浙江至德鋼業(yè)有限公司根據(jù)工程需要采用鎢極氬弧焊打底、蓋面、背部充氬保護(hù)的焊接工藝，對(duì)SAF2205雙相不銹鋼管焊接接頭的金相組織及力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。結(jié)果表明，選用適當(dāng)?shù)暮附z及合理的焊接工藝參數(shù)并控制熱輸入和層間溫度，所得的焊接接頭的焊縫及焊縫熱影響區(qū)域的金相組織為滿足需求的鐵素體加奧氏體雙相組織，其各項(xiàng)力學(xué)性能及理化試驗(yàn)結(jié)果均理想。

 雙相不銹鋼是指金相組織由鐵素體與奧氏體兩種組織構(gòu)成的不銹鋼。雙相不銹鋼不僅具有奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性、良好的加工性、焊接性，而且還具有鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和良好的耐氯化物腐蝕等性能，被廣泛用于石油、化工、海洋及電力等行業(yè)中，核電建設(shè)在紅沿河海水淡化和田灣核電中都有應(yīng)有，是非常具有發(fā)展前景的材料之一。雙相不銹鋼焊接的最大難點(diǎn)是焊接過(guò)程中不均勻加熱和冷卻對(duì)焊接接頭中組織的影響。因此，有必要研究雙相鋼的焊接工藝，確定焊接工藝參數(shù)，保證焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。至德鋼業(yè)研究了SAF2205雙相不銹鋼鎢極氬弧焊打底及蓋面并背部充氬的焊接工藝，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了多項(xiàng)高科技試驗(yàn)。

一、焊接材料與方法

1. 母材與焊接材料

 焊接母材為規(guī)格457×14mm的SAF2205雙相不銹鋼管。實(shí)驗(yàn)中采用鎢極氬弧焊打底、蓋面的焊接方法，背部采用充氬的氣體保護(hù)，氬氣純度≥99.99%。

 焊接材料選用鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于母材的雙相鋼焊接材料，以確保焊縫中奧氏體相占有優(yōu)勢(shì)，焊縫中的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在30%~45%。焊絲選用ER2209￠2.0及￠2.4的焊絲，焊縫坡口角度35°，坡口形式為雙V型，對(duì)口間隙2mm~3mm。管材與焊接材料主要元素相比較管材的鉻、鎳、鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.0、5.0、3.0，焊材的鉻、鎳、鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21.5/23.5、7.5/9.5、2.5/3.5。

 2. 焊接工藝參數(shù)

 SAF2205雙相不銹鋼的焊接性能良好，熱裂紋傾向低，脆化傾向小。為使焊縫和焊接熱影響區(qū)能有合適的奧氏體數(shù)量以保證焊接接頭有良好的力學(xué)與腐蝕綜合性能，焊接時(shí)必須控制線能量和層間溫度，一般控制在0.5kj/mm~2.5kj/mm。多層多道焊時(shí)，控制層間溫度可避免冷卻速度過(guò)低而引起析出相的產(chǎn)生，焊接時(shí)嚴(yán)格制定焊接工藝參數(shù)，焊接電流、電壓均參考此專用焊絲的推薦參數(shù)，單層焊道的厚度及整體焊縫的焊接層數(shù)都嚴(yán)格計(jì)算并在過(guò)程中嚴(yán)格控制。

 焊接時(shí)，保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)99.99%的氬氣，熔池保護(hù)氣體體積流量為10L/min，背面保護(hù)氣體體積流量為5L/min，層間溫度不超過(guò)100℃。當(dāng)焊至第三層的時(shí)候可撤掉背部保護(hù)氣體。測(cè)量層間溫度時(shí)用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫機(jī)，測(cè)3點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)，避免使用直接接觸式測(cè)溫以免高溫燙傷。焊接記錄見(jiàn)表。

 3. 焊后外觀檢驗(yàn)及射線檢驗(yàn)

 焊接后焊縫的外觀經(jīng)檢查，符合規(guī)范要求，采用搖擺焊蓋面的雙相鋼焊縫的外觀呈均勻的魚(yú)鱗狀波紋。外觀合格的焊縫經(jīng)過(guò)RT檢驗(yàn)結(jié)果為RT檢驗(yàn)Ⅰ級(jí)合格（標(biāo)準(zhǔn)為DL/T821-2002）。檢驗(yàn)合格后的試件拿到精加工車間加工金相及力學(xué)性能試驗(yàn)所需的試塊。

二、試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

 1. 金相組織觀察

 對(duì)試樣進(jìn)行了宏觀金相，觀察了SAF2205雙相不銹鋼管道焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微組織，見(jiàn)圖。從圖可以看出，焊縫與母材之間熔合良好，未見(jiàn)裂紋及未熔合。從圖可以看出，母材SAF2205的微觀結(jié)構(gòu)中具有鐵素體和奧氏體雙相組織。從圖可以看出，焊縫及熱影響區(qū)微觀組織均為奧氏體+鐵素體雙相組織，并且為觀察到晶間碳化物和沉淀相。

 圖中灰色基體為鐵素體，白色為奧氏體組織。由于根部冷卻速度快，中部冷卻速度慢，使得鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體較充分，所以焊縫中部的奧氏體量比根部要多一些。另外，后續(xù)焊道對(duì)前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，故焊縫中部奧氏體量高于焊縫底部的奧氏體量。

 2. 力學(xué)性能試驗(yàn)

  a. 拉伸試驗(yàn)

 根據(jù)9001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣制備及拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為濟(jì)南材料試驗(yàn)機(jī)廠制造的WWE-60。試樣形狀及其尺寸見(jiàn)圖，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表。

 拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂均發(fā)生在母材部位，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度符合要求，且焊縫強(qiáng)度比母材更好（母材抗拉強(qiáng)度為680MPa），說(shuō)明接頭抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材，其原因有以下兩方面：1）由圖可以看出，母材中鐵素體和奧氏體組織沿軋制方向呈帶狀分布，而焊縫金屬和熱影響區(qū)中的鐵素體和奧氏體互相交錯(cuò)，方向各異，晶界增多，能夠鎖定位錯(cuò)從而使鋼強(qiáng)化；2）焊縫中的鉻、鉬、鎳原子經(jīng)高溫重熔后能夠置換晶格中的鐵原子，擾亂了原來(lái)的晶格排列，使位錯(cuò)移動(dòng)困難，從而使鋼強(qiáng)化。因此，焊縫金屬經(jīng)過(guò)多種強(qiáng)化方式后，其強(qiáng)度優(yōu)于母材。

 2. 沖擊試驗(yàn)

 根據(jù)ASTMA370的要求對(duì)試樣焊接接頭的焊縫、熔合區(qū)和母材進(jìn)行了-20℃的低溫沖擊試驗(yàn)。沖擊試樣尺寸為10mm×10mm。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 。

 實(shí)驗(yàn)要求在-20℃下，試樣的平均沖擊吸收功為50J。試驗(yàn)的焊縫、熔合線及母材的沖擊韌性均符合要求。雙相不銹鋼焊接接頭由于奧氏體的存在具有良好的沖擊韌性，奧氏體不僅能抑制已產(chǎn)生裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，而且能阻止高溫加熱時(shí)鐵素體晶粒的長(zhǎng)大。另外，碳、氮等間隙元素在奧氏體相中的溶解度高，與單相鐵素體不銹鋼相比，高溫冷卻時(shí)不易析出碳和氮的化合物，從而抑制了晶界脆化。

 由于沖擊試驗(yàn)的結(jié)果可見(jiàn)，焊縫和熔合線的沖擊功都小于母材，這是由母材金相結(jié)構(gòu)決定的。母材中鐵素體和奧氏體兩相組織約各占一半，并呈帶狀交替分部，較好地抑制了裂紋的擴(kuò)展。

 3.彎曲試驗(yàn)

 根據(jù)ASME IX的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試樣進(jìn)行了側(cè)彎試驗(yàn)，彎曲角度180°。試驗(yàn)結(jié)果為4個(gè)試樣結(jié)果均合格。根據(jù)規(guī)定，認(rèn)定彎曲試驗(yàn)合格。

 4. 接頭硬度測(cè)試

 采用FV-7B數(shù)字維氏硬度計(jì)測(cè)量了焊縫、熱影響區(qū)以及母材3個(gè)區(qū)域中共計(jì)27個(gè)點(diǎn)的維氏硬度，測(cè)試載荷為10kg。測(cè)試點(diǎn)的位置見(jiàn)圖，硬度分部見(jiàn)圖。試驗(yàn)要求焊縫和熱影響區(qū)的硬度值均應(yīng)小于310Hv10，母材硬度值不超過(guò)285Hv10，測(cè)量結(jié)果表明焊接接頭硬度符合要求。

 從圖可以看出，焊接接頭熱影響區(qū)中靠近熔合線的側(cè)量點(diǎn)的硬度值高于熱影響區(qū)遠(yuǎn)離熔合線的測(cè)量點(diǎn)的硬度值。這是因?yàn)殍F素體的顯微硬度高于奧氏體的顯微硬度，由于焊接熱循環(huán)的作用，靠近熔合線部分的組織中含有較多的鐵素體，硬度也隨之升高。焊縫區(qū)的硬度由頂部到底部大體呈升高的趨勢(shì)，這和焊縫區(qū)金相組織是相對(duì)應(yīng)的。焊縫底部打底采用的線能量較小，鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體不充分，故硬度值稍高。受后續(xù)焊道的熱處理作用，相比焊縫中部，焊縫頂部含有較多的奧氏體組織，故硬度值低。

 5. 晶間腐蝕

 依據(jù)GB/T4334-2008，加工試樣并將樣品在晶間腐蝕試驗(yàn)裝置中進(jìn)行浸泡、煮沸試驗(yàn)后，在200倍顯微鏡下觀察，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

 6. 鐵素體含量測(cè)定

 依據(jù)GB/T13305-2008，加工試樣并對(duì)試樣進(jìn)行研磨、拋光，在500倍顯微鏡下測(cè)定試樣檢查面上鐵素體相面積百分含量。如下表所示，對(duì)焊縫部位選取5個(gè)視場(chǎng)測(cè)定鐵素體含量，記錄測(cè)定值并計(jì)算平均值。

三、結(jié)論

 對(duì)SAF2205雙相不銹鋼管進(jìn)行氬弧焊焊接，當(dāng)選用比母材鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的雙相鋼焊接材料，線能量在1.5kj/mm以下，層間溫度控制在100℃以下時(shí)，可獲得性能良好的焊接接頭。焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)，焊縫強(qiáng)度比母材更好，具有良好的沖擊韌性，焊縫和熱影響區(qū)的硬度較母材偏高。晶間腐蝕及鐵素體含量的測(cè)定更加肯定了雙相鋼焊縫組織完全符合要求。