2205双相不锈钢钢筋弧焊工艺

2205双相不锈钢钢筋弧焊工艺
张心保;连杰
【摘要】对用于我国港珠澳跨海大桥用双相不锈钢钢筋进行了焊条电弧焊工艺试验,以及焊接接头的金相组织观察分析及力学性能、耐蚀性能的检测分析.结合双相
不锈钢冶金理论,对双相不锈钢钢筋的弧焊工艺及焊接性进行了较为全面的总结,以
在工程实践中制定合理的不锈钢钢筋焊接工艺.试验结果表明,双相不锈钢钢筋具有
优良的焊接性,工艺范围也较宽,在合理控制热输入及冷却速度的前提下,可以获得力学性能和耐蚀性能都优良的焊接接头.
【期刊名称】《金属加工：热加工》
【年(卷),期】2011(000)010
【总页数】4页(P43-46)
【作者】张心保;连杰
【作者单位】山西太钢不锈钢股份有限公司,太原,030003;太钢不锈钢工业园有限
公司,山西,030008
【正文语种】中文
双相不锈钢是一种集优良的耐蚀性、高强度及易于制造加工等诸多优异性能于一身的钢种。

特点是含铬高而含镍低，含钼和氮，室温金相组织为各占大约50%的铁
素体和奥氏体，故具有铁素体钢良好的抗应力腐蚀破裂性和奥氏体钢的良好塑韧性，还具有比奥氏体不锈钢高一倍左右的屈服点以及和碳钢相近的热膨胀系数。

双相不锈钢主要用来制造对强度及耐蚀性要求较高的结构及容器等。

双相不锈钢的发展已有80年的历史，含氮的双相不锈钢被称为第二代双相不锈钢，代表性的钢种是2205，具有较高的 PREN值 (点蚀当量数)，PREN值越高，不锈钢的抗点蚀性能越好，PREN的计算公式如下:
双相不锈钢中的铬含量至少为20%，是提高耐蚀性的最主要元素，铬是铁素体形
成元素，随着钢中铬含量的提高，需要加入更多的镍才能形成奥氏体或双相组织;
铬还能增加钢在高温下的抗氧化能力。

镍是奥氏体化元素，双相钢中的镍可延缓钢中有害金属间隙相的形成，并提高了双相钢的韧性。

钼与铬的共同作用能提高不锈钢的耐点蚀的能力，钼也是铁素体形成元素，同时也增大了不锈钢形成金属间隙相的倾向。

因此，双相不锈钢中的wMo＜4%。

氮是强奥氏体形成元素，增加不锈
钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的能力，氮可以延缓金属间隙相的析出，降低了双相不锈钢中形成σ相的倾向。

世界上最先制造双相不锈钢钢筋的企业是奥托昆普公司，该公司开创性的研制了2101双相不锈钢钢筋，用于澳大利亚的桥梁建设。

由于双相不锈钢具有较高的强度和韧性，超强的耐海水腐蚀性，使得桥梁的设计寿命可达300年以上。

我国当前在建的港珠澳跨海大桥的设计也采用了双相不锈钢钢筋作为钢混结构用钢筋，并且采用了性能更好的第二代双相不锈钢2205。

我公司已成功开发并批量生产了2205不锈钢钢筋，由于是首次将2205双相不锈钢钢筋用于钢混结构，因此对其弧焊工艺及接头性能进行了较为系统的试验研究工作，以优化焊接工艺。

2205双相不锈钢钢筋由2205钢坯经拉拔而成，其成分与2205不锈钢板材相同，标准与实测化学成分值如表1所示，力学性能及物理性能分别如表2、表3所示，母材的室温金相组织为约各占50%的铁素体及奥氏体，如图1所示。

试验用材料分别为φ14mm及φ32mm的双相不锈钢钢筋，车床加工30°～40°
的坡度，端部平台的直径为1～2mm，两根钢筋组合成60°～70°的环形坡口，如图2所示，定位焊后施焊。

焊接方法采用焊条电弧焊，直流反接 (DCRP)，焊条牌号为E2209，φ3.2mm，焊前在100℃下烘干2h，清理干净接头附近的水分及油污等杂质。

焊接时焊条不摆动，每道焊完后清理干净渣皮后再进行下一道的焊接，层间温度低于150℃，直
到与表面齐平为止，自然冷却到室温。

焊接时的气温为15%，相对湿度为40%，底部的焊道焊速慢，后面的焊道速度较快。

具体的焊接参数如表4所示。

(1)接头金相组织及力学性能取焊接试样进行金相组织观察及力学性能检测。

焊接接头的低倍金相组织如图3所示，图中的左下部分为焊缝区，右上部分为母材区，以熔合线为界面区分开来。

从图中可以看出，接头的HAZ区较窄，晶粒没有明显的粗化。

图4是焊接接头热影响区的金相组织，为典型的奥氏体+铁素体双相组织形貌，图中颜色较深的部分为奥氏体，较浅的部分为铁素体，照片中在奥氏体和铁素体的晶界处没有发现有σ相析出，表明焊后的冷却温度控制在了合适的范围之内。

焊缝的金相组织如图5所示，为铸态树枝晶组织。

焊缝和HAZ各选取5个部位进行相比例测定，结果如表5所示。

加工3件拉伸试样，试验结果如表6所示，试样均断于母材，强度及断后伸长率
与母材相当;V形缺口冲击试验结果如表7所示，温度为0℃，试样尺寸为
5mm×10mm×55mm，缺口位置分别位于焊缝及HAZ距熔合线1mm处，每组
3件试样，冲击断口为塑性断裂，焊缝区的冲击韧性要低于HAZ，这与金相组织
有关，焊缝的组织为铸态组织，与母材HAZ的轧态的双相组织相比性能要差。

将φ14mm的钢筋焊接试样的接头区域加工光滑后进行弯曲试验，弯曲直径d=φ，弯曲角度180°，3件试样均完好无裂纹，表明焊接接头具有良好的抗弯性能。

(2)接头耐蚀性能将焊接接头加工成5mm×20mm×80mm的晶间腐蚀试样，用
不锈钢硫酸－硫酸铜试验方法进行晶间腐蚀试验，结果表明经180°弯曲后试样完好，无晶腐裂纹出现。

2205双相钢的PREN值为32.5，因此具有很强的耐点蚀及晶间腐蚀的能力。

(3)双相不锈钢钢筋焊接工艺及焊接性分析预热及焊后热处理:对于双相不锈钢，一
般不需要进行焊前预热及焊后消除应力热处理，这样的过程对接头的性能反而会产生不良的影响，因为可能会使双相不锈钢析出金属间隙相或α'(475℃)脆性相，从而降低接头的韧性和耐蚀性。

当焊后热处理温度超过315℃时，会对双相不锈钢
的韧性和耐蚀性产生不利的影响。

如果为了消除双相不锈钢在焊接热循环过程中产生的有害中间相，焊后热处理应当在完全固溶(1040℃)后水淬。

热输入与层间温度:2205双相不锈钢允许热输入的范围较宽，单道焊的热输入为0.5～2.0kJ/mm，层间温度＜150℃。

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有较高的热传导率和较小的热膨胀系数，在焊缝处没有像奥氏体不锈钢一样高的局部热应力，双相组织的焊缝在凝固后的抗热裂性大大优于奥氏体焊缝金属，双相不锈钢具有优良的塑韧性，冷裂倾向也很小。

焊接接头的相平衡控制:理想的双相不锈钢的相比例是铁素体含量为40%～50%，其余为奥氏体，这样可以改善双相不锈钢的韧性。

图6是68%Fe处的Fe-Cr-Ni
三元截面相图。

从图中可以看出，该合金以铁素体(α)凝固，当温度下降到1000℃左右时，部分铁素体就会转变为奥氏体(γ)，在较低的温度下，处于平衡状态的铁
素体和奥氏体几乎没有进一步的改变。

合金中的镍和铬含量的微小变化可引起双相不锈钢中奥氏体和铁素体数量较大的变化。

为了使双相钢具有理想的相平衡，首先主要是通过调整铬、钼、镍和氮的含量，其次是控制不锈钢的热循环过程。

冷却速度决定了可转变为奥氏体的铁素体的数量，因此高温后的冷却速度将影响相平衡，快冷会使更多的铁素体保留到室温，如果使用低热输入来进行焊接，由于高温停留时间短，会导致焊缝及HAZ有过量的铁素体，影响接头的韧性。

图7是双相不锈钢的等温析出动力学曲线，从图中可以看出，如果冷却速度控制不合适的话，会在不锈钢中析出碳化物、氮化物、σ相、χ
相α'相等有害相，它们使不锈钢硬化和脆化，但是由于双相不锈钢中含有50%以
上的奥氏体，弱化了这些相带来的危害，在焊接时，如果热输入和冷却速度没有控制好，可能会在焊缝及HAZ中产生少量的这些有害相，但是总体而言，双相组织的优良性能使这些危害降到了很低的程度，且由于焊接过程加热时间短，热量集中，冷却速度也较快，一般不会产生这些有害相，或者这些有害相含量非常少，因此在焊接过程中不需在过多地考虑这些相带来的有害影响，焊接热输入可在0.5～
2.0kJ/mm之间，只要保证焊缝及HAZ的相比例处于一个合理有范围即可，即铁
素体的含量在35%～55%之间，焊接接头就具有良好的综合性能。

2205双相不锈钢钢筋在我国首次用于建设跨海大桥，由于该钢具有优异的力学性能及耐蚀性能，设计寿命可达300年，所以大大降低了桥梁的运营维修成本。

焊
接试验及检测结果表明，2205双相不锈钢钢筋具有良好的焊接性，在制定焊接工艺时，焊接热输入控制在0.5～2.0kJ/mm之间，层间温度＜150℃，焊缝及HAZ 可获得较为理想的铁素体－奥氏体相比例。

奥氏体比例较大时，即铁素体的含量在35%～55%之间，可以有效地遏制双相不锈钢中的碳化物、氮化物、σ相、χ相
α'相等有害相对焊接接头的性能影响，获得优良力学性能和耐蚀性能的焊接接头。