摘 要:采 用 鎢 極 惰 性 氣 體 保 護 焊 工 藝 對 2205 雙 相 不 銹 鋼 管 進 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成分、顯微組織、力學性能和耐腐蝕性 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,力學性能和耐應 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題。
關(guān)鍵詞:2205雙相不銹鋼;環(huán)焊縫;顯微組織;力學性能;耐腐蝕性
中圖分類號:TG457.11 文獻標志碼:A 文章編號: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%體積分數(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,具有較高的強度、良好的韌性、優(yōu)良的焊接性能和耐腐蝕性能,已 廣泛應用于化工、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 過程固有的非平衡短時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2205雙相不銹鋼焊縫組織與韌 性的影響。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和焊后固溶處 理,2205雙相不銹鋼環(huán)焊縫的力學性能已達到甚至 高于母材的力學性能,但其耐腐蝕性仍較母材更差。 僅通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和焊后固溶處理難以進一 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。
筆者通過選擇合金元素含量更高的 ER2594焊 絲進行焊接試驗,并與 ER2209焊絲進行對比,研究 了焊接接頭化學成分、顯微組織、力學性能和耐腐蝕 性能的變化,以解決焊縫耐腐蝕性較差的問題。
1 試驗材料和方法
1.1 試驗材料
試 驗 管 材 為 2205 雙 相 不 銹 鋼 管,規(guī) 格 為 ?114mm×5mm(外徑×壁厚),其力學性能如表1 所示,顯微組織為α(鐵素體)+γ(奧氏體),α相體積 分數(shù)約為 50%,無 析 出 相。試 驗 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焊(GTAW)工藝, 其中全程選擇ER2209焊絲的焊接接頭編號為1號, 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為2號,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,鈍邊長為 1mm,雙邊坡口角度為60°,根部裝配間隙為3mm, 錯邊量不超過0.5mm,全程采用99.99%氬氣保護。
1.3 試驗方法
采用 OLS4100型激光共聚焦顯微鏡對焊接接 頭的顯微 組 織、α相 含 量 和 析 出 相 進 行 檢 測;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)對焊接 接頭化學成分進行分析;采用 UTM5305型材料試 驗機進 行 刻 槽 錘 斷 試 驗,試 樣 長 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 彎曲試驗機進行背彎試驗,試樣長為230mm、寬為 25mm,去除焊縫余高;采用 KB30BVZ-FA 型維氏 硬度計 進 行 維 氏 硬 度 (HV10)測 試;根 據(jù) ASTM A923-2014StandardTestMethodsforDetecting Detrimental Intermetallic Phase in Duplex Austenitic/FerriticStainlessSteels 中的方法 C 對 焊接接頭進行6%(質(zhì)量分數(shù),下同)的 FeCl3 點蝕試 驗,試驗溫度為(22±1)℃,試驗周期為24h;根據(jù) ASTM G36—2013 Standard Practice forEvaluating Stress-Corrosion-Cracking Resistance of Metalsand Alloysin a Boiling Magnesium ChlorideSolution,采用四點彎曲法對焊接接頭進行 25%沸騰 MgCl2 應力腐蝕開裂試驗,拉應力為標準 規(guī)定最低屈服強度的50%,試驗周期為96h;采用 KITE-R型掃描電化學工作站對焊接接頭的根焊進 行掃 描 振 動 電 極 技 術(shù) (SVET)測 量,試 驗 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動, 電極振動頻率為70Hz,測量間隙為10ms。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 化學成分及顯微組織形貌
1號和2號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號試樣根焊相比,2號試樣根焊的鉻含量 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%,鎳含量未見明顯變化。圖2 和圖3分別為1號和2號試樣不同區(qū)域的顯微組織 形貌,金相檢驗結(jié)果如表5所示。從表5可知:與11號試樣根焊及其熱影響區(qū)(熔合線至0.2mm 內(nèi)) 相比,2 號 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 力學性能
1號和2號試樣的力學性能測試結(jié)果如表6所 示。從表6可知:刻槽錘斷試驗后斷口未見超標缺 陷,背 彎 試 驗 后 未 出 現(xiàn) 裂 紋,維 氏 硬 度 均 低 于 300HV,接近母材硬度,但2號試樣較1號試樣根 焊硬度略高(見圖4),這是因為2號試樣合金元素 的質(zhì)量分數(shù)更高。
2.3 耐腐蝕性能
從1號和2號試樣焊接接頭根焊處取樣,分別 進行25%沸騰 MgCl2 應力腐蝕開裂和6%FeCl3 點 蝕試驗,結(jié)果見表 7。從表 7 可知:與 1 號試樣相 比,2號試樣的耐應力腐蝕開裂性能未見差異,試驗 后兩組試樣均未斷裂;點蝕試驗后放大20倍觀察兩 組試樣仍無點蝕(見圖5),但2號試樣的腐蝕速率 較1號試樣顯著降低,降幅約為95%(見圖6)。利 用SVET(掃描振動電極測試)分別沿1號和2號試 樣焊接接頭根焊進行縱向掃描,試驗結(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, 負值表示向內(nèi)壁側(cè)掃描,正值表示向外壁側(cè)掃描,振 動范圍不超出根焊;Z 軸表示腐蝕電流,正值表示陽 極電流,負值表示陰極電流。從圖7,8可知,1號試樣從2h開始,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號試樣從6h開始,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號試樣對比可見,2 號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母材。
2.4 綜合分析
從試驗結(jié)果分析可知,與全程采用 ER2209焊絲 進行焊接相比,采用 ER2594焊絲(根焊)+ER2209 焊絲(熱焊和蓋面焊)進行組合焊得到焊接接頭的根 焊及熱影響區(qū)的化學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;力學性能未見明顯差異,刻槽錘斷、背彎和硬度 試驗結(jié)果無異常;其根焊及其熱影響區(qū)的耐應力腐蝕 開裂性能良好,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 一個短時復雜的冶金過程,其對2205雙相不銹鋼焊縫的組織和性能轉(zhuǎn)變的影響也十分復雜。從合金元 素的角度分析,鉻當量(wCreq)和鎳當量(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,ER2594 焊絲的wCreq/wNieq 比值更高。此外,從兩種焊絲的 化學成 分 對 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γ相的形成,對改善不銹鋼的力學性能和耐腐 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 力學性能,力學性能試驗結(jié)果也證明了這一點。
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。鉻元素能促進雙相不銹因鍛件存在淬透性不均勻等現(xiàn)象,其韌性會較t/4 位置差。
2.7 制樣與試驗過程
落錘試驗過程的具體參數(shù)為:試樣在冷卻介質(zhì) 中過冷溫度為1 ℃,試樣保溫時間為45min,試樣 離開冷卻介質(zhì)至打斷的時間為7s,試驗錘能量為 400J,均滿足 ASTM E208-20標準要求。為研究落 錘試驗制樣與試驗過程對試驗結(jié)果的影響,制作了多 組試樣并進行對比,結(jié)果如表3所示。由表3可知: 在相同試驗條件下,熱處理時間為2h的試樣斷裂情 況出現(xiàn)波動;熱處理時間為24h的試樣均未斷裂。
3 結(jié)論
(1)斷裂試樣堆焊預置裂紋焊道的焊接控制不 穩(wěn)定導致試樣的熱影響區(qū)過熱。
(2)斷裂試樣的取樣位置更靠近中心,導致其 性能變差。
(3)熱處理時間對落錘試驗結(jié)果的影響較大。
(4)不同位置的多組試驗結(jié)果出現(xiàn)波動,材料 組織的不均勻性對落錘試驗結(jié)果影響較大。
參考文獻:
[1] 趙登志,穆振芬,劉志國,等.核電材料的落錘試驗研 究[J].理化檢驗(物理分冊),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 的影響因素[J].工程與試驗,2011,51(4):34-37.
[3] 郭洋,唐新華,鄧勝杰,等.焊接熱影響區(qū)對SA508Gr. 3鋼落錘試驗影響研究[J].焊接,2018(7):24-28.