2205双相不锈钢焊接和焊后热处理工艺

2205双相不锈钢焊接和焊后热处理工艺研究摘要：采用了等离子弧焊（PAW）打底+钨极氩弧焊（TIG）盖面和等离子弧焊（PAW）打底+熔化极氩弧焊（MIG）盖面两种焊接工艺焊接2205双相不锈钢，并对焊接接头进行了固溶处理，对采用两种焊接工艺的焊件进行金相组织、铁素体-奥氏体两相比例、力学性能以及耐点腐蚀性检测。结果表明，两种焊接工艺都可以保证焊接接头的各项性能均能满足技术要求，TIG焊盖面的焊接接头铁素体含量低于MIG 焊盖面，且冲击韧性也于优于MIG焊盖面，而MIG焊盖面的焊接接头的耐点腐蚀性能优于TIG焊盖面。

关键词：2205双相不锈钢TIG焊MIG焊力学性能点腐蚀

一、引言

双相不锈钢是由奥氏体和铁素体两相组成，当两相比例约为50％时，双相不锈钢将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使其兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点。

2205双相不锈钢是20世纪70年代首先由瑞典研制成功，材料牌号为SAF2205，属于第二代双相不锈钢。中国在80年代初开始研究相当SAF2205的00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢，它是一种典型的含N、超低碳、双相铁素体—奥氏体不锈钢，它具有较高的屈服强度（为奥氏体不锈钢的二倍）及良好的塑性，有良好的低温冲击性能，优良的耐应力腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀性能；与奥氏体不锈钢相比，具有导热系数大、线膨胀系数小、可焊性好、热裂倾向小、钢中含镍量较小、价格相对便宜等优点，使其广泛应用于化工、石油能源及海洋等领域，是目前应用最普遍的双相不锈钢材料。

本实验分别采用了两种不同焊接方法进行对比，在焊后对焊接接送进行了热处理，研究了焊接和热影响区组织及性能变化和奥氏体-铁素体相比例对其的影响。

二、实验材料和实验方法

1、实验材料

实验采用太原钢铁公司生的2205双相不锈钢，其化学成分和力学性能如表1和表2所示。2205双相不锈钢试板的尺寸为160mm×320mm×10mm。

表1 2205双相不锈钢的化学成分（质量分数，％）

表2 2205双相不锈钢的力学性能

2、焊接工艺

2205双相不锈钢焊接的关键是保证焊接接头具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，而双相不锈钢性能的发挥依赖于合理的奥氏体和铁素体两相比例，因此需要通过严格的控制焊接工艺，控制焊接接头的两相比例，以使其得到与母材金属相近的各项性能。

（1）焊接方法

2205双相不锈钢可以采用多种焊接方法，本试验对两种不锈钢焊接方法进行研究对比，即：等离子弧焊（PAW）打底+钨极氩弧焊（TIG）盖面和等离子弧焊（PAW）打底+熔化极氩弧焊（MIG）盖面。打底采用等离子焊，保证单面焊双面成型。盖面采用自动氩弧焊，按多层焊接规定的顺序，多层数施焊，每次堆焊应清理焊道。

试验中使用的等离子焊机为LINCOLN DC600型等离子焊机，TIG盖面使用的焊机是LINCOLN DC400型焊机，MIG盖面使用的焊机是YD-500KR2HGE型焊机。

(2) 填充材料

在双相不锈钢的焊接过程中，如果焊缝金属的化学成分与母材相同，在热循环的作用下，焊缝中的铁素体含量会急速增加，甚至出现纯铁素体组织，从而导致氮化物和二次奥氏体析出，使焊缝的韧性和耐腐蚀性能降低。因此，为抑制铁素体的过量增加，一般采用奥氏体占优势的焊缝金属来解决。Ni是强烈的奥氏体形成元素，因而一般用的填充材料中Ni储量比母材高2～4％，同时N含量略低于母材，以促进铁素体向奥氏体转变，并稳定焊缝金属中的奥氏体。所以，本试验选用了φ1.6mm的2209焊丝作为盖面时的填充焊丝。

（3）焊接工艺参数

2205双相不锈钢要求全熔透，实验中采用V型坡口、坡口角度为60°、钝边5mm、根部间隙1～2mm、平板对接，坡口示意图见图一。

图一焊接试件坡口示意图

焊接热输入的大小不仅决定焊缝及热影响区的宽度，而且也是决定热影响区的加热和冷却速度的关键因素，焊接采用高线能量时，尽管会使凝固组织的铁素体晶粒易长大，但是在此情况下的低的冷却速度却会促使较多的奥氏体转变，可以得到足够数量的奥氏体。相反，采用低线能量的焊接，即高的冷却速度相对奥氏体数量也少。因此得到最佳的焊接热影响区性能必须选择合适的焊接热输入。一般2205双相不锈钢的推荐焊接热输入为0.5～2.5kJ/mm，但是在本实验中，由于焊接后对焊接接头进行固溶热处理，可以部分消除过高热输入带来的不利影响，所以选用的TIG焊接接热输入略高于推荐值。

当采用多层多道焊时，后续焊道对前层焊道有热处理作用，使焊缝金属中的铁素体进一步转变成奥氏体，成为以奥氏体占优势的两相组织，同时相邻焊缝的热影响区组织中的奥氏体含量也增多，从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。然而，过高的层间温度会导致焊缝组织和性能恶化，因此必须要控制最高层间温度。所以实验中，控制最高层间温度低于100°。

双相不锈钢材料中的N可以增加奥氏体的比例并使其稳定，从而使焊缝具有良好的性能，但是2205双相不锈钢焊接中焊缝表面的N损失是不可避免的，所以在焊接2205双相不锈钢时保护气体选用98％Ar+2％N2，不仅可以起到良好的保护作用，而且可以防止N的损失。

具体焊接工艺参数见表3所示，焊接过程中注意材料的保护，避免碳钢、铜、低熔点金属或其它杂质对双相不锈钢的污染，焊道清理采用不锈钢工具。

表3 焊接工艺参数

（3）固溶处理

使用填充焊丝的Ni含量高，使得焊缝金属的Ni含量相应提高，金属间化合物有加速析出的可能，因此根据ASTM标准双相不锈钢焊后热处理程序推荐规范对焊接接头进行固溶处理，固溶温度1070℃，保温30分钟，然后以大于25℃/s的冷却速度快速水冷。固溶之后对焊接接头进行力学性能、耐点腐蚀试验，并进行金相组织观察和铁素体与奥氏体相比例的测量。

三、实验结果与分析

1、金相组织和两相比例检测

2205双相不锈钢焊接接头必须保证合理的铁素体—奥氏体两相比例，才能发挥其性能满足技术要求，太原钢铁集团不锈钢制品有限公司要求焊缝中的铁素体比例为40～60％。因此对2205双相不锈钢焊接接头进行了金相组织和两相比例检测。

分别从焊接接头上取焊缝和热影响区的金相试样，经磨制、抛光、用王水腐蚀，使用XJP-6A型金相显微镜进行金相观察，两相比例使用MP30型铁素体测量仪检测。

图二是焊缝处的金相组织，图三为热影响区的金相组织。从图二中可以看到，在焊缝处MIG焊的晶粒明显的比TIG焊的细小，这是因为试验中TIG焊的焊接热输入较高，铁素体晶粒易于长大，虽进行了固溶处理，仍然大于经过同样处理的MIG焊缝，用铁素体测量仪测量铁素体含量，焊缝处为47.7％（TIG焊）和52.6％（MIG焊），热影响区为46.7％（TIG焊）和53.2％（MIG焊）。无论是在焊缝还是热影响区，TIG 焊的铁素体储量都要小于MIG焊，这同样是因为高的焊接热输入有利于奥氏体的转变。

（a）TIG焊；（b）MIG焊

图二焊缝的金相组织图三热影响区的金相组织