焊接参数对2205双相钢焊接接头理化性能的影响

马蕊　暴春娟　孙忠国

摘 要：2205双相不锈钢凭借优越的力学性能和耐蚀性能已得到广泛应用，双相钢的焊接技术也随着行业的发展而得以深入，该材料焊接工序复杂，工艺要求高，加上双相钢设备焊接的特殊性和现场条件的限制，施焊难度很大，为了保证焊接接头的优良性能，控制焊接热循环，注意焊接的质量控制要点成为了焊接施工的关键。以本文主要分析的就是焊接参数对2205双相钢焊接接头理化性能的影响，进而提出以下内容，希望能够为同行业工作人员提供相应的参考价值。

关键词：焊接参数；2205；双相焊接；接头理化性能；分析

1导言

双相不锈钢焊接接头的力学性能及耐点蚀性能与焊缝中的两相比例密切相关，而焊接热输入则对双相组织的平衡起着关键作用。由于双相不锈钢在高温固态下是稳定的铁素体组织，冷却过程中才会生成奥氏体，焊接时若使用过小的热输入，热影响区的快速冷却将导致奥氏体来不及析出，铁素体含量过高，冲击韧性下降；若使用过大的热输入，则会使冷却速度太慢，延长焊缝高温停留时间，虽然能够得到足够的奥氏体，但会导致铁素体晶粒长大以及σ相等脆性相的析出，造成焊接接头脆化。

2 2205双相钢高压空冷器制造技术要求

2.1采用比标准更严格的硬度值控制以及更合适的硬度检测方法

2.1.1硬度值控制

大多标准中对2205材料规定硬度值均在HRC29-HRC31，较高的硬度对材料的轧制、焊接及使用会产生不利影响，从出现损伤的设备实际检测中，其硬度值可达到HRC30以上。因此，在采用2205材料制造加氢高压空冷器的技术要求中应提出硬度控制要求，从产品的实际数据来看，母材和焊接接头的硬度值控制在不大于HRC25更为合适。

2.1.2硬度检测方法

双相钢的硬度检测方法目前主要采用Rock-wellC和Vickers两种方法，由于双相钢材料的特性，一般不采用HBW。维氏硬度和洛氏硬度之间的换算关系也不能采用ASTME140的规定。

2.2腐蚀试验方法的选择及要求

用于炼油设备的双相钢腐蚀试验主要有ASGM48-2003《使用三氯化铁溶液测定不锈钢及合金耐点蚀和抗缝隙腐蚀试验的标准方法》。该试验方法主要用于评定材料耐点蚀开裂的最低临界温度（CPT），国内相对应的标准为GB/T17897-1999。对于2205双相钢，采用ASTMG48-2003时，通常采用标准规定的方法E。如果需要评价2205双相钢的抗缝隙腐蚀（CCT）的能力，可采用该标准的方法B。在双相钢的应用工况中，介质中通常含有氯离子和硫化物，因此需要评价双相钢耐氯离子腐蚀（CSSS）和抗硫化物应力腐蚀（SCC）的能力。耐氯离子腐蚀（CSSS）试验可采用ASTMG36-1994《金属和合金在沸腾氯化镁溶液中抗应力腐蚀破裂的评定》，国内对应的标准为YB/T5362，两个标准只规定了试验方法，对于合格标准需要供需双方商定。抗硫化物应力腐蚀（SCC）试验通常采用NACETM0177《金属耐硫化物应力腐蚀开裂和在硫化氢介质中应力腐蚀开裂的试验方法》，国内对应标准为GB/T4157。其合格标准可采用外加应力在0.8Rm条件下试样720h不断裂的要求。

3试验材料和方法

3.1 试验材料

试验母材选用宝钢特钢有限公司的 2205 双相不锈钢钢板，制造标准为 ASME SA-240M-2010，交货状态为固溶+酸洗钝化，规格为 15 mm×150 mm×800 mm。选择焊接材料时既要保证焊缝金属的力学性能不低于母材力学性能的标准值，又要保证焊缝金属具有良好的两相比例及耐点蚀能力。根据这一原则以及 ASME 标准Ⅱ卷 C 篇规定，本试验选用安泰科技股份有限公司生产的焊条 E2209（φ4.0 mm）。母材及焊材的化学成分及力学性能分别如表 1 和表 2 所示。

3.2焊接工艺

采用焊条电弧焊，由于过低或过高的热输入均会给焊缝和热影响区的组织和性能带来不利影响，焊接时必须严格控道间温度小于等于150℃，热输入5～15 k J/cm。选取两对试件，分别采用两组不同的焊接参数进行焊接，具体焊接工艺参数如表3所示。试件采用数控等离子切割下料，刨边机加工坡口。焊前使用丙酮清理坡口表面及其周边50 mm范围内的油污，道间清理采用不锈钢专用钢丝刷以保证焊接前焊道状态良好，无影响焊接质量的夹杂、污染等。

3.3检测项目

3.3.1無损检测

焊后按ASME标准第Ⅴ卷第6章的要求对试件表面进行100%PT检测，焊缝表面无裂纹、气孔、咬边等缺陷；对试件进行100%射线透照检测，射线底片显示无裂纹、夹渣、气孔、未熔合和未焊透等缺陷。

3.3.2理化性能试验

为了系统考察不同热输入对2205双相不锈钢焊接接头综合性能的影响，对试件进行了一系列理化性能试验，具体为：（1）按照ASTM E8-2016进行焊接接头拉伸试验；（2）按照ASTM E190-2014进行焊接接头横向侧弯试验；（3）按照ASTM E23-2016进行焊缝及热影响区的夏比V型缺口低温冲击韧性试验；（4）按照ASTM G48-2015 A法进行焊接接头的Fe Cl3点蚀试验；（5）使用根据AWS A4.2M-2006校准过的FER ITSCOPE FMP30铁素体仪测量焊缝区的铁素体含量；（6）按照ASTM E407-2015检验焊缝及热影响区的微观金相组织。

4结果与分析

4.1力学性能试验结果

4.1.1 拉伸试验结果

焊接接头拉伸试验结果如表 4 所示。抗拉强度均高于母材（748 MPa），断口均在母材上，试样照片如图 2a、2c 所示，断口未见明显的可视性缺陷，说明两对试件的焊接接头拉伸性能均良好。试件 S2 的抗拉强度略高于 S1，说明随着热输入的增加，焊接接头的抗拉强度呈下降趋势。

4.1.2弯曲试验结果

弯曲拉伸试验结果如表 5 所示。8 件试样经弯曲 180°后用 10 倍放大镜观察，受拉面无裂纹等缺陷，说明两对试件的焊接接头弯曲性能良好，热输入的增加或减少未给焊接接头的塑性带来不利影响。

4.2铁素体及微观金相試验结果

4.2.1 耐 Fe Cl3点蚀试验结果

两对试件各取一件试样进行耐 Fe Cl3点蚀试验，试样包含母材、热影响区及焊缝区。将试样置于600 m L 的 6%Fe Cl3溶液中，恒温 50 ℃连续试验72 h，由腐蚀结果可知，随着热输入的增加，试样的耐点蚀性能略有提高，点蚀大部分发生在热影响区，因此热影响区是焊接接头耐点蚀性能的薄弱区。

4.2.2 铁素体含量

使用根据 AWS A4.2M-2006 校准过的FERITSCOPE FMP30 铁素体仪分别测量两对试件焊缝区的铁素体数及铁素体百分含量。检测结果表明，随着热输入的增加，焊缝区的铁素体含量呈下降趋势，说明延缓冷却速度可以延长铁素体向奥氏体的转变温度区间，从而使更多的铁素体转变为奥氏体。

5结论

随着焊接热输入量的增加，2205 双相不锈钢焊接接头的抗拉强度降低，焊缝区的铁素体含量降低，焊缝及热影响区的冲击韧性提高，耐点蚀性能略微升高。热影响区的低温冲击韧性虽然略优于焊缝区，却是点蚀的高发区，是焊接接头的薄弱区。通过合理控制焊接参数（即热输入量），可以获得最优的双相比例以及综合性能良好的焊接接头。

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（作者单位：大连万阳重工有限公司）