焊接工艺及接头组织性能研究

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【摘要】综合性能很高的双相不锈钢，在其力学性能十分突出的同时也具备级高的耐腐蚀性，因此，被广泛使用在各行各业中用于代替一般的不锈钢，如生物工程、食品药品等行业，在实际使用中，为节约成本，提升经济效果，在很大程度上发挥多种材料性能，大多会用多相不锈钢与其他合金相互焊接结合使用，很大程度上降低了材料的使用性能。但是，由于不同的合金元素比例都会存在很大的差别，使得不同种类的材料焊接在一起相对困难，假如技术不高，在焊接中可能会产生很大概率的焊缝稀释率，且最大的缺点就是在焊缝处容易出现气孔或者裂痕等情况。因此，本文使用2205双相钢和Q345R低合金钢为实验材料来进行焊接工艺及接头组织性能研究。

【关键词】双相不锈钢；异种金属；焊接工艺；耐腐蚀性

2205双相不锈钢是种中合金型双相不锈钢，因其铬元素含有22％，也常被称作22铬双相不锈钢。其的固溶组织中，铁素体与奥氏体各占50％对力学强度和耐腐蚀性起关键作用的。因此，其具有铁素体与奥氏体不锈钢的双重性能。这不但使其具有很高的力学强度和良好的焊接性，而且在抵抗点蚀、均匀腐蚀和应力腐蚀开裂等方面都表现出优越的性能。资料显示，当今2205双相不锈钢产量占全球双相不锈钢总产量的80％，已成为这一序列的主力。目前，它已被广泛应用于石油天然气开采、船舶制造和环境保护等工业领域。双相不锈钢在焊接时会出现热裂纹、冷裂的敏感性小，在焊接时要在接口达成一定的比例，对于金属相要减少产生，除了合金的元素影响相比例外，在焊接的时候产生的热循环对于相比例所产生影响也很大。因此，研究使用不同方式焊接工艺来对双相不锈钢的接头的组织与力学性能的影响以和能够很好的使用和推广双相不锈钢有很大的进步。

1实验材料

试验材料是经过熔炼与锻造后的2205双相不锈钢（SAF2205）和低合金高强钢Q345R材料，该次试验钢材化学含量详见表1，钢材的力学性能详见表2。

2焊接工艺及方式

2.1选择焊接方式

2205双相不锈钢与Q345R低合金高强钢进行焊接，由于这两种钢材的元素含量具有很大的不同，在焊接时应该最大程度减小焊缝处稀释率。钨极惰性气体保护焊（TIG）其优点是电弧和熔池可见性好，操作方便；没有熔渣或很少熔渣，无需焊后清渣，质量高但速度较慢。如果焊接处能形成很好的一个接口，就能很好的控制焊缝熔合比，对焊缝金属的稀释就能有效的减少。为了不让焊缝氧化，使用钨极惰性气体保护焊时候应该保持一定比例的保护气体氩的纯度。相比较来说，焊条电弧焊（SMAW）用手工操纵焊条进行焊接，设备简单维护方便、操作灵活适应性强，在又有风的室外比钨极惰性气体保护焊的工作效率都要高。因此，本文拟使用TIG和SMAW焊接技术来对2205与Q345R钢材进行焊接。

2.2对于焊接材料选择

根据2205与Q345R两种钢材特性要考虑焊接材料在焊接过程中的损耗，因此，在选择焊接材料的时候熔炼值应该大于2205钢材，所以要选择超合金化焊接材料。在两种不同种类的钢材焊接时在焊点会出现碳元素溢出，焊点出现碳元素会使焊接钢材接头强度将低、热疲劳性下降，而且在脱碳层形成一层氧化膜极易脱离使得接头很早就是去作用。在焊接时使用合金元素Ni就能有效降低焊点附近出现的碳元素迁移，因此结合理论和实际实验分析得出，大多分使用的焊丝里Ni的含量要高于被焊接材料的2～3%。

2.3焊接工艺参数的确定

此次使用上海通用生产的WS-200氩弧焊机作为焊接工艺的焊接工具，将实验钢材350mm×200mm×10mm的尺寸，实验方式是街头对接的方式，单头形成V型口，能使填充焊接材料很好的进入焊缝中，降低焊缝熔合比，所以，使用坡口和间隙要大的坡口形式，坡口角度α=65°，钝边b=2.5mm，间隙c=2.5mm。要使用酒精等对焊缝进行焊接前的清洗，焊接时，不要进行多余的操作，要快速焊接，要保证焊接的接头具有完整性和高质量性，且要利用二次热循环效果，在焊接时要进行多层多道焊，焊完每层后要对接缝清理干净，在进行下一场焊接，焊接接头的时候要严格控制温度，不要超过150℃，TIG焊使用纯度为99.99%的Ar气体为保护气体。经过实际实验得出，改变焊接热输入进行焊接的时候，经过反复试验并利用实验所得接头进行力学性能测试，改进焊接参数，在优化焊接工艺的情况下得到数据，详见表3几种样品钢材接头的具体焊接参数见表。三组对比试验分别为：A组使用ER2209焊丝的钨极惰性气体保护焊（TIG）；B组使用ER309焊丝的钨极惰性气体保护焊（TIG）；C组使用E2209焊条的焊条电弧焊（SMAW）。

3钢材样品接头性能测试

3.1钢材样品拉伸性能测试

将焊接的钢材样品的接头加工成标准拉伸试验件，利用拉伸实验机测出通过三种焊接工艺焊接钢材样品接头的拉伸强度。进行实验时，大部分情况采用接口拉伸测试得到的最大断裂数据跟实验前测量最小数据的比值，利用计算得到抗拉伸强度。拉伸检测标准，要求钢材样品的抗拉伸强度大于或等于材料的原定的最小抗拉伸强度，但是不用等于或者大于实验材料最大抗拉伸强度。如果实验材料在实验时出现断裂，而且抗拉强度大于或等于材料既定的最低抗拉强度时，就可以判断该实验材料抗拉强度是达标；如果实验材料在实验时焊缝或熔合区出现断裂，而且抗拉强度大于或等于材料规定的最低抗拉强度时，在达到其它性能需求时，也可以判断该材料合格；但是假如实验材料在实验时远地低于材料的理论抗拉强度下发生断裂，就可以判断该材料焊接的接头性能不合格。在进行拉伸实验时，需要对于每种实验样品都进行三次测试，而后取平均值，几种焊接接头的拉伸实验结果详见表4。为方便比较分析，同时也将两种材料抗拉强度数据也一并加入表中。

3.2钢材样品弯曲性能测试

钢材样品材料在进行弯曲性能测试时必须在弯曲实验台上进行，要求试验样品的焊缝中心位置必须放在实验台下。进行表明弯取测试时，钢材样品要把焊缝外表面朝向下模放，背面弯区试验时要把焊缝内的表明朝下模放置，随后往上模施进行施压，将实验样品压入模具内，一直到试验样品成为U性弯。对于检测钢材样品弯曲性能达标与否的评判，一般要求钢材样品弯面上焊缝与熔合区域所发现的裂缝或者其他破损要低于实验样品壁厚的1/2，产生在试验样品其他位置方位的裂缝尺寸要小于6mm才算达标。几种实验样品的焊接接头弯曲实验结果详见表5。

3.3接头的冲击性能测试

本文冲击测试的标准是使用国家标准《焊接接头冲击试验方法》（GB/T2650-1989），测试要点如下：①钢材样品焊缝处有气孔或者裂缝等问题，则不能进行测试；②同样条件下，钢材样品的同一位置要取样结果不少于三个；③对于实验样品出现缺口前，应该先腐蚀焊接接口，在对焊接区域能清楚显示后，再按照需求来划线；④实验样品断裂后，应该先检查断口处有没有气孔等问题，若断口处出现气孔或裂缝等问题，则该次实验结果无效。在表6中冲击试验结果几种接头的冲击试验结果。

4结论

（1）双相不锈钢焊接使用TIG和SMAW比较适合，使用的能源较少和进行多层焊接，得到相比例、力学性能都很符合质量标准的焊接接口。（2）奥氏体的含量在TIG焊缝处要比SMAW焊缝含量高，其原因是TIG中的保护气体中含有的1.5%N2增强辅熔金属奥氏体的产生；还有是TIG焊接的温度相对较高，焊接完成后需要长时间冷却，奥氏体能有时间充分产生。（3）TIG焊接使用98.5%Ar+1.5%N2保护气焊接的接头跟酸性焊条SMAW焊接的接头来比较，TIG焊接后的钢材所具备的抗拉强度与冲击韧性相对较高，焊缝和HAZ硬度值相对较低，因此，TIG焊接使用98.5%Ar+1.5%N2作为保护气的接头综合性能很好。

作者:苏雪梅 单位:南宁广发重工集团有限公司

参考文献

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[2]王仓，周吉智.焊接工艺对双相不锈钢焊接接头力学性能和组织的影响[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2011（02）.

[3]马启慧.双相不锈钢异种金属的焊接工艺及接头组织性能研究[D].南京航空航天大学，2010.