2205双相不锈钢薄壁小径管钨极氩弧焊接头组织和性能

师金凤，雷玉成

(江苏大学，江苏 镇江 212013)

0 前言

2205钢作为第二代双相不锈钢的代表钢种，由于其综合了铁素体钢和奥氏体钢良好的塑性、韧性、耐晶间腐蚀性和耐氯化物应力腐蚀性能，具有较高的力学性能[1-3]，而具有越来越广泛的应用。焊接是双相不锈钢主要的连接技术，在焊接过程中，焊缝金属经历高温相变等复杂物理化学变化过程，引起双相不锈钢微观组织结构变化，最明显的就是铁素体和奥氏体两相比例失衡，从而降低焊接接头各项性能[4]。对于薄壁小径管件，焊接过程两相转变时间更为短促，焊接组织缺陷更加显著。

文中针对φ18 mm×1.5 mm小管径、薄壁2205双相不锈钢管，采用钨极氩弧焊(GTAW)方法，以ER2209为填充材料，98%Ar+2%N2作为保护气体，制定相关工艺措施，进行了焊接试验，并通过无损检测、力学性能检测及微观金相观察，研究了焊接接头组织和性能，为此类2205双相不锈钢超薄壁小径管的焊接提供了参考依据。

1 试验材料及设备

试验用SAF 2205双相不锈钢尺寸为φ18 mm×1.5 mm，经固溶退火热处理，化学成分见表1。母材力学性能见表2。

表1 2205双相不锈钢的化学成分(质量分数，%)

表2 2205双相不锈钢力学性能

2205双相不锈钢的主要化学成分是Cr，Ni，Mo元素，根据合金元素含量，计算其耐孔蚀当量(PREN)、铬当量(Creq)和镍当量(Nieq)，计算公式如下：

PREN=ω(Cr)+3.3ω(Mo)+16ω(N)

(1)

Creq=ω(Cr)+ω(Mo)+1.5ω(Si)

(2)

Nieq=ω(Ni)+30ω(C+N)+ω(Mo)

(3)

专家学者利用各种线性关系来判定双相不锈钢焊接性能[5]。根据双相不锈钢铬当量和镍当量，线性关系式如下：

B=Creq-Nieq-11.59

(4)

根据文献[5]表明，当B﹤7时，焊接热影响区两相组织比例较为理想，然而，对于管径较小，壁厚较薄的双相不锈钢材料，其焊接过程是单道焊一次成形，B﹤7时，奥氏体只是在部分铁素体的晶界析出，晶内会析出大量的氮化物，影响双相不锈钢的塑性、韧性和耐腐蚀性能，只有当B﹤4时，才能保证热影响区形成铁素体和奥氏体比例相对理想的双相组织。B﹤7适用于多层多道焊。

根据式(1)～式(4)，计算试验用双相不锈钢2205耐点蚀当量PREN=35.8,铬当量Creq=26.23,镍当量Nieq=11.77。根据铬镍当量线性关系式(4)，计算得B=2.87，满足B<4。

焊接材料的选择遵循焊材与母材韧性级别相当或高于母材的原则，由此才能保证焊接接头性能不低于母材。该试验中，焊接材料选用瑞典AVESTA GT2209(AWS A5.9 ER2209)，由于试验双相不锈钢管径较小，壁厚较薄，为兼顾焊接质量和效率，选择焊接材料直径为2.0 mm。AVESTA GT2209焊材的化学成分见表3，根据熔敷金属试验，其力学性能见表4。

表3 AVESTA GT2209焊材化学成分表(质量分数，%)

表4 AVESTA GT2209焊接材料力学性能

该试验中所使用的氩弧焊机型号是YC-400TX，TIG焊接参数输入范围是4 A/10.2 V～400 A/26 V，其能量输入额定电压U1=380 V；最大电流I1max=28.4 A；最大有效电流Ileff=19.9 A。防护等级为IP23。

2 焊接工艺

2.1 坡口准备

该试验中，要求焊缝全熔透，考虑焊接坡口加工的便利性，选择常用的V形坡口，角度为60°，组配定位时，根部保持一定的间隙，约3～4 mm，45°固定试件，坡口示意图如图1所示。

图1 焊接坡口形式及尺寸详图

为保证坡口角度，防止小管径、薄壁不锈钢管坡口加工过程中变形，对坡口采用机械切削加工。焊前轻微打磨坡口，去除坡口毛刺，并用丙酮清洗坡口及两侧，去除坡口水分、油脂、锈污及氧化物等其他影响焊接质量的杂物。

2.2 焊接工艺参数

试验采用φ2.4 mm铈钨极，电流极性为直流正接，使用直径9 mm的喷嘴，钨极伸出长度3～4 mm，背保护气体选择纯度99.99%Ar，保护气体为98%Ar+2%N2，气体流量10～15 L/min，其他焊接工艺参数见表5。计算可知，焊接热输入为0.6～1.0 kJ/mm。

表5 GTAW焊接工艺参数

2.3 焊接操作要点

采用从下往上焊的方式，从钢管6点钟方向焊到12点钟方向，焊完一半后，再焊接另一半；双相不锈钢管两端用海绵密封，仅留一个小孔，以便通入背保护气体，用氧气测试仪检测钢管内部含氧量，当背面氧气含量低于0.1%时方可进行焊接；为了确保焊缝成形效果，在焊接开始前不应立即起弧，应提前送气3～5 s，保证焊枪内充满氩气。同理，焊接结束后也不要立刻抬枪，滞后停气3～5 s，保护最后的焊缝。

3 试验结果与讨论

3.1 无损检测及宏观形貌

焊接完成24 h后，参照ASME[6]第V卷对焊缝进行液体渗透检测(PT)和X射线检测(RT)，检测结果表明焊缝表面及内部无气孔、裂纹、未熔合及咬边等缺陷，焊缝经检测合格。低倍放大镜下观察焊缝宏观如图2所示。

图2 焊缝宏观形貌

3.2 力学性能试验

参照ASME BPVC IX[7]和ASTM A790[8]对焊接接头进行力学性能试验，取2个拉伸、2个横向面弯、2个横向背弯和2个硬度试样，取样位置如图3所示。

图3 力学性能试验取样位置

3.2.1拉伸及弯曲试验

采用WAW-300微机控制电液伺服万能试验机进行焊接接头拉伸及弯曲试验，2个横向拉伸试样抗拉强度分别为668 MPa，686 MPa，断裂于热影响区；对试样焊缝及热影响区进行180°弯曲试验，压头弯心直径5 mm，弯曲试样无断裂和裂纹产生，表明弯曲试样具有良好的抗弯曲性能。

3.2.2硬度试验

采用200HVS-10数显小负荷维氏硬度计，选择单点测量方式，在焊接接头表面焊缝、热影响区及母材选择定点测量硬度值，测试位置如图4所示，测试结果见表6。

图4 硬度试验测量位置

表6 硬度值测试结果 HV

ASTM A790规范规定2205双相不锈钢材料抗拉强度最小值为655 kPa，其硬度不应高于290 HBW，约300 HV。测试结果表明，焊接接头力学性能满足规范要求。

3.3 有害相试验

参照ASTM A923-14标准方法(A)[9]对焊接接头中可能析出的金属间化合相等有害相进行检验。在显微镜下，观察焊缝、热影响区及母材金相组织，结果如图5所示。可以看出，焊接接头中焊缝、热影响区及母材区域铁素体组织均已被浸蚀，相间边界平滑，无不良化合相。

图5 金相组织形貌

3.4 麻点腐蚀试验

参照ASTM G48标准方法(A)[10]，将100 g试剂级三氯化铁溶于900 mL Ⅳ型试剂级水(约6%，质量分数)，配制成腐蚀溶液；取4个试样水浴加热，保持溶液22 ℃恒温，将试样浸于三氯化铁溶液中腐蚀24 h，通过腐蚀前后重量损失计算其腐蚀率，结果见表7。

表7 腐蚀试验结果

根据ASTM A923规范，双相不锈钢材料腐蚀率不超过10 mg/(dm·d)，因此试样满足点蚀要求。

3.5 铁素体含量试验

根据ASTM E562[11]，在接头热影响区选择5个视场，利用显微镜，使用100点网格，在高倍放大倍率下测量每一视场中落在选定区域内的点数，并计算概率样本置信区间。其金相组织如图6，视场计数结果见表8，其置信评估结果见表9。

图6 热影响区不同视场下金相组织形貌

表8 热影响区铁素体含量计数

表9 焊接接头热影响区铁素体含量置信评估

根据统计学评估，可见焊接接头中铁素体含量在50%～70%，可认为焊接接头中铁素体与奥氏体两相组织基本平衡。

4 结论

(1)采用钨极氩弧焊方法，以ER2209为填充材料，98%Ar+2%N2作为保护气体，选择合理的焊接工艺参数，对小管径、薄壁2205双相不锈钢进行焊接，得到了组织和性能良好的焊接接头。

(2)焊接接头抗拉强度为668 MPa，不低于母材，断裂位置发生在热影响区，母材、热影响区及焊缝硬度260～280 HV，满足ASTM A790标准要求，并且具有良好的抗弯曲性能。

(3)相边界平滑，无不良化合相组织；根据ASTM E562标准方法检测接头中铁素体含量，约占50%～70%，和奥氏体组织两相比例基本平衡；接头抗点蚀性能满足ASTM G48标准要求，其腐蚀率最大5.1 mg/(dm·d)。