S31803雙相不銹鋼管對接接頭焊接工藝參數(shù)研究

 浙江至德鋼業(yè)有限公司研究了S31803雙相不銹鋼管采用手工電弧焊在不同焊接工藝參數(shù)下對接接頭的力學(xué)性能和金相組織。結(jié)果表明：用手工電弧焊焊接S31803雙相不銹鋼管的焊接工藝參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)，其對接接頭的力學(xué)性能和金相組織滿足要求。

 S31803(2205)是用途最為廣泛的雙相不銹鋼之一，因其優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在石油天然氣輸送、海洋工程、化學(xué)工業(yè)、發(fā)電行業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。焊接作為一種重要的材料加工手段，對雙相不銹鋼的發(fā)展及應(yīng)用有著舉足輕重的作用。雙相不銹鋼管焊接的最大特點是焊接熱循環(huán)對焊接接頭組織的影響。無論是焊縫或焊接HAZ都有重要的相變發(fā)生，因此對焊件的性能，如塑性核耐腐蝕性能都等有很大影響。焊接的關(guān)鍵是要使焊縫金屬和焊接HAZ均保持有適量的鐵素體和奧氏體組織。其中焊接參數(shù)對焊縫金屬和焊接HAZ的影響十分關(guān)鍵。至德鋼業(yè)通過對S31803雙相不銹鋼管對接接頭采用手工電弧焊在不同焊接參數(shù)下獲得的接頭力學(xué)性能和金相組織進行研究，以期為雙相不銹鋼管在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

一、實驗材料和焊接工藝

 1. 實驗材料

  本實驗?zāi)覆臑镾31803雙相不銹鋼管，厚度10mm，鋼管為浙江至德鋼業(yè)有限公司生產(chǎn)，焊條為E2209，規(guī)格Φ4.0，采用瑞典SANDVIK生產(chǎn)的焊接材料；板材、焊材的化學(xué)成分見表。S31803雙相不銹鋼管在常溫下的力學(xué)性能：抗拉強度σb≥620 MPa，屈服強度σs≥450MPa，延伸率δ≥25%，硬度HB≤293（或HV≤308）。本實驗用母材的力學(xué)性能如下：抗拉強度σb=755MPa，屈服強度σs=575MPa，延伸率δ=35%，硬度HB=225。

 2. 焊接工藝

  本實驗試板的規(guī)格為：400 mm×125 mm×10mm。焊接方法為手工電弧焊，焊接設(shè)備用ZX7-500S逆變直流弧焊機進行接頭試樣焊接。焊接接頭如圖所示。焊接前用丙酮對焊接區(qū)域進行嚴格清洗，焊接后接頭不進行熱處理。為保證焊透并考慮到焊接熱循環(huán)對焊接接頭組織的影響，采用多層焊，這樣在進行每層焊接的同時又對上一層焊道起到熱處理作用，可在一定程度上促進接頭熱影響區(qū)中的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變。為了避免脆性相的析出，層間溫度應(yīng)控制在150℃以下，以減少焊接時在脆性溫度區(qū)間停留的時間。具體焊接工藝參數(shù)見表。由表可知，在采用的幾組焊接工藝參數(shù)中，線能量相差不大且在焊接過程中，焊接電流為120 A或170 A時，由于電流偏小或偏大，不易操作。

二、實驗結(jié)果及分析

 1. 無損檢測

 本次焊接實驗共選取5組焊接工藝參數(shù)分別進行試板的焊接，按照JB/T4730.2-2005射線檢測標準進行100%RT檢測，試樣無裂紋、未焊透、氣孔等缺陷，試樣均為合格。

 2. 力學(xué)性能測試及分析

  a. 拉伸試驗

  按照JB4708-2000標準從接頭部位截取試樣進行拉伸試驗。在5塊焊接試板上分別取拉伸試樣進行拉伸試驗，抗拉強度(MPa)分別為：745、735、745、735、780，5組試板抗拉強度相近，且其焊接接頭拉伸試樣的斷裂位置均在熱影響區(qū)，說明這5組焊接工藝參數(shù)焊接的接頭都滿足了強度要求。由于在焊接熱循環(huán)下焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變的不均勻性，由鐵素體轉(zhuǎn)變生成的奧氏體含量小于50%，其強度不及焊縫、母材組織，斷裂必然發(fā)生在熱影響區(qū)。

  b. 彎曲試驗

  按照JB4708-2000標準從接頭部位截取試樣進行彎曲試驗。5組彎曲試驗結(jié)果表明：5組焊接試板接頭的彎曲性能均滿足要求。

  c. 沖擊試驗

  沖擊試驗按照ASTM A923B-08雙相不銹鋼組織分類的沖擊試驗進行并進行了側(cè)向膨脹量的檢測。沖擊試樣為V型缺口，試樣尺寸(mm)為55×10×7.5，試驗溫度為-40℃。具體沖擊試驗結(jié)果見表。由表可看出，5組焊接實驗接頭的焊縫和熱影響區(qū)沖擊功均滿足要求。

 d. 點腐蝕試驗

 點腐蝕試驗按照ASTM A923C-08雙相不銹鋼組織分類的氯化高鐵腐蝕試驗進行。具體點腐蝕試驗結(jié)果見表。由表得出，5組焊接實驗接頭的點腐蝕性能均符合要求。由表數(shù)據(jù)進行計算，第1組和第5組腐蝕率平均值較其他三組腐蝕率偏高。

 e. 硬度測定

 利用TH110型里氏硬度計對5組焊接接頭進行檢測，測量方法為在母材、焊縫、熱影響區(qū)左右兩側(cè)分別進行測量，每處測量3點，然后計算其平均值。

 3. 焊接接頭微觀組織

  a. 金相組織

 金相組織按照ASTM A923A-08雙相不銹鋼的腐蝕組織的氫氧化鈉腐蝕試驗方法進行焊接接頭的微觀組織分析。具體檢測步驟：(1)用MP-2A型磨拋機對試樣進行打磨。(2)用P-2型金相試樣拋光機對試樣進行拋光。(3)利用電解腐蝕裝置對試樣進行腐蝕（腐蝕液：40g的氫氧化鈉溶于100g水中；腐蝕電壓：1.5V；腐蝕時間15~25秒）；(4)用4XC型金相顯微鏡對試樣微觀組織進行觀察和分析。經(jīng)過對微觀組織觀察分析，5組焊接接頭母材、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)均無有害相?，F(xiàn)以第3組焊接接頭組織為例，其母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)微觀組織見圖。通過圖母材組織圖可以看出，奧氏體和鐵素體基本呈均勻分布，這是S31803雙相不銹鋼管具有優(yōu)良力學(xué)性能和耐腐蝕性能的關(guān)鍵；由圖熱影響區(qū)圖和圖焊縫區(qū)組織圖可以看出，奧氏體和鐵素體均為交錯分布，因此其接頭力學(xué)性能和耐腐蝕性能均滿足要求。

 b. 相比例分析

 S31803(2205)雙相不銹鋼管具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，比奧氏體及鐵素體有更好的耐腐蝕性，特別是其耐氯離子腐蝕性能，最主要的原因在于其特殊的相結(jié)構(gòu)和相比例，所以焊接接頭中的相比例是衡量焊接質(zhì)量最主要的指標之一。理想的雙相不銹鋼組織應(yīng)為鐵素體和奧氏體各占50%，實際上每種材料的相含量在30%~60%之間都屬正常。采用鐵素體儀對試樣鐵素體進行測量，測定結(jié)果見表。由表可以看出，5組焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的鐵素體含量均在30%~60%之間。從表中鐵素體含量可計算出：奧氏體含量均在40%~70%之間。接頭中焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的相比例是接頭保持較高的力學(xué)性能和耐腐蝕性能的關(guān)鍵。

三、結(jié)論

 采用手工電弧焊焊接S31803雙相不銹鋼管，選擇合適的焊接工藝參數(shù)是對接接頭保持良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能的重要因素。本文中的焊接工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)，其對接接頭的力學(xué)性能和金相組織均為滿足雙相不銹鋼管的要求。