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2205双相不锈钢焊接工艺研究

前言海水淡化系统中反渗透系统高压海水管道、阀门及其他与海水相关的附件均采用了进口双相不锈钢材料，其中海水采用2205双相不锈钢，浓水采用S32760超级双相不锈钢；在现场安装过程中，双相不锈钢管道安装需进行现场焊接。

1  2205钢化学成分及性能特点
2205钢是超低碳、含氮的不锈钢，其成分为22%Cr+5%Ni+0.17%N，本次实验用材料化学成分见表1。2205与第一代双相不锈钢相比进一步提高了氮含量，氮是强烈的奥氏体形成元素，加入到双相不锈钢中，既提高钢的强度且不显著损伤钢的塑韧性，又能抑制碳化物析出和延缓σ相形成，增强了钢在氯离子浓度较高的酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点蚀性能。[1]。
2205钢在室温下组织奥氏体和铁素体约各占半数(双相不锈钢2205铁素体含量应为30%～55%,典型值是45%)，兼有两相组织特征。它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、耐缝隙及氯化物应力腐蚀的特点；又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点[4~6]。
   表1  SS2205钢的主要化学成分（Wt %）

C	Si	Mn	S	P
0.023	0.4	0.87	0.001	0.023
Ni	Cr	Mo	N	Cu
5.94	22.6	3.19	0.165	-

2  2205钢的焊接性分析
  2205钢的焊接最主要的问题是如何保证焊接接头铁素体和奥氏体相组织的比例，进而保证接头的耐蚀性和力学性能。因此焊接工艺的制定是围绕如何保证其双相组织比例进行的。当铁素和奥氏体量合适时（最佳值铁素为45%）,性能接近母材。如果组织比例偏差比较大，2205钢焊接接头的耐蚀性能和力学性能(尤其是韧性)将下降。过低的铁素体含量(＜25%)将导致强度降低和抗应力腐蚀开裂能力下降；过高的铁素体含量(＞75%)会降低耐蚀性和冲击韧性[3,4,5]。
2.1合金元素的影响
  2205钢含有较多的合金元素，焊接过程中易形成金属相、碳氮化合物等，这些会影响接头力学性能和耐蚀性能。氮在保证焊缝金属和焊后热影响区内形成足够量的奥氏体方面具有重要作用。氮和镍一样是形成奥氏体和扩大奥氏体元素且能力远远大于镍。在高温下，氮稳定奥氏体的能力也比镍大，可防止焊后出现单相铁素体，并能阻止有害金属相的析出。
  由于焊接热循环的作用，自熔焊或填充金属成分与母材相同时，焊缝金属的铁素体量急剧增加,甚至出现纯铁素体组织。为了抑制焊缝中铁素体的过量增加，一般采取在焊接材料中提高镍或是加氮这两条途径。通常镍的含量比母材高出2%～4%[2]，如2205填充金属的镍含量就高达8%～10%。用含氮的填充材料比只提高镍的填充材料效果更好，两种元素都可以增加奥氏体相的比例并使其稳定，但加氮不仅能延缓金属间相的析出，而且还可提高焊缝金属的强度和耐蚀性能[3]。
  目前，填充材料一般都是在提高镍的基础上，再加入与母材含量相当的氮。
2.2热循环的影响[4,7]
双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头组织比例有较大的影响，无论焊缝还是热影响区都会有相变发生，这对焊接接头的性能有很大影响。图1为双相钢含量与冷却速度（t8/5)之间的关系；从图中可见，在t8/5的冷却速度在合适的范围内才能得到合适比例的双相组织。因后续焊道对前层焊道有热处理作用，多层多道焊对焊缝相比例是有益的。多层多道焊可促使焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体，成为以奥氏体占优势的两相组织；毗邻焊缝的热影响区中的奥氏体相也相应增多，且能细化铁素体晶粒，减少碳化物和氮化物从晶内和晶界析出，从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。也正是由于焊接热循环的影响，双相不锈钢焊接时要求与介质接触的焊道应先焊接，这一点与奥氏体不锈钢焊接顺序的要求恰恰相反。

图1 冷却速度和奥氏体γ相含量的关系[7]
2.3焊接工艺参数的影响
焊接工艺参数对组织的平衡起着关键的作用。2205钢在焊接时，若线能量过小，热影响区冷却速度快，奥氏体来不及析出，过量的铁素体就会在室温下过冷保持下来。若线能量过大,冷却速度太慢,尽管可以获得足量的奥氏体，但也会引起热影响区的铁素体晶粒长大以及σ相等有害金属相的析出，造成接头脆化。所以焊件尺寸一定时，焊接线能量及层间温度影响着焊接接头的冷却速度，进而影响焊缝的最终组织。
为了保证焊接接头的相比例合适，最佳的措施是控制焊接线能量和层间温度，并使用合适的填充金属。
2.4气体保护的影响
  钨极氩弧焊时，可在氩气中加入2%氮气，防止焊缝氮元素的损失，有助于铁素体与奥氏体的平衡[2]。

3  SS2205钢的焊接工艺方案
本文针对SS2205钢焊接存在的系列问题，采用以下焊接工艺进行焊接实验。双相钢管材、管件在焊接前应使用铁素体检测仪进行基础参数检测，以确认本批次双相钢材料的铁素体含量基础参数，供焊接完成后，与焊缝铁素体含量对比。
3.1焊接接头坡口型式
试验中管道直径为168mm、壁厚为7mm。采用GTAW与SMAW组合焊接工艺。焊接接头设计，开V型坡口的对接接头型式，焊道设计为3层。其中最底层为氩弧焊打底1层；过渡层采用手工氩弧焊1层；盖面采用手工电弧焊1层。
3.2对口装配及点固焊
坡口机加工完成后，将坡口及两侧20mm范围内的污物、油垢、水渍等清除干净后组对，试件对口错边量≤0.5mm。
3.3焊接
SS2205钢焊接时焊接材料及焊接工艺参数见表2。

表2 2205钢焊接工艺参数及焊接材料
层	焊接方法	焊条(丝) （mm）		电压范围（V）		焊速 (mm/min)
		型(牌)号	规格
1	GTAW	TGS-2209	Φ2.0	9～12		50～70
2	GTAW	TGS-2209	Φ2.0	9～12		50～70
3	SMAW	TS-2209	Φ3.2	21～26		70～100
层	电流种类及范围		保护气体		背面保护气体
	极性	电流（A）
1	正接	65～85	98%Ar+2%N2		98%Ar+2%N2
2	正接	65～85	98%Ar+2%N2		98%Ar+2%N2
3	反接	90～110	N/A		N/A

3.3.1背面气体保护及氩弧焊打底
氩弧焊打底焊接时要充98%Ar+2N2惰性气体进行保护。充氩保护流量开始时可为20～30L/min，施焊过程中流量应保持在5～15L/min，确保可靠保护。
氩弧焊打底时，双相钢不允许自熔焊，焊接时必须填充焊丝；管道焊接时使用背部保护措施。焊接工艺参数按表2执行；打底焊层厚度在2～3mm范围内，要注意焊缝饱满，焊接时焊接速度不能太快。
焊接第2层时，为了避免背面焊缝合金元素的烧损也要保证背面可靠保护。
3.3.2手工电弧焊盖面焊接
本试件采用焊条电弧焊进行盖面焊接。焊接时每层焊道的厚度不大于所用焊条直径，焊条摆动方式为稍微摆动，确保在热输入量不超标的情况下成形良好。手工电弧焊施焊完毕，应将焊缝表面焊渣、飞溅清理干净。
所有焊缝不能一次成形，每层焊缝必须根据焊层的宽度分3～4道焊接完成。每道焊缝的焊接都应采用短弧、窄道、快速焊接手法进行焊接。每道焊接完成后，必须等待焊缝温度下降至100℃以下时方可进行下一道的焊接。在紧急的情况下，采取水冷方式如图3。

图3 采取水冷方式冷却
焊缝层与层之间必须清理，清理时采用SS刷子（220目）；所有焊缝焊后必须进行酸洗。

4 焊接检验
经过测试发现，按照上述焊接工艺，可以得到完全合格的焊接接头。按JB4708—2000进行焊接工艺评定，平均抗拉强度高达782MPa，塑性断裂在热影响区；4支侧弯试样无裂纹出现。
图4为焊接接头的金相照片，从图4中可以看出，焊缝组织为回火马氏体组织；MT、RT检验均为I级。金相法观察到的组织形貌是白色奥氏体基体上分布有浅灰色条状、块状铁素体。经评估，焊缝铁素体含量约为35%；热影响区为50%～60%；母材为40%～45%。采用国产焊接材料，经过严格的工艺措施，使焊缝品质达到了使用要求，而且合格率100%。

图4 焊缝金属金相组织 X400

5 实验结果分析
实验证明，2205钢焊接接头的力学及抗蚀性能需保证其接头中的相比例合适，而控制双相比例的关键是控制焊接接头的焊接热循环。因此，2205钢在焊接前不需要预热，预热会造成焊接接头冷却速度降低；层间温度应控制在150℃以下。因2520钢导热性良好且热澎胀系数低，焊接时可采用直接水冷的方式来增加冷却速度而不至于产生焊接缺陷；但在焊接下一道焊缝时应当注意彻底清除水汽，如有水汽则会导致焊缝出现气孔、裂纹等焊接缺陷。
在组对时，应当严格控制其组对质量，不能强力组对，否则焊后很难矫正，更会在矫正过程中产生比较大的残余应力，会造成抗蚀性下降。焊口的加工最好采用机械加工。
焊接时必须采取多层多道、选用合适的规范参数等焊接操作工艺措施来保证焊缝的双相组织比例；并充分利用层道间的热循环作用来改善组织和细化晶粒，提高焊缝的韧性。
2205双相不锈钢焊后热处理对提高焊接接头的性能改善作用不大，一般焊后不进行焊后热处理。

6 结束语
实践证明：采用国产焊丝和焊条，采取严格的工艺措施，能够与进口焊接材料一样获得平衡的双相组织，达到产品的设计及使用要求。

参考文献
[1}许适群，王菁辉．双相不锈钢性能的探讨[J]．石油化工腐蚀与防护，2006，23(5)：21～22.
[2]昌敬源，石巨岩，谢贵生，等.焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头组织与性能的影响[J].金属热处理，2009,34(9)：40～43.
[3]孙咸.工程应用获好评，焊材工艺显其能(上)[J].金属加工(热加工)，2012,(10)：57～59.
[4]余明辉，王晋宝，游江等.2205不锈钢的焊接工艺研究综述(一)[J].中国水运，2012,12(9):79-81.
[5]余明辉，王晋宝，邓青华，等.2205不锈钢的焊接工艺研究综述(二)[J].中国水运，2012,12(10):268～270.
[6]张建勋，李为卫，李庆琰.2205双相不锈钢的焊接性研究综述[J].焊管，2005,28(5):6～10.
[7]韩志诚，王少刚，徐凤林，等.双相不锈钢的焊接研究进展[J].焊管，2008,31(3):5～8.
[8]金晓军，霍立兴，张玉凤，等.热输入对双相不锈钢管接头力学和腐蚀性能的影响[J].焊接报，2004,25(3)109～112.

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