于焊接后对焊接接头进行固溶热处理，可以部分消除过高热输入带来的不利影响，所以选用的 TIG 焊焊接热输入略高于推荐值。当采用多层多道焊时，后续焊道对前层焊道有热处理作用，使焊缝金属中的铁素体进一步转变成奥氏体，成为以奥氏体占优势的两相组织，同时相邻焊缝的热影响区组织中的奥氏 体含量也增多，从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。然而过高的层间温度会导致焊 缝组织和性能恶化，因此必须要控制最高层间温度4。所以实验中，控制最高层间温度低
9、于100。双相不锈钢材料中的 N 可以增加奥氏体的比例并使其稳定，从而使焊缝具有良好的性 能，但是 2205 双相不锈钢焊接中焊缝表面的 N 损失是不可避免的。所以在焊接 2205 双相 不锈钢时保护气体选用 98%Ar+2%N2，不仅可以起到良好的保护作用，而且可以防止 N 的 损失9、10。具体焊接工艺参数见表 3 所示。焊接过程中注意材料的保护，避免碳钢、铜、低熔点金 属或其它杂质对双相不锈钢的污染，焊道清理采用不锈钢工具。表 3 焊接工艺参数焊层焊接电流 焊接电压 焊接速度保护气体流量层间温度 送丝速度 焊丝直径I/AU/Vv/(mmmin-1)Q/(Lmin-1)T/u/(mms-1
10、)d/mm打底2002203040140160131450100TIG 盖面37040029312002101517501001501601.6MIG 盖面32034024283003201719501002102201.61.3 固溶处理由于使用的填充焊丝的 Ni 含量高，使得焊缝金属的 Ni 含量相应提高，金属间化合物有 加速析出的可能，因此根据 ASTM 标准双相不锈钢焊后热处理程序推荐规范对焊接接头进 行固溶处理，固溶温度 1070，保温 30 分钟，然后以大于 25/s 的冷却速度快速水冷。固 溶之后对焊接接头进行力学性能、耐点腐蚀试验，并进行金相组织观察和铁素体与奥氏体相 比例的测
11、量。2. 实验结果与分析2.1 金相组织和相比例检测2205 双相不锈钢焊接接头必须保证合理的铁素体奥氏体两相比例，才能发挥其性能 满足技术要求。太原钢铁集团不锈钢制品有限公司要求焊缝中的铁素体比例为 40%60%。 因此对 2205 双相不锈钢焊接接头进行了金相组织和两相比例检测。分别从焊接接头上取焊缝和热影响区的金相试样，经磨制、抛光，用王水腐蚀，使用XJP-6A 型金相显微镜进行金相观察，两相比例使用 MP30 型铁素体测量仪检测。图 2 是焊缝处的金相组织，图 3 为热影响区的金相组织。从图 2 中可以看到在焊缝处 MIG 焊的晶粒明显的比 TIG 焊的细小，这是因为试验中 TIG 焊
12、的焊接热输入较高，铁素体 晶粒易于长大，虽进行了固溶处理，仍然大于经过同样处理 MIG 焊缝。用铁素体测量仪测 量铁素体含量：焊缝处为 47.7%（TIG 焊）和 52.6%（MIG 焊），热影响区为 46.7%（TIG 焊）和 53.2%（MIG 焊）。无论是在焊缝还是热影响区 TIG 焊的铁素体含量都要小于 MIG 焊，这同样是因为高的焊接热输入有利于奥氏体的转变。图 2 焊缝的金相组织 (a)TIG 焊 (b)MIG 焊图 3 热影响区的金相组织(a)TIG 焊(b)MIG 焊2.2 力学性能根据GB/2654-89对经过固溶处理的焊接接头试样使用M-400-H1型显微硬度计（载荷25g
13、）测量其显微硬度；根据GB/T228-2002，GB/T229-1994，在JB-300B试验机上进行抗冲 击性能试验（7.5mm10mm55mm，V型缺口，-40）；根据GB/T228-2002和 GB/2653-89， 分别在WE-1000万能试验机上进行抗拉伸性能试验，在ZDM-30万能试验机上进行抗弯曲试 验（d=40mm，=180）。力学性能测试结果如表4所示。表 4 力学性能试验结果焊接方法Rel/Rm/A/断裂正背 Akv /J (-40) HV MpaMpa % 位置 弯 弯焊缝 熔合线 熔合线+5mm焊缝 HAZ 母材TIG盖面56071029.3母材 合格 合格200116
14、112245224234MIG盖面 57073029.5母材 合格 合格147110142236222235注：Akv 值和 HV 值均为每个位置测量三个结果的平均值从表4中可以看到，使用两种不同焊接方法的两组试样的Rel560MPa，Rm710 MPa， A29%，试样均断于母材，根据API SPEC 5LC LC65-2205标准，要求焊接试件在室温下 Rm620MPa，A25%，两种焊接方法的焊接接头都能满足标准要求。ASTM A923标准中要求2205双相不锈钢焊接试样在40每套最小冲击值不低于53J。 如表4所示试验结果表明，采用两种焊接方法焊接的2205双相不锈钢的冲击韧性值均大幅
15、超 过标准要求。冲击值如此高的原因可能是经过固溶处理后，促进奥氏体转变的同时消除了脆 性有害相相，从而提高了焊接试件的冲击韧性。同时可以看到，TIG焊盖面试样的在焊缝 处的冲击值高于MIG焊盖面的试样，其原因是TIG焊盖面试样的铁素体含量较低而奥氏体含量较高，使其冲击韧性更好。2205双相不锈钢焊接的技术要求焊接接头的显微硬度HB290（HV305）,试验结果表明 采用两种焊接方法的试样均满足技术要求。2.3 点腐蚀试验从焊缝、热影响区和母材分别切取尺寸为20mm10mm2mm点腐蚀试样，依据ASTM G84标准进行点腐蚀试验。将试样清理干净称重，然后置于PH=1.3的6% FeCl3溶液中浸
16、泡24h，保持恒温在221，试验后再次称重，计算出试样的腐蚀率腐蚀率（mdd）=失重（mg）/试样面积（dm2）时间（天数）。实验结果见表5，ASTM G84标准中规定腐蚀率不能超 过10mdd。实验结果表明，采用两种焊接工艺的试样均能满足标准要求，而且采用MIG焊盖 面的试样的平均腐蚀率小于TIG焊盖面的试样。这是因为，点蚀电位与奥氏体含量关系密切， 随着奥氏体含量的增多，钢的点蚀电位下降，奥氏体含量比例越高，产生点蚀的机率也越大 11。采用MIG焊盖面的试样无论是焊缝还是热影响区的铁素体含量均要高于采用TIG焊盖面 的试样，所以耐点腐蚀性能稍好一些。表 5 焊接接头的平均腐蚀/mdd焊接方
17、法焊缝热影响区基体TIG 焊盖面1.4681.2720.6404MIG 焊盖面1.1480.8390.57763. 结论（1）采用等离子弧焊（PAW）打底+钨极氩弧焊（TIG）盖面和等离子弧焊（PAW）打 底+熔化极氩弧焊（MIG）盖面两种工艺，焊接2205双相不锈钢均能满足太原钢铁集团不锈 钢制品有限公司要求焊缝中的铁素体比例为40%60%，ASTM A923标准中要求2205双相不 锈钢焊接试样在40的冲击韧性值高于53J以及其它各项技术要求。（2）采用等离子弧焊（PAW）打底+钨极氩弧焊（TIG）盖面得到的焊接接头的焊缝处 和热影响区的铁素体含量均小于采用等离子弧焊（PAW）打底+熔化极
18、氩弧焊（MIG）盖面 的焊接接头。（3）采用等离子弧焊（PAW）打底+钨极氩弧焊（TIG）盖面的焊接接头的冲击韧性优 于MIG焊盖面的焊接接头，而采用等离子弧焊（PAW）打底+熔化极氩弧焊（MIG）盖面的 焊接接头的耐点腐蚀性要稍好于TIG焊盖面。参考文献1 吴玖. 双相不锈钢M. 北京:冶金工业出版社, 1991：3462 陆世英，王增欣等. 不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢M. 北京:原子能出版社, 1985: 232,236, 3213 张建勋，李为卫等. 2205 双相不锈钢焊接热影响区热模拟组织与冲击韧性J. 焊管, 2006, 29(5), 21-244 金晓军. 双相不锈
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20、组织和力学性能的影响J.焊管, 27(3),2004. 520-24.10 Schmidt-Rieder E.Brit . Corros. J. 1996(31) : 13911 侯锐鹏，任万里. 热处理对2205双相不锈钢耐腐蚀性能的影响J. 山西冶金, 2004, 3, 24-25Study on Wedling Process and Post Weld Heat Treatment of2205 Duplex Stainless SteelChang Jingyuan, Shi Juyan, Xie Guisheng, Lin Huihui, Li Zhengrong, Yu Jing
21、 College of Material Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan (030024)AbstractApplying plasma arc welding (PAW) for backing then gas tungsten arc welding (TIG) for the fillingcapping welding and plasma arc welding (PAW) for backing then melting argon arc welding(MIG) for th
22、e filling capping to weld 2205 duplex stainless steel respectively, which were treatd the solution treatment.Testing microstructure, ferrite - austenitic two-phase ratio, mechanical properties and pitting corrosion resistance of welded joints, which has been welded by two welding process. The result
23、s showed that the performance of welded joints by two welding process can guarantee the technical requirements, the welded joints ferrite content of TIG welding lower than that of the MIG welding, and impact toughness superior to that of MIG welding , but the welded joints pitting corrosion resistance of TIG welding is worse than that of MIG welding.Keywords: 2205 duplex stainless steel; gas tungsten arc welding; melting argon arc welding;mechanical properties; pitting corrosion作者简介：昌敬源（1984），男，河南洛阳人，硕士研究生，主要从事双相不锈钢焊接及 热处理工艺的研究。