焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头组织与性能的影响_昌敬源

公司的 2205双相不锈钢管生产需要而开展 , 分别采用 了两种不同焊接方法进行对比 , 在焊后对焊接接头进 行了热处理 , 研究了焊缝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 。
1 试验材料和方法
1.1 试验材料 试验用 2205双相不锈钢为太原钢铁公司生产 , 其
主要化学成分 和力学性能如表 1 所示 。 试样 尺寸为 160 mm × 320 mm×10 mm。 1.2 焊接工艺
u/(mm·s-1 ) d/mm
打底 TIG盖面
200 ～ 220 370 ～ 400
30 ～ 40 29 ～ 31
140 ～ 160 200 ～ 210
13 ～ 14 15 ～ 17
50 ～ 100 50 ～ 100
—
—
150 ～ 160
1.6
MIG盖面
320 ～ 340
24 ～ 28
300 ～ 320
2 试验结果与分析
2.1 显微组织和相比例 2205双相不锈钢焊接接头必须保 证合理的铁素
表 2 2205双相不锈钢焊 接工艺参数 Table2 Weldingprocessparametersof2205 duplexstainlesssteel
焊层
焊接电流 I/A
焊接电压 U/V
焊接速度 v/(mm·min-1 )
保护气体流量 Q/(L·min-1 )
层间温度 T/℃
送丝速度
焊丝直径
1.2.2 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的析出 , 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 [ 4] 。
DO I :10.13251/j .issn.0254 -6051.2009.09.010
第 34卷 第 9期
20 09 年
9月
HEATTREATMENTOFMETALS
Vol.34 No.9 September200 9
组织与性能 焊接工艺对 2205双相不锈钢焊接接头 组织与性能的影响
昌敬源 , 石巨岩 , 谢贵生 , 林会会 , 李振荣 , 于 静 (太原理工大学 材料科学与工程学院 , 山西 太原 030024)
速水冷 。固溶之后对焊接接头进行力学性能 、抗点腐 蚀试验 , 并进行显微组wk.baidu.com观察和铁素体与奥氏体相比 例的测量 。 1.4 分析测试方法
分别从两种焊接方法得到的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
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XJP-6A型金相显微 镜观察显微组织 , 两相比 例使用 MP30型铁素体测量仪检测 。
从焊缝 、热影响区和母材分别切取尺寸为 20 mm ×10 mm×2 mm点腐蚀试样 , 依据 ASTM G84标准进 行点腐蚀试验 。 将试样清理干净称重 , 然后置于 pH= 1.3的 6% FeCl3溶液中浸泡 24 h, 保持恒温在 (22 ± 1)℃, 试验后再次称重 , 计算出试样的腐蚀率 {腐蚀率 (mg/(dm2·d))=质量损失 (mg)/[ 试样面积 (dm2)× 时间 (天数 )] }。
Ni是强烈的奥氏体形成元素 , 因而一般采用的填充材 料中 Ni含量比母材高 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[ 5] 。 所以 , 本试验选用了 1.6 mm的 2209 焊丝作为盖面时的填充焊丝 。 1.2.3 保护气体 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氮损失是 不可避免的 。所以在焊接 2205双相不锈钢时保护气
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 的发挥是靠合理的奥氏体和铁素体两相比例 , 因此需 要严格控制焊接工艺 , 以使其得到与母材金属相近的 各项性能 。
第 9期
昌敬源等 :焊接 工艺对 2205双相不锈钢焊接接头组织与性能的影响
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化学成分 /wt%
力学性能
C
Si
P
S
Mn
Cr
Mo
Ni
N
Fe R0.2 /MPa Rm /MPa A/% 硬度 /HB
0.03 ≤ 1.00 ≤ 0.03 ≤0.02 ≤2.00 22 ～ 23 3.0 ～ 3.5 4.5 ～ 6.5 0.15 ～ 0.20 余量
≥ 450
≥ 620 ≥25 ≤290
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 LINCOLNDC600型等离子焊机 , TIG盖面使 用的焊机是 LINCOLNDC400型焊机 , MIG盖面使用的 焊机是 YD-500KR2HGE型焊机 。
表 1 2205双相不锈钢的化学 成分和力学性能 Table1 Chemicalcompositionandmechanicalpropertiesof2205 duplexstainlesssteel
1.2.1 焊接方法 2205双相不锈钢可以采用多种焊 接方法 , 本试验采用了两种不同的焊接方法进行研究 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
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 。我国在 20世纪 80年代初开始研究类似成分钢的 00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢 , 它是一种典型的超低碳 含氮双相铁素体 -奥氏体不锈钢 , 该钢具有较高的屈服 强度 (为奥氏体不锈钢的 2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 ;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 较少 , 价格相对便宜等优点 , 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 [ 1-3] 。本课题为满足太原钢铁集团不锈钢制品有限
根据 GB/T2654— 2008《焊接接头硬度试验方法 》 对经过固溶处理的焊接接头试样使用 M-400-H1型显 微硬 度 计 (载 荷 25 g)测 试 其 显 微 硬 度 ;根 据 GB/T229— 2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法 》, 在 JB-300B试验机上进行抗冲击性能试验 (7.5 mm× 10 mm×55 mm, V型缺口 , -40 ℃);根据 GB/T228— 2002《金属材料室温拉伸试验方 法 》和 GB/T2653— 2008《焊接接头弯曲试验方法 》, 分别在 WE-1000万能 试验机上进行抗拉伸性能试验 , 在 ZDM-30 万能试验 机上进行抗弯曲试验 (d=40 mm, α=180°)。
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 [ 6-7] 。
1.2.4 焊 接工艺参 数 2205 双相不 锈钢要求 全熔 透 , 试验中采用 V型坡口 , 坡口角度为 60°, 钝边 5 mm, 根部间隙 1 ～ 2 mm, 平板对接 , 坡口示意图见图 1。
17 ～ 19
50 ～ 100
210 ～ 220
1.6
1.3 固溶处理工艺 由于使用的填充焊丝的 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 1 070 ℃, 保温 30 min, 以大于 25 ℃ /s的冷却速度快
图 1 2205双相不锈钢焊接试件坡口示意图 Fig.1 Groovesketchof2205 duplexstainless
steelweldedsample
具体焊接工艺参数见表 2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 。
Effectofweldingprocessonmicrostructureandpropertiesof
2205 duplexstainlesssteelweldedjoint
CHANGJing-yuan, SHIJu-yan, XIEGui-sheng, LINHui-hui, LIZhen-rong, YUJing (CollegeofMaterialScienceandEngineering, TaiyuanUniversityofTechnology, TaiyuanShanxi030024, China) Abstract:Thesolidsolutiontreatmentwasconductedfortheweldedjointsof2205 duplexstainlessplatesbyplasmaarcwelded(PAW)as rootweldingandgastungstenarcwelding(TIG)andmetalargonarcwelding(MIG)ascapwelding.Ferrite-austenitictwophaseratio, mechanicalpropertiesandspotcorrosionresistanceoftheweldedjointsbythetwoweldingprocesseswereanalyzedandtested.Theresults showthattheperformanceofweldedjointsbythetwoweldingprocessescanmeetthetechnicalrequirements.Theweldedjointsferritecontent ofTIGweldingislowerthanthatofMIGwelding, andimpacttoughnessisbetterthanthatofMIGwelding, buttheweldedjointsspotcorrosion resistanceofMIGweldingisbetterthanthatofTIGwelding. Keywords:2205 duplexstainlesssteel;gastungstenarcwelding;metalargonarcwelding;mechanicalproperties;spotcorrosion
收稿日期 :2009-04-27 基金项目 :太原科技局项目 -2205双相不锈钢焊管焊接技术 (0602001) 作者简介 :昌敬源 (1984— ), 男 , 河 南洛阳人 , 硕士研究 生 , 主要 从事双 相 不 锈 钢 焊 接 及 热 处 理 工 艺 的 研 究 。 E-mail:cjy19842003 @ yahoo.com.cn
摘要 :采用等离子弧焊打底 , 分别用钨极 氩弧焊盖面和熔化极氩弧焊 盖面两 种焊接 工艺对 2205双相不 锈钢进 行焊接 , 并对 焊接接 头进行了固溶处理 。 对采用两 种焊接工艺的焊件的铁素体 -奥 氏体两 相比例 以及抗 点腐蚀 性能进行 了分析 和检测 。 结 果表明 , 两 种焊接工艺都可以满 足焊接接头的各项性能技术要求 , 钨极氩弧 焊焊盖面的 焊接接头铁 素体含 量低于 熔化极 氩弧焊 焊盖面 , 且冲 击韧性也优于熔化极 氩弧焊焊盖面 , 而熔化极氩弧焊焊盖面的焊接接头的 抗点腐蚀性能优于钨极氩弧焊焊盖面 。 关键词 :2205双相不锈钢 ;钨极氩弧焊 (TIG焊 );熔化极氩 弧焊 (MIG焊 );力学性能 ;点腐蚀 中图分类号 :TG142 文献标识码 :A 文章编号 :0254-6051(2009)09-0040-04