本文針對雙相不銹鋼埋弧焊焊接接頭的金相組織觀察及力學性能的檢測，以及耐蝕性能的分析，進而對雙相不銹鋼埋弧焊焊接工藝運用進行較為全面的總結，以便制定合理的焊接工藝方案。試驗結果表明，雙相不銹鋼具有良好的焊接性，在選擇合適的坡口并合理控制熱輸入和冷卻速度的前提下，可以獲得良好的力學性能和耐蝕性能的焊接接頭，保證焊接試板的質量。
前言
試驗采用 Outokumpu 公司生產的 2205 雙相不銹鋼材料，具有極強的耐腐蝕性能，又具有較高的強度和韌性，且便于制造加工，這就使得其成為化學品船液貨艙結構建造的首要選擇。而焊接方法中，埋弧自動焊工藝應用較多。但雙相不銹鋼在埋弧焊焊接過程中存在一系列問題：
?。?）焊接變形大，精度控制難度增加；
?。?）熱輸入的大小使雙相組織受到破壞，影響其具有的力學性能及耐腐蝕性能；
?。?）焊接參數不合適將引起一系列的焊接缺陷等。
本文通過對不同厚度的雙相不銹鋼進行埋弧自動焊試驗，選擇出合適的坡口形式及焊接參數，通過力學性能試驗及金相試驗，分析在保證焊接接頭質量的可靠性和穩定性的情況下如何選擇合適的焊接參數控制焊接變形等一些問題。
1 2205 雙相不銹鋼的特點分析
2205雙相不銹鋼最主要合金元素是Cr、Ni、Mo和N，其中Cr含量為22%。其化學成分見表(1)。Cr和Mo為增加鐵素體含量，而Ni、N為奧氏體穩定元素，有些鋼種還含有Mn、Cu、W等元素。Cr、Ni和Mo能夠改進抗腐蝕性，在含氯化物的環境中抗點蝕及裂縫腐蝕的性能特別好。N是強化奧氏體形成元素，增加雙相不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力，氮可以延緩金屬間隙的析出，降低雙相不銹鋼中形成σ相的傾向[1]。
雙相不銹鋼的力學性能與鋼板的回火溫度有關,回火溫度越高,強度越低。回火溫度為600 ℃時,屈服強度為400 MPa,抗拉強度為650 MPa。圖2為2205雙相不銹鋼的金相組織(腐蝕劑30g K(OH) + 30g K3 Fe (CN)6 + 100ml H2O )，雙相不銹鋼的金相組織由α鐵素體(黑色)和γ奧氏體(白色)二相組成,具有體積分數大體相等的特征[2]。
因此,雙相不銹鋼兼有奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的雙重特征。與鐵素體不銹鋼相比,其韌性高,韌脆轉變溫度低,耐晶間腐蝕性能和焊接性能顯著提高,同時保留了鐵素體不銹鋼導熱系數高、膨脹系數小、具有超塑性等特性；而與奧氏體不銹鋼相比，屈服強度和抗疲勞強度顯著提高，約為奧氏體不銹鋼的2倍，且耐晶間腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等性能有明顯改善。氮在強化2205雙相不銹鋼中起著重要的作用,但當氮的質量分數超過0. 2%時,由于氮的間隙固溶強化使得奧氏體的強度大于鐵素體。增加鐵素體的含量,會導致沖擊韌性降低,也導致氮在鐵素體中的析出,生成氮化鉻,因為氮在鐵素體中比在奧氏體中的溶解度低。冷加工能降低2205雙相不銹鋼的沖擊韌性,提高韌脆轉變溫度。而在280——350 ℃區間過渡時效也會導致韌性降低。
2 2205 雙相不銹鋼埋弧焊試驗及焊接性分析
1） 焊接試驗材料選用
1．母材
本次埋弧焊試驗的材料為 Outokumpu 公司提供 δ=10mm、δ=12mm 和 δ=16mm 的雙相不銹鋼，其力學性能如下表 2。
2205 雙相不銹鋼的焊接對污染更敏感，特別是對濕氣和水分。任何類型的油污、油脂和水分等污染會影響材料的抗腐蝕性及力學性能，因此在焊接前要對母材進行嚴格清理。
2.埋弧焊絲
本次試驗選用國外進口 Avesta 2205 的匹配雙相不銹鋼焊絲，直徑為 Φ3.2mm，為保證試驗結果的可靠性，整個試驗過程均按照 DNV 船級社的要求進行。
3.埋弧焊劑
2205 雙相不銹鋼的埋弧焊焊接過程中，因為雙相不銹鋼的焊縫熔池流動性較差，必須考慮焊接的熔透性和良好的脫渣性，在確保焊透的前提下，保證焊縫成型的效果，焊劑的選用是關鍵。
因此，本次工藝試驗選用 Avesta 805 焊劑，此焊劑為堿性的燒結焊劑，在焊劑中添加 Cr 元素，以保證焊縫金屬的性能要求，同時，在焊劑中有一定量的 SiO2,能夠將焊劑堿度控制在 1.7 左右，以減少焊劑的熔化量，減小熔寬波動，避免焊道邊緣不良的成型效果，確保焊縫的美觀。
2） 坡口形式的選擇
在焊接過程中，坡口的選擇決定焊接變形的大小。雙相鋼具有良好的導熱性及較低的膨脹系數使得雙相不銹鋼的焊接變形比碳鋼大很多。我們選取常用的鋼板厚范圍：10-18mm，分別選用三種不同板厚，三種不同坡口形式進行前期比較試驗，通過埋弧焊焊接后，觀察其變形程度。板厚分別為 δ=10mm，δ=12mm，δ=16mm，其坡口形式如下圖：
通過對以上三組板厚及坡口試板進行埋弧焊試驗比較，其中 δ=10mm 和 δ=12mm 的雙相鋼板采用雙面單道焊的變形相比于板厚為 δ=16mm 的雙相鋼板的雙面單道焊變形小，其變形大小如下表 4 所示
因此，綜合考慮焊接變形及施工過程中的焊接效率，我們選用厚度為 δ=12mm，坡口形式如圖 6 所示的雙相鋼板進行工藝評定試驗。
雙相不銹鋼的坡口應預先經過很好的準備，最好采用機械加工，不宜采用砂輪打磨的方法，要避免坡口表面粗糙與裝配間隙不均勻。
3） 雙相不銹鋼埋弧焊試驗
對于雙相不銹鋼焊接，一般不需要進行焊前預熱，因為預熱會降低焊接熱影響區的冷卻速度，會導致雙相不銹鋼析出金屬脆性相，從而降低接頭的韌性和耐蝕性。
焊接方法采用埋弧自動焊，直流反接，焊前清理焊接接頭坡口附近的水分及油污等雜質，采用雙面單道焊形式，待正面焊道焊接完成后，道層間溫度低于 150℃，再翻身焊接背面焊道，其背面留根無須等離子清根處理，正面焊道的焊速較快，背面焊道的焊縫適當減慢，以增加熔深。
由于雙相鋼焊接接頭對熱輸入大小對雙相不銹鋼的耐蝕性有非常大的影響。因此，理論上熱輸入量需要控制在 25KJ/cm 以下，如果熱輸入量過大，焊接接頭的冷卻速度慢，會在不銹鋼中析出碳化物、氮化物，并形成缺鉻現象，特別是在熱影響區，會析出 σ 相等有害相，造成雙相組織的優良性能降低，造成韌性和耐蝕性降低，因此必須嚴格控制熱輸入,實際焊接焊接參數如表 5 所示。
通過使用熱輸入計算公式：K=UI/V
計算得：正面焊道的熱輸入為 22——23.6KJ/cm；反面焊道的熱輸入為 26——28KJ/cm。
在焊接完成后，按照 DNV 規范，分別進行外觀檢查及射線探傷，結果焊縫尺寸寬度為 25——26mm，余高為 1.5——2mm，表面成型美觀；射線探傷沒有發現任何影響焊縫性能的焊接缺陷，均符合 DNV 標準規范。
3 2205 雙相不銹鋼埋弧焊試驗結果分析
1）金相分析
雙相不銹鋼的金相組織為鐵素體及奧氏體，分別取焊縫區、熱影響區及母材的微觀 進行分析。圖 8 中焊縫區域中組織為樹枝晶組織。圖 9 熱影響區中鐵素體與奧氏體分布 不均勻，但所占比例大致一樣，沒有出現σ相析出。
2）力學性能測試
拉伸試驗：如表 6 所示，試樣均斷于母材，斷口均為塑性斷裂，并均無裂紋，強度及斷后伸長率與母材相當，焊縫具有良好的韌性。
彎曲試驗：如表 7 所示，試樣經 180°，4 倍板厚壓頭直徑進行側彎試驗，試驗結果符合 DNV 船級社規范。
沖擊試驗：沖擊試樣取 10×10×55mm 的標準尺寸進行試驗，取 4 套試樣，分別焊縫中心、交界、界外 2mm 和界外 5mm，每套 3 根，試樣開 V 型缺口，沖擊試驗結果如表 8 所示。
硬度試驗：根據 DNV 船級社規范，雙面焊試樣硬度三條線，均需要覆蓋到焊縫中心、熱影響區及母材，試驗結果如表 9 所示。
因此，通過以上金相及力學性能分析，建議在焊接過程中熱輸入控制在 25KJ/cm 以內，最大不得超過 30KJ/cm，才能保證雙相鋼理想的相平衡，其次是控制好層間溫度，因為冷卻速度的快慢決定了轉變為奧氏體的鐵素體的數量，同樣也是影響兩相的平衡，導致影響焊接接頭的韌性。
4.結論
2205 雙相不銹鋼的焊接工藝在實際生產過程中很少使用，焊接技術經驗缺乏，通過不斷的摸索與焊接試驗，保證焊接質量，本文對埋弧焊焊接試驗過程中的注意事項及問題進行了分析與總結：
1）2205 雙相不銹鋼的焊接對污染敏感，在焊接前要對材料進行嚴格的清理，以免使得油污、水分等的污染會影響材料的抗腐蝕性能。
2）針對 2205 雙相不銹鋼的變形大的問題，埋弧自動焊采用雙面單道的焊接方法能夠很好的控制熱輸入，進而控制焊接過程中引起的變形，避免其在船舶建造過程中引起的變形導致精度控制難度加大，減少在工程建造中的不必要浪費。
3）2205 雙相不銹鋼焊接過程中熱輸入量應盡量控制在 25KJ/cm 以內，最大不得超過30KJ/cm，并控制好層間溫度，才能夠保證雙相不銹鋼理想的相平衡，使其力學性能在規定的范圍內。
本文內容來源于“壓力容器人”
