浙江至德鋼業(yè)試驗研究所采用的雙相不銹鋼為瑞典三特維克和阿維斯坦公司生產(chǎn)的SAF2205（ASTM 24000，UNSS31803），其化學成分見表，ASTM標準要求的力學性能和化學成分見表。母材鋼板由軋輥機軋制而成，其金相顯微組織如圖所示，其中灰色基體為鐵素體(α)組織，白色為奧氏體(γ)組織。兩相組織各占一半，并且呈帶狀交替分布。

 實驗中采用的手工電弧焊，焊條為E2209，直徑為Φ4.0mm；鎢極氬弧焊，焊絲為ER2209，直徑有Φ2.0、4.0mm兩種，焊接填充材料的化學成分見表。所選焊絲的化學成分中，鎳含量比母材高出3~4%，這樣有利于獲得合適的雙相比例。

一、焊接方法和焊接過程

 1. 焊接設(shè)備

  本實驗中采用鎢極氬弧焊對2205雙相不銹鋼進行焊接工藝研究，并與采用手工電弧焊獲得的接頭進行性能對比。實驗中所采用的焊機型號為WSME~500型逆變式手弧/氬弧焊機，由山大奧太有限公司生產(chǎn)，如圖所示。由于焊接試驗采用的保護氣體中含有一定量的氮氣，會加速鎢極的燒損。因此，鎢極選用直徑為Φ4mm的釷鎢極。

 2. 焊前準備

  將母材試板的尺寸加工為300mm×130mm×8mm，按照圖所示對試板進行坡口加工。其中，圖所示的X形坡口形式，是用于接頭的耐腐蝕性實驗，與采用V形坡口獲得的接頭進行對比。焊前采用機械和化學清洗的方法，對焊接坡口及其兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)的氧化皮、油脂、灰塵、水和污染物等進行徹底清理。并使用自行配置的酸液對坡口內(nèi)側(cè)進行必要的酸洗，以徹底消除雜質(zhì)等對焊縫金屬的影響。酸洗溶液的配方為：35%HNO₃+3%~5%HF。酸洗方式為：室溫下，使用酸洗液對坡口內(nèi)側(cè)進行10~15分鐘酸洗。在坡口加工和打磨的過程中忌用高碳的砂輪或者砂紙。

 3. 焊接過程

  SAF2205雙相不銹鋼是含高氮的不銹鋼之一，在采用純氬氣作保護氣體的GTAW焊中，焊縫接頭內(nèi)不可避免地發(fā)生氮損失。為了防止氮的損失，試驗中采用在氬氣中加入適量氮氣的方法。不過，保護氣氛中添加過高的氮氣含量，易造成鎢極的燒損，并且容易在焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔。依據(jù)目前的研究報道，本實驗中分別采用Ar、Ar+1.5%N₂、Ar＋2.0%N₂、Ar+2.5%N₂、Ar+3%N₂、Ar+3.5%N₂幾種混合氣體保護進行接頭的焊接工藝實驗。由于接頭根部通常是焊接的一個弱點，易產(chǎn)生氧化，不利于獲得良好的組織性能，因此，焊接過程中采用純氬作為根部保護氣體，流量為10L/min。在施焊進行前，先打開保護氣體閥，然后引燃電弧，不同保護氣體下的接頭焊接工藝參數(shù)如表所示，保護氣體流量為10L/min。由于焊接熱輸入對焊接效率、焊縫成形及焊接接頭質(zhì)量有很大影響，主要表現(xiàn)為：小的熱輸入將造成冷卻速度快，使焊縫金屬中的鐵素體相含量增加；而過大的熱輸入易造成焊縫金屬過熱，導致鐵素體晶粒粗大，這樣就使焊接接頭很難保持雙相不銹鋼所具有的優(yōu)良性能。所以，工藝實驗時，在相同的保護氣體下，通過改變焊接電流，研究了不同熱輸入對獲得接頭組織和性能的影響。GTAW焊為氬+氮混合氣體保護，并與采用純氬保護的GTAW焊和SMAW進行對比，表為不同熱輸入量下的接頭焊接工藝參數(shù)，保護氣體流量為10L/min。

  本文中除用作腐蝕實驗的對比試樣外，其余接頭試樣均采用單面焊雙面成形。多層焊時對層間溫度應控制得當，這樣后一道焊縫可起到降低前道焊縫冷卻速度的作用，有利于焊縫金屬中γ相的形成，但過高的層間溫度會造成焊縫組織和性能惡化。因此，層間溫度應控制在150℃以下。

  進行雙相不銹鋼焊接工藝試驗時，除了應嚴格按照確定的工藝控制焊接參數(shù)外，還要執(zhí)行下列焊接注意事項和操作技巧，才能保證現(xiàn)場的焊接質(zhì)量。

  a. 焊接時焊槍不擺動，焊接速度適當加快。

  b. 采用大直徑噴嘴，加大保護氣體流量，提高氣體保護效果。

  c. 采用非接觸式高頻引弧，防止產(chǎn)生脆性組織。

  d. 引弧須在坡口內(nèi)進行，不允許擦傷母材。被擦傷部位需進行打磨、探傷，然后酸化、鈍化處理。

  e. 蓋面焊縫必須一次焊接完成，以確保焊縫組織均勻。

  f. 層間溫度小于150℃，層間進行空冷，嚴禁在試件上用水冷卻。

  g. 清理工具如鋼絲刷、刨錘等一律由雙相不銹鋼制成，打磨用的砂輪必須專用于打磨雙相不銹鋼。不能讓雙相不銹鋼與一般鋼材直接接觸，否則，由于雙相不銹鋼粘有鋼材粉末或鐵屑，會造成點蝕。只有嚴格控制焊接過程中的各個要素、焊工操作規(guī)范和環(huán)境條件，才能保證獲得良好的焊接質(zhì)量。

 4. 焊后處理

 在接頭焊縫未完全冷卻時，用雙相不銹鋼鋼絲刷去除焊縫表面的飛濺以及氧化皮。待冷卻后觀察焊縫表面形貌，并拍攝接頭表面形貌照片。

 二、獲得接頭的實驗分析

  采用多層多道焊，焊縫經(jīng)過多次的熱循環(huán)，易造成獲得接頭組織與性能的不均勻。在對接頭進行性能測試的過程中，合理的截取試樣有利于確切的反應實驗結(jié)果。

 1. 拉伸實驗

  為了測定獲得接頭的抗拉強度和延伸率，按照TB4708-2000標準從接頭部位截取試樣進行拉伸試驗，拉伸試樣尺寸如圖所示。每種焊接工藝分別取3~5個試樣進行拉伸試驗，最后取其平均值作為接頭的抗拉強度，并測量接頭試樣拉伸后的延伸長度。拉伸和彎曲實驗在WDW-20型萬能拉伸試驗機上進行。

  2. 彎曲實驗

  根據(jù)ASME IX標準，截取接頭試樣進行彎曲性能測試，每種工藝參數(shù)下分別取四塊進行彎曲實驗，面彎（FB）和背彎（RB）各兩塊，彎曲角度為180°。

  3. 顯微硬度測定

  試樣經(jīng)過磨制、拋光和腐蝕后，在HXS-1000A顯微硬度計上測定從“焊縫金屬—熱影響區(qū)—母材”的顯微硬度值分布。測量點之間的距離約為0.5mm。測試條件為：加載荷載為100g，保荷時間為15秒。

 4. 斷口形貌分析

  采用Quanta200型掃描電鏡對拉伸試樣的斷口形貌進行掃描觀察，比較不同的保護氣體和焊接熱輸入量對接頭斷口形貌的影響。與此同時，采用Quanta200能譜儀對接頭微區(qū)的化學成分進行分析。

 5. 金相組織觀察

 對在獲得的接頭經(jīng)磨平、拋光、腐蝕后制備成金相試樣，用光學顯微鏡觀察焊縫、熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)的顯微組織形態(tài)。金相試樣的腐蝕條件為：10%鉻酸水溶液電解腐蝕，腐蝕時間10~20秒，電壓7.5V，或直接王水腐蝕。

 6. 相比例測定

 在接頭顯微組織照片上采用計點法測定不同試樣的相比例含量，以研究焊接參數(shù)對接頭相比例的影響。

 7. X射線衍射相結(jié)構(gòu)分析

 采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對焊接接頭進行相結(jié)構(gòu)組成分析，比較不同的保護氣體和焊接熱輸入量對接頭相結(jié)構(gòu)組成的影響，以及檢測接頭中是否存在危害相的析出等。

 8. 接頭點蝕性能測定

  采用三氯化鐵鹽酸水溶液化學浸泡法測定雙相不銹鋼焊接接頭的耐腐蝕行為，研究不同保護氣體和焊接熱輸入量對接頭耐腐蝕性能的影響，腐蝕溶液為6%FeCl₃+H₂O、6%FeCl₃+12.5%HCl+H₂O、6%FeCl₃+25%HCl+H₂O。試驗溫度為22±1℃，試驗時間為24小時。腐蝕前后用電子天平（感量為0.0001g）測量接頭試樣的質(zhì)量，并計算出腐蝕失重。

 腐蝕試樣的截取是以焊縫中心線為基準，從接頭部位截取尺寸為30mm×10mm×8mm的腐蝕試樣，如圖2.7所示。采用機械加工的方法去除焊縫余高，并通過研磨以去除試樣表面的氧化層。經(jīng)加工后的試樣表面光滑，并對焊縫的縱截面進行磨平、拋光，以便觀察試樣的腐蝕形貌。

 9. 接頭耐晶間腐蝕性能測試

 參考GB4334.2和ASTM A 262.B標準，對獲得接頭進行耐晶間腐蝕性能測試，計算試樣單位面積內(nèi)的失重。試樣分別從采用不同焊接工藝施焊獲得的接頭上切取，將試樣加工成尺寸50mm×25mm×8mm。用砂紙按從粗到細的順序進行打磨，打磨后的試樣應符合尺寸要求，然后用丙酮溶劑去油，最后用酒精洗凈，烘干。采用游標卡尺測量相關(guān)尺寸并計算其表面積，記錄下由電子天平（感量為0.0001g）測量出的試樣質(zhì)量。腐蝕溶液為選用分析純硫酸配制成（50±0.3）%的硫酸水溶液，取600ml并加入25g純凈硫酸鐵。將已稱重的試樣放入到溶液中，并在25±1℃下浸泡5天。腐蝕后取出試樣，經(jīng)干凈流水充分沖洗后，再放入丙酮中清洗并干燥、稱重，最后計算試樣單位面積上的失重。