分享：不同氩弧焊焊丝对2205双相不锈钢环焊缝 组织与性能的影响

王福善1,李 磊2,冯 泉1,童 根3,鲜 俊4,李轩鹏2,白真权2 

(1.中国石油塔里木油田公司 油气工程研究院,库尔勒 841000; 2.中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,西安 710077; 3.中国石油塔里木油田公司 设备物资处,库尔勒 841000;4.中国石油塔里木油田公司 地面工程处,库尔勒 841000)

摘 要:采 用 钨 极 惰 性 气 体 保 护 焊 工 艺 对 2205 双 相 不 锈 钢 管 进 行 焊 接,研 究 了 全 程 采 用 ER2209焊丝、根焊采用 ER2594焊丝所得的焊接接头的化学成分、显微组织、力学性能和耐腐蚀性 的差异。结果表明:与全程采用 ER2209焊丝的焊接接头相比,根焊 ER2594焊丝的焊接接头及其 热影响区的铬含量提高了6%~10%,奥氏体相含量增多,两相组织分布更均匀,力学性能和耐应 力腐蚀性能良好,腐蚀速率降低约95%,且根焊的耐腐蚀性比母材更优。因此,采用 ER2594焊丝 进行根焊,可有效地解决2205双相不锈钢焊缝耐腐蚀性较母材差的问题。

关键词:2205双相不锈钢;环焊缝;显微组织;力学性能;耐腐蚀性 

中图分类号:TG457.11 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)07-0023-05

2205双相不锈钢是超低碳的中合金奥氏体-铁素 体不锈钢,属于第二代双相不锈钢,其显微组织是由 各占50%体积分数的铁素体和奥氏体两相组成,兼强度、良好的韧性、优良的焊接性能和耐腐蚀性能,已 广泛应用于化工、石油天然气和化肥生产等领域[1]。 焊接作为2205双相不锈钢管的主要连接方式, 焊缝性能的优劣将直接影响管线的服役安全。焊接 过程固有的非平衡短时局部冶金使焊缝的组织和性 能比母材更差[2-3]。研究表明[4],合金元素、焊接工 艺参数和固溶处理是影响焊缝组织和性能的主要因 素。李为卫等[2]研究了线能量对2205双相不锈钢 焊接接头耐腐蚀性和韧性的影响;石巨岩等[3]研究 了固溶处理温度对2205双相不锈钢焊缝组织与韧 性的影响。通过优化焊接工艺参数和焊后固溶处 理,2205双相不锈钢环焊缝的力学性能已达到甚至 高于母材的力学性能,但其耐腐蚀性仍较母材更差。 仅通过优化焊接工艺参数和焊后固溶处理难以进一 步提高焊缝的耐腐蚀性,因此改变合金元素含量成 为了提高焊缝耐腐蚀性的必然选择。

笔者通过选择合金元素含量更高的 ER2594焊 丝进行焊接试验,并与 ER2209焊丝进行对比,研究 了焊接接头化学成分、显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的变化,以解决焊缝耐腐蚀性较差的问题。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试 验 管 材 为 2205 双 相 不 锈 钢 管,规 格 为 ?114mm×5mm(外径×壁厚),其力学性能如表1 所示,显微组织为α(铁素体)+γ(奥氏体),α相体积 分数约为 50%,无 析 出 相。试 验 所 用 焊 材 分 别 为 ER2209焊丝(直径为2.4mm)和 ER2594焊丝(直 径为1.6mm),其化学成分如表2所示,符合 AWS A5.9—2017 Welding Consumables-Wire Electrodes,Strip Electrodes,Wires,and Rods forArc WeldingofStainlesand HeatResisting Steels-Classification 的要求。

1.2 焊接工艺 

焊接采用钨极惰性气体保护焊(GTAW)工艺, 其中全程选择ER2209焊丝的焊接接头编号为1号, 根焊选择 ER2594焊丝、热焊和盖面焊选择 ER2209 焊丝的焊接接头编号为2号,具体焊接工艺参数如表 3所示。两组焊接接头均采用 V 形坡口,钝边长为 1mm,双边坡口角度为60°,根部装配间隙为3mm, 错边量不超过0.5mm,全程采用99.99%氩气保护。

1.3 试验方法 

采用 OLS4100型激光共聚焦显微镜对焊接接 头的显微 组 织、α相 含 量 和 析 出 相 进 行 检 测;采 用 TESCAN VEGA 型扫描电子显微镜(SEM)及其自 带的INCA-350型 X射线能谱分析仪(EDS)对焊接 接头化学成分进行分析;采用 UTM5305型材料试 验机进 行 刻 槽 锤 断 试 验,试 样 长 为 230 mm、宽 为 25mm,保留原始焊缝余高,用钢锯在试样两侧焊缝 端面的中心锯槽,槽深为3mm;采用 WZW-1000型 弯曲试验机进行背弯试验,试样长为230mm、宽为 25mm,去除焊缝余高;采用 KB30BVZ-FA 型维氏 硬度计 进 行 维 氏 硬 度 (HV10)测 试;根 据 ASTM A923-2014StandardTestMethodsforDetecting Detrimental Intermetallic Phase in Duplex Austenitic/FerriticStainlessSteels 中的方法 C 对 焊接接头进行6%(质量分数,下同)的 FeCl3 点蚀试 验,试验温度为(22±1)℃,试验周期为24h;根据 ASTM G36—2013 Standard Practice for Evaluating Stress-Corrosion-Cracking Resistance of Metalsand Alloysin a Boiling Magnesium ChlorideSolution,采用四点弯曲法对焊接接头进行 25%沸腾 MgCl2 应力腐蚀开裂试验,拉应力为标准 规定最低屈服强度的50%,试验周期为96h;采用 KITE-R型扫描电化学工作站对焊接接头的根焊进 行扫 描 振 动 电 极 技 术 (SVET)测 量,试 验 溶 液 为 3.5%NaCl,针尖为10μm 的 Pt/Ir探针电极,位于 试样上方100μm 处,沿垂直于试样表面二维运动, 电极振动频率为70Hz,测量间隙为10ms。 

2 试验结果与分析 

2.1 化学成分及显微组织形貌

1号和2号试样焊接接头根焊纵截面的 EDS分 析区域如图1所示,其分析结果如表4所示。从表4 可知:与1号试样根焊相比,2号试样根焊的铬含量 提高约10%,根焊热影响区的铬含量提高约6%,根 焊钼含量提高约71%,镍含量未见明显变化。图2 和图3分别为1号和2号试样不同区域的显微组织 形貌,金相检验结果如表5所示。从表5可知:与11号试样根焊及其热影响区(熔合线至0.2mm 内) 相比,2 号 试 样 根 焊 及 其 热 影 响 区 (熔 合 线 至 0.2mm 内)γ相含量增多,γ相分布更均匀,析出更 充分;但与母材相比,2号试样根焊和热影响区的 γ 相含量仍然偏低、组织偏大且分布较为不均。

2.2 力学性能

1号和2号试样的力学性能测试结果如表6所 示。从表6可知:刻槽锤断试验后断口未见超标缺 陷,背 弯 试 验 后 未 出 现 裂 纹,维 氏 硬 度 均 低 于 300HV,接近母材硬度,但2号试样较1号试样根 焊硬度略高(见图4),这是因为2号试样合金元素 的质量分数更高。

2.3 耐腐蚀性能 

从1号和2号试样焊接接头根焊处取样,分别 进行25%沸腾 MgCl2 应力腐蚀开裂和6%FeCl3 点 蚀试验,结果见表 7。从表 7 可知:与 1 号试样相 比,2号试样的耐应力腐蚀开裂性能未见差异,试验 后两组试样均未断裂;点蚀试验后放大20倍观察两 组试样仍无点蚀(见图5),但2号试样的腐蚀速率 较1号试样显著降低,降幅约为95%(见图6)。利 用SVET(扫描振动电极测试)分别沿1号和2号试 样焊接接头根焊进行纵向扫描,试验结果分别如图 7,8所示,其中:X 轴表示焊接接头纵向,0代表熔合线,负值表示向焊缝方向扫描,正值表示向母材方 向扫描;Y 轴表示焊接接头横向,0代表根焊中部, 负值表示向内壁侧扫描,正值表示向外壁侧扫描,振 动范围不超出根焊;Z 轴表示腐蚀电流,正值表示阳 极电流,负值表示阴极电流。从图7,8可知,1号试样从2h开始,其热影响区腐蚀电流显著增大,到 10h后焊缝和母材腐蚀电流逐步提高,这说明热影 响区首先发生腐蚀,然后焊缝和母材逐步发生腐蚀; 而2号试样从6h开始,其热影响区腐蚀电流显著 增大,到12h后母材腐蚀电流显著增大,而焊缝腐 蚀电流仍较低,这说明热影响区首先发生腐蚀,随后 母材和焊缝依次发生腐蚀。与1号试样对比可见,2 号试样根焊和热影响区的耐腐蚀性明显提高,特别 是根焊的耐腐蚀性已超过母材。

2.4 综合分析 

从试验结果分析可知,与全程采用 ER2209焊丝 进行焊接相比,采用 ER2594焊丝(根焊)+ER2209 焊丝(热焊和盖面焊)进行组合焊得到焊接接头的根 焊及热影响区的化学成分和显微组织有明显变化,铬 含量提高6%~10%,γ相含量增多、两相组织分布更 均匀;力学性能未见明显差异,刻槽锤断、背弯和硬度 试验结果无异常;其根焊及其热影响区的耐应力腐蚀 开裂性能良好,腐蚀速率降低约 佳,且焊缝较母材的耐腐蚀性更优 95 %,耐腐蚀能力极 佳,且焊缝较母材的耐腐蚀性更优 。

2205双相不锈钢优良的力学性能和耐腐蚀性 能是由其特殊的相结构和相比例决定的[5]。焊接是 一个短时复杂的冶金过程,其对2205双相不锈钢焊缝的组织和性能转变的影响也十分复杂。从合金元 素的角度分析,铬当量(wCreq)和镍当量(wNieq)表征 了铁素体和奥氏体结构的稳定性,两者的计算方法 分别如式(1)和式(2)所示[5] wCreq =wCr +wMo +0.7wNb (1) wNieq =wNi+35wC +20wN +0.25wCu (2) 研究表明[5],wCreq/wNieq 的比值越低,则α相越 少,γ 相 越 多。ER2209 和 ER2594 焊 丝 的 wCreq/ wNieq 比值分别为1.90和1.93。由此可见,ER2594 焊丝的wCreq/wNieq 比值更高。此外,从两种焊丝的 化学成 分 对 比 可 知,除 合 金 元 素 有 明 显 差 异 外, ER2594焊丝的氮元素含量更高。氮元素可以显著 促进γ相的形成,对改善不锈钢的力学性能和耐腐 蚀性非常有效,并改善两相中铬、镍、钼元素的分布。 因此,在这两方面的共同作用下,氮元素的强化作用 更加突出,使得 ER2594根焊的γ相含量更多、分布 更加均匀,因此 ER2594焊接接头也获得了良好的 力学性能,力学性能试验结果也证明了这一点。

双相比及合金元素含量是影响双相不锈钢耐腐 蚀性的关键因素,在双相比接近的情况下,合金元素 的含量决定了其耐腐蚀性。铬元素能促进双相不锈(上接第27页) 钢发生钝化,保持钝化膜稳定,增强钝化膜修复能 力。ER2594根焊及其热影响区因具有接近50%的 α相含量及较母材更高的铬含量,所以根焊较母材 耐腐蚀性更优,这有效地解决了焊缝耐腐蚀性较母 材差的问题。 

3 结论及建议 

与全程采用 ER2209 焊丝所得的焊接接 头 相 比,根焊采用 ER2594焊丝所得的焊接接头,根焊及 其热影响区铬含量提高了6%~10%,γ 相含量增 多、两相组织分布更均匀,力学性能和耐应力腐蚀性 能良 好,腐 蚀 速 率 降 低 约 95%,耐 腐 蚀 性 极 佳。 ER2594根焊及其热影响区具有接近50%的α 相含 量及较母材更高的铬含量,因此 ER2594根焊较母 材的耐腐蚀性更优。 2205双相不锈钢管焊接采用 ER2594焊丝进行 根焊,可有效地解决焊缝耐腐蚀性较母材差的问题。 

参考文献: [1] 吴玖.双相不锈钢[M].北京:冶金工业出版社,1999. [2] 屈金山,王元良.双相不锈钢焊接接头的耐腐蚀性能 [J].中国有色金属学报,2001,11(增刊1):194-198. [3] 李为卫,吉玲康,池强,等.2205双相不锈钢焊缝组织 转变行为研 究[J].焊接技术,2018,47(2):20-24. [4] 石巨岩,昌敬源,谢贵生,等.固溶温度对2205双相不 锈钢焊缝组织与韧性的影响[J].材料热 处 理 学 报, 2009,30(4):69-72. [5] JIANGY M,TAN H,WANGZY,etal.Influenceof Creq/Nieq on pitting corrosion resistance and mechanical properties of UNS S32304 duplex stainlesssteelweldedjoints[J].CorrosionScience, 2013,70:252-259.

< 文章来源>材料与测试网 >