双相不锈钢在不同焊接位置下接头性能研究

聂加俊，王龙富

芜湖造船厂有限公司 安徽芜湖 241001

1 序言

芜湖造船厂有限公司承建的28000化学品船货舱区域采用双相不锈钢材料2205，双相不锈钢不仅具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的性能优点，而且也进一步克服了奥氏体不锈钢所固有的焊接热裂倾向大、抗晶间腐蚀性能差、氯离子环境下的应力腐蚀抗力明显不足以及铁素体不锈钢焊接性差、耐点腐蚀性能较低等常见问题[1]。2205属于典型的双相不锈钢，其奥氏体和铁素体体积分数各占一半。通过焊接加工，焊接接头区域（焊缝区、熔合区、热影响区）的双相组织体积分数及金属化合物析出直接影响接头的性能，特别是点腐蚀性能。

众所周知，焊接位置的不同直接影响焊接热输入大小，过大热输入则会使冷却速度太慢，延长了焊缝高温停留的时间，虽然得到足够的奥氏体，但会导致晶粒长大以及σ相等脆性相的析出，造成焊接接头脆化；过小的热输入，冷却速度过快，奥氏体析出不足，铁素体含量过大，导致韧性不足[2，3]，因此必须选择适合的热输入。本试验通过控制横焊及立焊位置的热输入，从而确定满足使用性能的热输入范围。

2 试验材料及方法

试验选用的材料为新日铁公司提供的双相不锈钢2205板材，制造标准、交货状态为固溶处理+酸洗钝化，规格为14mm×150mm×450mm。焊接材料首先满足力学性能要求，同时也应满足点腐蚀要求。为此，焊材选择φ1.2mm的AVSTA药芯焊丝FCW2205-PW进行试验，2205双相不锈钢、焊材的化学成分及力学性能见表1、表2。

3 焊接坡口及参数

采用等离子数控切割对板材下料、机械加工坡口，为提高生产效率，本次试验采用单面焊双面成形方式，反面垫陶瓷衬垫，接头形式如图1所

表1 2205双相不锈钢及焊材的化学成分（质量分数） （%）

表2 2205双相不锈钢及焊材的力学性能

示。由于板材较厚，焊接时采用多层多道焊形式。焊前对坡口周围30mm范围进行打磨并用丙酮或者无水酒精擦洗。道间清理用不锈钢钢丝刷，以保证每道焊道清洁。焊接参数见表3，层间温度控制在60~100℃之间。由表3可知，立焊采用的热输入明显高于横焊。

图1 坡口形式

表3 焊接参数

4 检测项目

（1）无损检测 焊接完成后对焊缝区域进行射线和渗透检测，射线底片显示焊缝无裂纹、未熔合、夹杂及气孔等缺陷，检测结果表明，试板无缺陷，符合要求。

（2）性能试验项目 为系统测试接头综合性能，根据船级社规范要求（CCS），对接头进行拉伸、弯曲、冲击、硬度性能测试及抗点腐蚀试验项目，同时测定铁素体含量及金属化合物。

5 试验结果及分析

（1）力学性能试验结果 根据船级社规范要求，每个位置选取拉伸试样2件，进行拉伸试验 。冲击试验分别取在焊缝、熔合线、距熔合线2mm及5mm位置，试验数据见表4。

由表4可知：拉伸断裂处均在焊接热影响区域，横焊的抗拉强度高于立焊，焊缝区域的韧性基本相同。一般认为奥氏体较铁素体韧性要好，铁素体含量测定结果显示：立焊的铁素体含量低于横焊，虽然奥氏体析出较多，但立焊奥氏体晶粒度与横焊比较，较为粗大，所以焊缝区域的韧性基本相当。拉伸断裂处均在热影响区域，立焊数值低于横焊，由于在热影响区发生奥氏体二次转变，在冷却速度较慢情况下，出现了粗大晶粒等现象，降低了接头强度。

表4 力学性能试验结果

（2）铁素体含量及点腐蚀 对横焊、立焊接头区域进行铁素体含量测定，要求铁素体含量（体积分数）为30%~70%，测定方法按照ASTM E562—2011，各个区域测量结果见表5。

由表5可知，立焊焊缝区域的铁素体含量明显低于横焊，热影响区基本相同，根据Fe-Cr-Ni三元相图，双相不锈钢焊缝区域在冷却凝固初期都是铁素体相；冷却凝固时，奥氏体相在铁素体相基体中析出，该阶段时间越长，奥氏体析出越充分，同时晶粒粗大可能性就越大。所以较大热输入，对冷却速度有一定的影响，导致了奥氏体含量变高，而对于较厚板材的焊接都采用多层多道焊，后道焊缝对前道焊缝有热处理作用，使得奥氏体充分析出，导致形成奥氏体含量超过铁素体的结果，并可能带来晶粒粗大。而热影响区虽然受到焊接热量影响，但温度较低，时间较短，双相之间的变化不明显，该区域的双相比例基本不会发生变化。

表5 铁素体含量（体积分数） （%）

点腐蚀试验标准参考CCS材料与焊接参数，配制好6%三氯化铁作为腐蚀液，溶液PH值控制在1.3。试验温度22℃（精度要求在1℃），保持24h[4]。腐蚀完成后进行称重（精度到1mg）。腐蚀试验结果见表6。

表6 腐蚀试验结果

由于立焊铁素体含量较低，导致了抗点腐蚀程度降低，由表6可知，立焊的腐蚀率高于横焊，但在规范要求范围之内，所以满足产品性能要求。

（3）金属化合物测定 对试样的焊缝及热影响区进行金属化合物测定，双相不锈钢金属化合物大多是高温时间停留过长而产生，金属化合物等杂质相的出现对接头的腐蚀及力学性能都带来很大的影响。通过电镜观察，接头区域未出现金属化合物（见图2）。

图2 接头区域组织

（4）硬度 对立焊、横焊位置的接头进行硬度测试，各区域硬度分布如图3所示

图3 接头各区域硬度分布

由图3可以看出，热影响区及熔合区域硬度基本相同，而焊缝区域下降，在同样区域横焊的硬度高于立焊，说明大热输入带来硬度相对下降，这主要和奥氏体含量有一定关系。

6 结束语

1）立焊的热输入较大，使冷却速度较慢，焊缝区域产生的奥氏体含量要高于铁素体，因此硬度低于横焊焊缝的硬度。

2）立焊位置铁素体含量较低，耐点腐蚀效果要低于横焊；合理的热输入是保障双相组织含量比例的重要因素。

3）热影响区在焊接热作用下，发生了奥氏体二次转变，立焊冷却速度较慢，出现了力学性能下降现象。

4）不同位置采用的热输入应控制在最小（横焊）和最大（立焊）范围内，即可得到满意的接头。