UNSS32205双相不锈钢焊接工艺研究

陆凤辉

（山西太钢不锈钢钢管有限公司， 山西 太原 030027）

试（实）验研究

UNSS32205双相不锈钢焊接工艺研究

陆凤辉

（山西太钢不锈钢钢管有限公司， 山西 太原 030027）

针对UNSS32205双相不锈钢焊接工艺进行研究，并对试验结果进行分析。分析表明：UNSS32205双相不锈钢因其铁素体、奥氏体的双相组织结构而具有优良的耐蚀及机械性能，选用2209为填充材料并选择合理的焊接和焊后热处理工艺，可使焊缝区获得良好的双相组织，从而得到耐点腐蚀和冲击性能良好的接头。

双相钢 焊接性 相比例

1 UNSS32205双相不锈钢优点

UNSS32205（00Cr22Ni5Mo3N）双相不锈钢是一种典型的含氮、超低碳（w（C）≤0.03%）的不锈钢，其铁素体和奥氏体两种组织各约50%。在2000年之前，该产品完全依靠进口。该钢种具备超低碳、室温铁素体和奥氏体双相组织的优点、高的Cr含量以及Mo、N的添加使得其具有更好的耐氯离子点蚀、耐应力腐蚀、耐缝隙腐蚀、耐晶界腐蚀以及高强度、耐高速泥沙冲刷等优点，是典型的应用广泛的含N、超低碳、铁素体-奥氏体双相不锈钢。因其兼备了室温铁素体与奥氏体双相组织的优点，不仅具有比SUS304、SUS316L等奥氏体不锈钢更好的耐应力腐蚀、耐缝隙腐蚀、耐Cl-点蚀、耐晶界腐蚀以及高强度、耐磨损腐蚀等优点[1]，而且在高温下（如1 300℃）仍能保持一定比例的奥氏体。因此焊接热影响区不会导致因产生单相铁素体而脆化以及耐晶界腐蚀性能恶化而产生的不良后果，相比之下有优良的高温焊接性能[1]。

在双相不锈钢中，由于奥氏体是在铁素体冷却过程中形成的，焊接过程的热输入大小直接影响了焊后焊缝及热影响区的显微组织，容易造成两相比例的失衡。可焊性和焊后热处理是评价材料能否推广应用的一项重要指标，是2205双相不锈钢在后续进行深加工应用中的瓶颈因素。因此制定正确的焊接及后续的热处理工艺，对接头性能进行分析评价，是2205双相不锈钢焊管研发及推广应用过程中的关键环节。

2 UNSS32205双相不锈钢焊接工艺研究

2.1 试验材料与方法

母材为UNSS32205，δ=15.5 mm；填充材料为ER2209，Ф=1.2mm；氩气纯度不小于 99.99%，其化学成分见表1。

表1 化学成分 %

2.2 UNSS32205焊接工艺试验及热处理

2.2.1 UNSS32205双相不锈钢焊接性分析

双相不锈钢其优良的耐腐蚀性能和机械性能是靠两相组织的适当比例来保证的。焊接工艺参数对焊缝组织的比例影响很大。焊接时，采用过低的线能量，工件受热少，冷却时速度过快，焊缝和热影响区会产生过高比例的铁素体和氮化物，从而降低焊接接头的耐腐蚀性能和韧性；采用过高的线能量时，工件受热较大，焊后冷却速度过慢，焊缝及热影响区会析出有害相，也会使焊接接头的耐腐蚀性能和韧性降低。所以，合适的焊接工艺参数和一定的技术措施相结合才能保证焊缝及热影响区的组织和性能[2-3]。

因此，为了避免焊缝金属中热影响区晶粒粗大，韧性下降，适宜使用多层焊。由于重复加热和冷却，情况较复杂，其冷却速度还受层间温度的影响。为了保持理想的两相组织和满意的性能，要求严格遵守一定的双相不锈钢焊接工艺规程，选择合适的焊接参数。

2.2.2 UNSS32205焊接工艺介绍

焊接方法采用等离子（PAW）＋氩弧焊（TIG）。坡口形式采用Y型坡口，钝边高度为4.0±0.5mm，坡口角度为60°，工艺参数见表2。

表2 焊接工艺参数

先用等离子（PAW）打底，然后用氩弧焊（TIG）盖面，填充焊每层厚度不超过3mm，层间温度控制在150℃以下。

焊后热处理温度为1 040～1 080℃，保温3 min/mm，水冷。

2.2.3 UNSS32205双相不锈钢焊接工艺的实施与评定

双相不锈钢同时具有铁素体和奥氏体两相，母材两相约各占50%，在实际焊接过程中应保证焊缝每一相含量为35%～65%，只有这样才能充分发挥它的耐蚀性和强韧性。

采用加丝等离子焊打底，实现单面焊双面成型，内焊缝余高不大于2mm，以无未焊透和内凹为最佳。填充和盖面采用自动钨极氩弧焊，当管壁厚较大需多层填充焊时，按规定的层数施焊，层间温度要小于150℃，每层焊完后用不锈钢丝刷清理焊道，线能量应在规定要求的范围之内。双相不锈钢的接头性能主要取决于热影响区的性能，焊接热循环会对基体的组织和性能产生很大的影响。热影响区的性能和热输入有关，冷却速率加快，硬度升高；冷却速率影响热影响区的冲击韧性，存在一个临界的冷却速率，超过和小于此冷却速率，冲击韧性都会降低；冷却速度大于该临界值时铁素体含量增加，冷却速度小于该临界值时使得氮化物和σ相在铁素体中析出，均会导致高温和低温的冲击韧性降低。热影响区的临界点蚀温度也和冷却速率有关，冷却速率小导致点蚀阻力增大。焊接过程中的热输入和冷却速率影响铁素体和奥氏体的相对含量，当采用很低的热输入时，由于快速冷却使得焊接热影响区的铁素体含量偏高，对冲击韧性不利；但是过高的热输入会由于冷却太慢而使得氮化物和σ相在铁素体中析出，同样对冲击韧性不利。因此，通过调整焊接热输入可以得到最佳的焊接热影响区性能。在适当的线能量下焊接使得焊缝及热影响区的奥氏体转变充分，两相比例在35%～65%的合适范围，从而使焊接接头具有良好的性能。

3 试验结果与分析

3.1 焊缝外观

检查焊缝外观，未发现咬边、裂纹、表层未填满、未焊透等缺陷，焊缝经100%X射线检测，全部达到GB 3323—2005标准Ⅱ级要求。

3.2 抗拉强度

取两个试样对焊缝按GB/T 228标准进行拉伸试验，其力学性能见表3。

表3 力学性能

3.3 弯曲性能

取2个试样对焊缝进行横向弯曲试验，一个面弯，一个背弯，试验方法按GB/T 232标准，b=40mm，d=94mm，弯曲180°后试样完好，无裂纹，合格。

3.4 冲击性能

取1个试样进行-40℃焊缝接头冲击试验，试验方法按GB/T 229进行，V型缺口。焊缝接头冲击值见表4。

表4 焊缝接头冲击值

在-40℃时，热影响区和焊缝仍有很高的冲击吸收能量，说明没有σ等脆性相析出。焊缝和热影响区也没有因组织粗化而引起韧性下降。

3.5 维氏硬度（HV5）

维氏硬度（HV5）测试按GB/T 4340.1标准要求＜350。从表5中得出焊缝接头硬度（HV5）实测值＜350，结论：合格。焊缝维氏硬度横截面位置图见下页图1。

3.6 耐蚀性

耐蚀性按GB 17897—1999方法检测，试验介质为6%的FeCl3溶液，试验温度为35℃，试验周期为24 h。

表5 焊缝维氏硬度实测值

图1 焊缝维氏硬度横截面位置图

从表6腐蚀结果得出σ等有害相耐蚀性较差，极易腐蚀，会造成耐点蚀性能明显下降。接头耐点蚀性能良好，说明焊后冷速大于有害相析出临界冷速，没有析出腐蚀性较差的有害相。

表6焊缝接头腐蚀率g/（m2·h）

3.7 金相分析

铁素体百分含量用菲希尔铁素体测试仪FERITSCOPEFMP30测定。

从图2中可以看出，实测热影响区和焊缝区中的铁素体平均含量值分别为57.38%和40.9%，两相接近理想比例，且焊缝区组织细密。

焊缝由于采用了ER2209焊丝，焊丝镍含量高于母材，由于镍是奥氏体形成元素，较高的含镍量，在焊缝快速冷却过程中易于形成较多的奥氏体，使焊缝中铁素体含量低于50%。

热影响区由于冷却速度较快，保留了较多的铁素体，铁素体含量高于母材的50%。在试验参数下，两相比范围满足35%～65%的比例要求，使焊缝和热影响区组织接近平衡转变。

图2 焊缝热影响区和焊缝区的金相图

4 结论

1）等离子焊和氩弧焊焊接方法适合于双相不锈钢的焊接。

2）多层焊时，后道焊层对前一道焊层起到热处理作用，利于获得平衡组织。

3）采用合适的热输入，可得到耐点蚀腐蚀和冲击性能良好的接头。

[1] 王一德，李国平，王立新，等.OOCr22Ni5Mo3N双相不锈钢板材的生产工艺[J].特殊钢，2001，22（5）：36-37.

[2] 张文钺，侯胜昌.双相不锈钢的焊接性及其焊接材料[J].焊接技术，2004，33（1）：40-42.

[3] 方伟秉.铁素体-奥氏体型双相不锈钢的焊接性[J].化工装备技术，1997，18（3）：9-43.

Study on Welding Process of UNSS32205 Duplex Stainless Steel

Lu Fenghui
（Shanxi TISCO Stainless Steel Tube Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030027）

The welding process of UNSS32205 duplex stainless steel is studied,and the test results are analyzed.The analysis shows UNSS 32205 duplex stainless steel has excellent corrosion resistence and mechanical properties for its ferrite and austenite duplex microstructure.2209 type welding metarial is used,also appropriate welding parameters and PWHT are applied.As a result,a good dual phase structure can be obtained in the weld zone so as to obtain a good jointwith good corrosion resistance and impact resistance.

dual phase steel;weldability;phase ratio

TG441

A

1672-1152（2017）05-0018-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.07

2017-09-11

陆凤辉（1963—），女，工程师，主要负责不锈钢焊管焊接及热处理工艺技术的研究。

（编辑：王瑾）