摘 要:采 用 鎢 極 惰 性 氣 體 保 護(hù) 焊 工 藝 對(duì) 2205 雙 相 不 銹 鋼 管 進(jìn) 行 焊 接,研 究 了 全 程 采 用 ER2209焊絲、根焊采用 ER2594焊絲所得的焊接接頭的化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性 的差異。結(jié)果表明:與全程采用 ER2209焊絲的焊接接頭相比,根焊 ER2594焊絲的焊接接頭及其 熱影響區(qū)的鉻含量提高了6%~10%,奧氏體相含量增多,兩相組織分布更均勻,力學(xué)性能和耐應(yīng) 力腐蝕性能良好,腐蝕速率降低約95%,且根焊的耐腐蝕性比母材更優(yōu)。因此,采用 ER2594焊絲 進(jìn)行根焊,可有效地解決2205雙相不銹鋼焊縫耐腐蝕性較母材差的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:2205雙相不銹鋼;環(huán)焊縫;顯微組織;力學(xué)性能;耐腐蝕性

中圖分類(lèi)號(hào):TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)07-0023-05

2205雙相不銹鋼是超低碳的中合金奧氏體-鐵素 體不銹鋼,屬于第二代雙相不銹鋼,其顯微組織是由 各占50%體積分?jǐn)?shù)的鐵素體和奧氏體兩相組成,兼 有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn),具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性、優(yōu)良的焊接性能和耐腐蝕性能,已 廣泛應(yīng)用于化工、石油天然氣和化肥生產(chǎn)等領(lǐng)域[1]。

焊接作為2205雙相不銹鋼管的主要連接方式, 焊縫性能的優(yōu)劣將直接影響管線的服役安全。焊接 過(guò)程固有的非平衡短時(shí)局部冶金使焊縫的組織和性 能比母材更差[2-3]。研究表明[4],合金元素、焊接工 藝參數(shù)和固溶處理是影響焊縫組織和性能的主要因 素。李為衛(wèi)等[2]研究了線能量對(duì)2205雙相不銹鋼 焊接接頭耐腐蝕性和韌性的影響;石巨巖等[3]研究 了固溶處理溫度對(duì)2205雙相不銹鋼焊縫組織與韌 性的影響。通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和焊后固溶處 理,2205雙相不銹鋼環(huán)焊縫的力學(xué)性能已達(dá)到甚至 高于母材的力學(xué)性能,但其耐腐蝕性仍較母材更差。 僅通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和焊后固溶處理難以進(jìn)一 步提高焊縫的耐腐蝕性,因此改變合金元素含量成 為了提高焊縫耐腐蝕性的必然選擇。

筆者通過(guò)選擇合金元素含量更高的 ER2594焊 絲進(jìn)行焊接試驗(yàn),并與 ER2209焊絲進(jìn)行對(duì)比,研究 了焊接接頭化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能和耐腐蝕 性能的變化,以解決焊縫耐腐蝕性較差的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試 驗(yàn) 管 材 為 2205 雙 相 不 銹 鋼 管,規(guī) 格 為 ?114mm×5mm(外徑×壁厚),其力學(xué)性能如表1 所示,顯微組織為α(鐵素體)+γ(奧氏體),α相體積 分?jǐn)?shù)約為 50%,無(wú) 析 出 相。試 驗(yàn) 所 用 焊 材 分 別 為 ER2209焊絲(直徑為2.4mm)和 ER2594焊絲(直 徑為1.6mm),其化學(xué)成分如表2所示,符合 AWS A5.9—2017 Welding Consumables-Wire Electrodes,Strip Electrodes,Wires,and Rods forArc WeldingofStainlesand HeatResisting Steels-Classification 的要求。

1.2 焊接工藝

焊接采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)工藝, 其中全程選擇ER2209焊絲的焊接接頭編號(hào)為1號(hào), 根焊選擇 ER2594焊絲、熱焊和蓋面焊選擇 ER2209 焊絲的焊接接頭編號(hào)為2號(hào),具體焊接工藝參數(shù)如表 3所示。兩組焊接接頭均采用 V 形坡口,鈍邊長(zhǎng)為 1mm,雙邊坡口角度為60°,根部裝配間隙為3mm, 錯(cuò)邊量不超過(guò)0.5mm,全程采用99.99%氬氣保護(hù)。

1.3 試驗(yàn)方法

采用 OLS4100型激光共聚焦顯微鏡對(duì)焊接接 頭的顯微 組 織、α相 含 量 和 析 出 相 進(jìn) 行 檢 測(cè);采 用 TESCAN VEGA 型掃描電子顯微鏡(SEM)及其自 帶的INCA-350型 X射線能譜分析儀(EDS)對(duì)焊接 接頭化學(xué)成分進(jìn)行分析;采用 UTM5305型材料試 驗(yàn)機(jī)進(jìn) 行 刻 槽 錘 斷 試 驗(yàn),試 樣 長(zhǎng) 為 230 mm、寬 為 25mm,保留原始焊縫余高,用鋼鋸在試樣兩側(cè)焊縫 端面的中心鋸槽,槽深為3mm;采用 WZW-1000型 彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行背彎試驗(yàn),試樣長(zhǎng)為230mm、寬為 25mm,去除焊縫余高;采用 KB30BVZ-FA 型維氏 硬度計(jì) 進(jìn) 行 維 氏 硬 度 (HV10)測(cè) 試;根 據(jù) ASTM A923-2014StandardTestMethodsforDetecting Detrimental Intermetallic Phase in Duplex Austenitic/FerriticStainlessSteels 中的方法 C 對(duì) 焊接接頭進(jìn)行6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的 FeCl3 點(diǎn)蝕試 驗(yàn),試驗(yàn)溫度為(22±1)℃,試驗(yàn)周期為24h;根據(jù) ASTM G36—2013 Standard Practice forEvaluating Stress-Corrosion-Cracking Resistance of Metalsand Alloysin a Boiling Magnesium ChlorideSolution,采用四點(diǎn)彎曲法對(duì)焊接接頭進(jìn)行 25%沸騰 MgCl2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn),拉應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定最低屈服強(qiáng)度的50%,試驗(yàn)周期為96h;采用 KITE-R型掃描電化學(xué)工作站對(duì)焊接接頭的根焊進(jìn) 行掃 描 振 動(dòng) 電 極 技 術(shù) (SVET)測(cè) 量,試 驗(yàn) 溶 液 為 3.5%NaCl,針尖為10μm 的 Pt/Ir探針電極,位于 試樣上方100μm 處,沿垂直于試樣表面二維運(yùn)動(dòng), 電極振動(dòng)頻率為70Hz,測(cè)量間隙為10ms。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分及顯微組織形貌

1號(hào)和2號(hào)試樣焊接接頭根焊縱截面的 EDS分 析區(qū)域如圖1所示,其分析結(jié)果如表4所示。從表4 可知:與1號(hào)試樣根焊相比,2號(hào)試樣根焊的鉻含量 提高約10%,根焊熱影響區(qū)的鉻含量提高約6%,根 焊鉬含量提高約71%,鎳含量未見(jiàn)明顯變化。圖2 和圖3分別為1號(hào)和2號(hào)試樣不同區(qū)域的顯微組織 形貌,金相檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5可知:與11號(hào)試樣根焊及其熱影響區(qū)(熔合線至0.2mm 內(nèi)) 相比,2 號(hào) 試 樣 根 焊 及 其 熱 影 響 區(qū) (熔 合 線 至 0.2mm 內(nèi))γ相含量增多,γ相分布更均勻,析出更 充分;但與母材相比,2號(hào)試樣根焊和熱影響區(qū)的 γ 相含量仍然偏低、組織偏大且分布較為不均。

2.2 力學(xué)性能

1號(hào)和2號(hào)試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表6所 示。從表6可知:刻槽錘斷試驗(yàn)后斷口未見(jiàn)超標(biāo)缺 陷,背 彎 試 驗(yàn) 后 未 出 現(xiàn) 裂 紋,維 氏 硬 度 均 低 于 300HV,接近母材硬度,但2號(hào)試樣較1號(hào)試樣根 焊硬度略高(見(jiàn)圖4),這是因?yàn)?號(hào)試樣合金元素 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。

2.3 耐腐蝕性能

從1號(hào)和2號(hào)試樣焊接接頭根焊處取樣,分別 進(jìn)行25%沸騰 MgCl2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和6%FeCl3 點(diǎn) 蝕試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表 7。從表 7 可知:與 1 號(hào)試樣相 比,2號(hào)試樣的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能未見(jiàn)差異,試驗(yàn) 后兩組試樣均未斷裂;點(diǎn)蝕試驗(yàn)后放大20倍觀察兩 組試樣仍無(wú)點(diǎn)蝕(見(jiàn)圖5),但2號(hào)試樣的腐蝕速率 較1號(hào)試樣顯著降低,降幅約為95%(見(jiàn)圖6)。利 用SVET(掃描振動(dòng)電極測(cè)試)分別沿1號(hào)和2號(hào)試 樣焊接接頭根焊進(jìn)行縱向掃描,試驗(yàn)結(jié)果分別如圖 7,8所示,其中:X 軸表示焊接接頭縱向,0代表熔合線,負(fù)值表示向焊縫方向掃描,正值表示向母材方 向掃描;Y 軸表示焊接接頭橫向,0代表根焊中部, 負(fù)值表示向內(nèi)壁側(cè)掃描,正值表示向外壁側(cè)掃描,振 動(dòng)范圍不超出根焊;Z 軸表示腐蝕電流,正值表示陽(yáng) 極電流,負(fù)值表示陰極電流。從圖7,8可知,1號(hào)試樣從2h開(kāi)始,其熱影響區(qū)腐蝕電流顯著增大,到 10h后焊縫和母材腐蝕電流逐步提高,這說(shuō)明熱影 響區(qū)首先發(fā)生腐蝕,然后焊縫和母材逐步發(fā)生腐蝕; 而2號(hào)試樣從6h開(kāi)始,其熱影響區(qū)腐蝕電流顯著 增大,到12h后母材腐蝕電流顯著增大,而焊縫腐 蝕電流仍較低,這說(shuō)明熱影響區(qū)首先發(fā)生腐蝕,隨后 母材和焊縫依次發(fā)生腐蝕。與1號(hào)試樣對(duì)比可見(jiàn),2 號(hào)試樣根焊和熱影響區(qū)的耐腐蝕性明顯提高,特別 是根焊的耐腐蝕性已超過(guò)母材。

2.4 綜合分析

從試驗(yàn)結(jié)果分析可知,與全程采用 ER2209焊絲 進(jìn)行焊接相比,采用 ER2594焊絲(根焊)+ER2209 焊絲(熱焊和蓋面焊)進(jìn)行組合焊得到焊接接頭的根 焊及熱影響區(qū)的化學(xué)成分和顯微組織有明顯變化,鉻 含量提高6%~10%,γ相含量增多、兩相組織分布更 均勻;力學(xué)性能未見(jiàn)明顯差異,刻槽錘斷、背彎和硬度 試驗(yàn)結(jié)果無(wú)異常;其根焊及其熱影響區(qū)的耐應(yīng)力腐蝕 開(kāi)裂性能良好,腐蝕速率降低約95%,耐腐蝕能力極 佳,且焊縫較母材的耐腐蝕性更優(yōu)。

2205雙相不銹鋼優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性 能是由其特殊的相結(jié)構(gòu)和相比例決定的[5]。焊接是 一個(gè)短時(shí)復(fù)雜的冶金過(guò)程,其對(duì)2205雙相不銹鋼焊縫的組織和性能轉(zhuǎn)變的影響也十分復(fù)雜。從合金元 素的角度分析,鉻當(dāng)量(wCreq)和鎳當(dāng)量(wNieq)表征 了鐵素體和奧氏體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,兩者的計(jì)算方法 分別如式(1)和式(2)所示[5]

研究表明[5],wCreq/wNieq 的比值越低,則α相越 少,γ 相 越 多。ER2209 和 ER2594 焊 絲 的 wCreq/ wNieq 比值分別為1.90和1.93。由此可見(jiàn),ER2594 焊絲的wCreq/wNieq 比值更高。此外,從兩種焊絲的 化學(xué)成 分 對(duì) 比 可 知,除 合 金 元 素 有 明 顯 差 異 外, ER2594焊絲的氮元素含量更高。氮元素可以顯著 促進(jìn)γ相的形成,對(duì)改善不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐 蝕性非常有效,并改善兩相中鉻、鎳、鉬元素的分布。 因此,在這兩方面的共同作用下,氮元素的強(qiáng)化作用 更加突出,使得 ER2594根焊的γ相含量更多、分布 更加均勻,因此 ER2594焊接接頭也獲得了良好的 力學(xué)性能,力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

雙相比及合金元素含量是影響雙相不銹鋼耐腐 蝕性的關(guān)鍵因素,在雙相比接近的情況下,合金元素 的含量決定了其耐腐蝕性。鉻元素能促進(jìn)雙相不銹因鍛件存在淬透性不均勻等現(xiàn)象,其韌性會(huì)較t/4 位置差。

2.7 制樣與試驗(yàn)過(guò)程

落錘試驗(yàn)過(guò)程的具體參數(shù)為:試樣在冷卻介質(zhì) 中過(guò)冷溫度為1 ℃,試樣保溫時(shí)間為45min,試樣 離開(kāi)冷卻介質(zhì)至打斷的時(shí)間為7s,試驗(yàn)錘能量為 400J,均滿(mǎn)足 ASTM E208-20標(biāo)準(zhǔn)要求。為研究落 錘試驗(yàn)制樣與試驗(yàn)過(guò)程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,制作了多 組試樣并進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表3所示。由表3可知: 在相同試驗(yàn)條件下,熱處理時(shí)間為2h的試樣斷裂情 況出現(xiàn)波動(dòng);熱處理時(shí)間為24h的試樣均未斷裂。

3 結(jié)論

(1)斷裂試樣堆焊預(yù)置裂紋焊道的焊接控制不 穩(wěn)定導(dǎo)致試樣的熱影響區(qū)過(guò)熱。

(2)斷裂試樣的取樣位置更靠近中心,導(dǎo)致其 性能變差。

(3)熱處理時(shí)間對(duì)落錘試驗(yàn)結(jié)果的影響較大。

(4)不同位置的多組試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng),材料 組織的不均勻性對(duì)落錘試驗(yàn)結(jié)果影響較大。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙登志,穆振芬,劉志國(guó),等.核電材料的落錘試驗(yàn)研 究[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),1997,33(1):23-26.

[2] 劉釗,朱喜斌,吉宏林,等.核電裝備制造中落錘試驗(yàn) 的影響因素[J].工程與試驗(yàn),2011,51(4):34-37.

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>7期(pp:23-27)>