双相不锈钢2205的焊接工艺对铁素体含量的影响

李超胜 刘宝锋

摘要：文章通过对2205双相不锈钢性能分析，制定合理的焊接工艺，同时采用两种不同的焊接方法进行施焊，并对其进行各种性能检测。结果表明，由于焊前制定了良好的焊接工艺，层间温度控制严格，焊接试板性能优良，铁素体含量满足技术要求，抗晶间腐蚀和耐点蚀性能好，能应用到生产制造中。

关键词：双相不锈钢；焊接工艺；铁素体；抗晶间腐蚀；耐点蚀性能 文献标识码：A

中图分类号：TG142 文章编号：1009-2374（2016）18-0066-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.033

我公司在制作加氢反应器时（管板、换热管材质为双相钢），由于设计文件对焊缝的铁素体数要求为在35FN～65FN，还必须进行耐晶间腐蚀试验（按E法进行，试验标准GB/T 4334-2008）和耐点蚀性能试验（不锈钢三氯化铁法，试验标准GB/T 17897-1999）。因此为了保证焊接质量，特意对其焊接性能做了研究，进行了焊接工艺评定，满足了技术要求，并将工艺应用到产品制造中，获得了成功。

1 材料性能

2205双相不锈钢由于具有奥氏体+铁素体双相组织，且两个相组织的含量基本相当，故兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。屈服强度可达400～550MPa，是普通奥氏体不锈钢的两倍。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的韧性高，脆性转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时又保留了铁素体不锈钢的一些特点，如475℃脆性、热导率高、线膨胀系数小，具有超塑性及磁性等。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的强度高，特别是屈服强度显著提高，且耐孔蚀性、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也有明显的改善。

2 焊接性能

2205具有良好的焊接性，冷裂纹和热裂纹的敏感性较小。焊接前不预热，焊后不进行热处理。焊接参数及焊材选择合适时，焊接接头具有良好的力学性能。

3 焊接工艺评定

根据2205的材料性能及焊接性能，分别制作了2组工艺评定，规格为500×200×10mm。选用的焊接方法一组为钨极氩弧焊（GTAW），另一组为焊条电弧焊（SMAW）。

3.1 焊材的选择

双相不锈钢选用的焊材，其特点是焊缝组织为奥氏体占优的双相组织，主要耐蚀元素（铬、钼等）含量与母材相当，从而保证与母材相当的耐蚀性。为了保证焊缝中奥氏体的含量，通常是提高镍和氮的含量，也就是提高约2%～4%的镍当量。在双相不锈钢母材中，一般都有一定量的氮含量，在焊材中也希望有一定的含氮量，但一般不宜太高，否則会产生气孔。这样镍含量较高就成了焊材与母材的一个主要区别。

根据耐腐蚀性、接头韧性的要求不同来选择与母材化学成分相匹配的焊材，因此焊丝选用哈尔滨焊接研究所生产的氩弧焊丝ER2209，规格Φ2.0mm；焊条选用天泰生产的E2209-16，规格Φ3.2mm。

3.2 坡口形式与尺寸

根据板材规格，坡口形式采用机械加工成单V形坡口，坡口形式如图1所示：

3.3 焊接参数

评定选用的焊接参数见表2：

焊接时，为了确保道间温度≤60℃，采用强制冷却的方式降低道间温度。前道焊接完成后，立即使用湿毛巾来回擦拭焊缝两侧母材，直至温度降至60℃以下。在这种道间温度下施焊，焊缝表面白中泛着金黄色，而非焊接奥氏体不锈钢时温度过高焊缝表面经常出现的天蓝色或淡蓝色。采用钨极氩弧焊（GTAW）时，正面与背面（打底焊）都应充

氩气保护，氩气纯度在99.99%以上，高纯度可防止氧化。

3.4 理化试验

根据所选用的焊接参数进行施焊，焊接完成后进行理化试验。

3.4.1 力学性能试验和弯曲试验。根据《承压设备焊接工艺评定》（NB/T 47014-2011）规定，截取试样，进行下列实验：

第一，拉伸试验。2件试板拉伸试样各2件，钨极氩弧焊（GTAW）抗拉强度为826MPa和834MPa；焊条电弧焊（SMAW）抗拉强度为853MPa和867MPa。

第二，弯曲试验。面弯试样各2件，背弯试样各2件，弯心直径40mm，弯曲角度180°。经检测无超过3mm开口缺陷。

3.4.2 焊缝铁素体含量测定。由于2205是双相不锈钢，铁素体约占50%左右，技术协议要求焊缝铁素体数为35～65FN。检测时，分别采用三种方法进行检测，分别是铁素体磁性仪、WRC-1992图法和舍夫勒（Schaeffler）图法。前一种为磁性法，后两种方法均为化学分析法。

第一，磁性法。采用校准过的铁素体磁性测定仪分别对2组试板焊缝表面测量铁素体数，测量了5处（每处6个点），得到的铁素体数见表3和表4：

铁素体数满足设备技术协议要求的35～65FN。

第二，化学分析法。

WRC-1992图法。从WRC-1992图可以看出，横坐标为铬（Cr）当量，即把焊缝金属中这些合金元素的含量折算成铬的相当含量，其计算公式为：

Creq=Cr+Mo+0.7Nb

图中纵坐标为镍（Ni）当量，即把焊缝金属中这些合金元素的含量折算成镍的相当含量，其计算公式为：

Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu

式中的元素符号为该元素在钢中的含量。当确定所需的7种合金元素的化学成分含量后，将其折算成铬当量和镍当量，然后根据铬当量和镍当量的值，在不锈钢组织图上找出相应的点。根据化学分析，得到7种合金元素含量见表5：

根据公式，将合金元素含量代入公式，得到镍当量与铬当量含量。从WRC-1992图法查询得到的铁素体数即：钨极氩弧焊（GTAW）焊缝铁素体数为60FN，焊条电弧焊（SMAW）铁素体数为40FN，皆满足技术协议要求。

舍夫勒（Schaeffler）图法。由舍夫勒图得出，横坐标为铬（Cr）当量，即把焊缝金属中某些合金元素的含量折算成铬的相当含量，其计算公式为：

Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb/%

图中纵坐标为镍（Ni）当量，即把焊缝金属中某些合金元素的含量折算成镍的相当含量，其计算公式为：

Nieq=Ni+30C+0.5Mn/%

式中的元素符号为该元素在钢中的含量。当确定所需的7种合金元素的化学成分含量后，将其折算成铬当量和镍当量，然后根据铬当量和镍当量的值，在不锈钢组织图上找出相应的点。根据检测得到7种合金元素含量，见表6：

根据图中公式，将合金元素含量代入公式，得到镍当量和铬当量。从舍夫勒（Schaeffler）图法得到的铁素体含量：钨极氩弧焊（GTAW）焊缝约为45%；焊条电弧焊（SMAW）焊缝约为50%，都满足技术协议要求。

3.4.3 晶间腐蚀试验。根据GB/T 4334-2008中E法（硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法）进行晶间腐蚀性能试验。试样经过16h腐蚀后，进行弯曲试验。弯曲后的试样在10倍放大镜下观察弯曲试验外表面，未发现因晶间腐蚀而产生的裂纹。

3.4.4 耐点蚀试验。双相钢点蚀性能试验采用不锈钢三氯化鐵法，试验标准GB/T 17897-1999。试样经24h浸泡，计算腐蚀率。

腐蚀率=

式中：

W前——试验前试样重量，g

W后——试验后试样重量，g

S?——试样总面积，m2

t——试验时间，h

根据计算，钨极氩弧焊（GTAW）试样腐蚀率为0.0011g/（m2·h）；焊条电弧焊（SMAW）试样腐蚀率为0.0015g/（m2·h）。

4 结语

（1）采用良好的焊接工艺既可以满足技术协议要求的铁素体含量，也可以获得优良的力学性能焊接接头，同时焊缝的耐晶间腐蚀性能、耐点蚀性能也同样满足要求；（2）使用镍含量比母材高、氮含量与母材相当的填充金属对铁素体的含量增加也产生影响；（3）采用两种不同的焊接方法均可满足焊接技术要求；（4）理想的双相钢组织应为铁素体和奥氏体各占50%，但实际上双相组织在30%～60%都是正常的，都能满足生产需要。

参考文献

[1] 金属和合金的腐蚀——不锈钢晶间腐蚀试验方法（GB/T 4334-2008）[S].

[2] 不锈钢三氯化铁点蚀试验方法（GB/T 17897-1999）[S].

[3] 北京石油化工工程有限公司.双相不锈钢（S22053）列管式反应器管束工程技术条件[S].

[4] 邢卓.双相不锈钢2205的焊接[J].管道技术与设备，2006，（1）.

作者简介：李超胜（1981-），男，安徽砀山人，陕西化建工程有限责任公司工程师，在职研究生，研究方向：非标设备制造。

（责任编辑：蒋建华）