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2205 双相不锈钢埋弧自动焊焊接工艺研究及分析

本文针对双相不锈钢埋弧焊焊接接头的金相组织观察及力学性能的检测,以及耐蚀性能的分析,进而对双相不锈钢埋弧焊焊接工艺运用进行较为全面的总结,以便制定合理的焊接工艺方案。试验结果表明,双相不锈钢具有良好的焊接性,在选择合适的坡口并合理控制热输入和冷却速度的前提下,可以获得良好的力学性能和耐蚀性能的焊接接头,保证焊接试板的质量。


  前言

  试验采用 Outokumpu 公司生产的 2205 双相不锈钢材料,具有极强的耐腐蚀性能,又具有较高的强度和韧性,且便于制造加工,这就使得其成为化学品船液货舱结构建造的首要选择。而焊接方法中,埋弧自动焊工艺应用较多。但双相不锈钢在埋弧焊焊接过程中存在一系列问题:

  (1)焊接变形大,精度控制难度增加;


  (2)热输入的大小使双相组织受到破坏,影响其具有的力学性能及耐腐蚀性能;


  (3)焊接参数不合适将引起一系列的焊接缺陷等。


  本文通过对不同厚度的双相不锈钢进行埋弧自动焊试验,选择出合适的坡口形式及焊接参数,通过力学性能试验及金相试验,分析在保证焊接接头质量的可靠性和稳定性的情况下如何选择合适的焊接参数控制焊接变形等一些问题。


  1  2205 双相不锈钢的特点分析


  2205双相不锈钢最主要合金元素是Cr、Ni、Mo和N,其中Cr含量为22%。其化学成分见表(1)。Cr和Mo为增加铁素体含量,而Ni、N为奥氏体稳定元素,有些钢种还含有Mn、Cu、W等元素。Cr、Ni和Mo能够改进抗腐蚀性,在含氯化物的环境中抗点蚀及裂缝腐蚀的性能特别好。N是强化奥氏体形成元素,增加双相不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的能力,氮可以延缓金属间隙的析出,降低双相不锈钢中形成σ相的倾向[1]。

  双相不锈钢的力学性能与钢板的回火温度有关,回火温度越高,强度越低。回火温度为600 ℃时,屈服强度为400 MPa,抗拉强度为650 MPa。图2为2205双相不锈钢的金相组织(腐蚀剂30g K(OH) + 30g K3 Fe (CN)6 + 100ml H2O ),双相不锈钢的金相组织由α铁素体(黑色)和γ奥氏体(白色)二相组成,具有体积分数大体相等的特征[2]。

因此,双相不锈钢兼有奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的双重特征。与铁素体不锈钢相比,其韧性高,韧脆转变温度低,耐晶间腐蚀性能和焊接性能显著提高,同时保留了铁素体不锈钢导热系数高、膨胀系数小、具有超塑性等特性;而与奥氏体不锈钢相比,屈服强度和抗疲劳强度显著提高,约为奥氏体不锈钢的2倍,且耐晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等性能有明显改善。氮在强化2205双相不锈钢中起着重要的作用,但当氮的质量分数超过0. 2%时,由于氮的间隙固溶强化使得奥氏体的强度大于铁素体。增加铁素体的含量,会导致冲击韧性降低,也导致氮在铁素体中的析出,生成氮化铬,因为氮在铁素体中比在奥氏体中的溶解度低。冷加工能降低2205双相不锈钢的冲击韧性,提高韧脆转变温度。而在280——350 ℃区间过渡时效也会导致韧性降低。

  2  2205 双相不锈钢埋弧焊试验及焊接性分析


  1) 焊接试验材料选用


  1.母材


  本次埋弧焊试验的材料为 Outokumpu 公司提供 δ=10mm、δ=12mm 和 δ=16mm 的双相不锈钢,其力学性能如下表 2。

  2205 双相不锈钢的焊接对污染更敏感,特别是对湿气和水分。任何类型的油污、油脂和水分等污染会影响材料的抗腐蚀性及力学性能,因此在焊接前要对母材进行严格清理。

  2.埋弧焊丝


  本次试验选用国外进口 Avesta 2205 的匹配双相不锈钢焊丝,直径为 Φ3.2mm,为保证试验结果的可靠性,整个试验过程均按照 DNV 船级社的要求进行。

  3.埋弧焊剂


  2205 双相不锈钢的埋弧焊焊接过程中,因为双相不锈钢的焊缝熔池流动性较差,必须考虑焊接的熔透性和良好的脱渣性,在确保焊透的前提下,保证焊缝成型的效果,焊剂的选用是关键。


  因此,本次工艺试验选用 Avesta 805 焊剂,此焊剂为碱性的烧结焊剂,在焊剂中添加 Cr 元素,以保证焊缝金属的性能要求,同时,在焊剂中有一定量的 SiO2,能够将焊剂碱度控制在 1.7 左右,以减少焊剂的熔化量,减小熔宽波动,避免焊道边缘不良的成型效果,确保焊缝的美观。


  2) 坡口形式的选择


  在焊接过程中,坡口的选择决定焊接变形的大小。双相钢具有良好的导热性及较低的膨胀系数使得双相不锈钢的焊接变形比碳钢大很多。我们选取常用的钢板厚范围:10-18mm,分别选用三种不同板厚,三种不同坡口形式进行前期比较试验,通过埋弧焊焊接后,观察其变形程度。板厚分别为 δ=10mm,δ=12mm,δ=16mm,其坡口形式如下图:

  通过对以上三组板厚及坡口试板进行埋弧焊试验比较,其中 δ=10mm 和 δ=12mm 的双相钢板采用双面单道焊的变形相比于板厚为 δ=16mm 的双相钢板的双面单道焊变形小,其变形大小如下表 4 所示

  因此,综合考虑焊接变形及施工过程中的焊接效率,我们选用厚度为 δ=12mm,坡口形式如图 6 所示的双相钢板进行工艺评定试验。

  双相不锈钢的坡口应预先经过很好的准备,最好采用机械加工,不宜采用砂轮打磨的方法,要避免坡口表面粗糙与装配间隙不均匀。


  3) 双相不锈钢埋弧焊试验


  对于双相不锈钢焊接,一般不需要进行焊前预热,因为预热会降低焊接热影响区的冷却速度,会导致双相不锈钢析出金属脆性相,从而降低接头的韧性和耐蚀性。


  焊接方法采用埋弧自动焊,直流反接,焊前清理焊接接头坡口附近的水分及油污等杂质,采用双面单道焊形式,待正面焊道焊接完成后,道层间温度低于 150℃,再翻身焊接背面焊道,其背面留根无须等离子清根处理,正面焊道的焊速较快,背面焊道的焊缝适当减慢,以增加熔深。


  由于双相钢焊接接头对热输入大小对双相不锈钢的耐蚀性有非常大的影响。因此,理论上热输入量需要控制在 25KJ/cm 以下,如果热输入量过大,焊接接头的冷却速度慢,会在不锈钢中析出碳化物、氮化物,并形成缺铬现象,特别是在热影响区,会析出 σ 相等有害相,造成双相组织的优良性能降低,造成韧性和耐蚀性降低,因此必须严格控制热输入,实际焊接焊接参数如表 5 所示。

  通过使用热输入计算公式:K=UI/V


  计算得:正面焊道的热输入为 22——23.6KJ/cm;反面焊道的热输入为 26——28KJ/cm。


  在焊接完成后,按照 DNV 规范,分别进行外观检查及射线探伤,结果焊缝尺寸宽度为 25——26mm,余高为 1.5——2mm,表面成型美观;射线探伤没有发现任何影响焊缝性能的焊接缺陷,均符合 DNV 标准规范。


  3 2205 双相不锈钢埋弧焊试验结果分析


  1)金相分析


  双相不锈钢的金相组织为铁素体及奥氏体,分别取焊缝区、热影响区及母材的微观 进行分析。图 8 中焊缝区域中组织为树枝晶组织。图 9 热影响区中铁素体与奥氏体分布 不均匀,但所占比例大致一样,没有出现σ相析出。




  2)力学性能测试


  拉伸试验:如表 6 所示,试样均断于母材,断口均为塑性断裂,并均无裂纹,强度及断后伸长率与母材相当,焊缝具有良好的韧性。


  弯曲试验:如表 7 所示,试样经 180°,4 倍板厚压头直径进行侧弯试验,试验结果符合 DNV 船级社规范。


  冲击试验:冲击试样取 10×10×55mm 的标准尺寸进行试验,取 4 套试样,分别焊缝中心、交界、界外 2mm 和界外 5mm,每套 3 根,试样开 V 型缺口,冲击试验结果如表 8 所示。


  硬度试验:根据 DNV 船级社规范,双面焊试样硬度三条线,均需要覆盖到焊缝中心、热影响区及母材,试验结果如表 9 所示。


  因此,通过以上金相及力学性能分析,建议在焊接过程中热输入控制在 25KJ/cm 以内,最大不得超过 30KJ/cm,才能保证双相钢理想的相平衡,其次是控制好层间温度,因为冷却速度的快慢决定了转变为奥氏体的铁素体的数量,同样也是影响两相的平衡,导致影响焊接接头的韧性。


  4.结论


  2205 双相不锈钢的焊接工艺在实际生产过程中很少使用,焊接技术经验缺乏,通过不断的摸索与焊接试验,保证焊接质量,本文对埋弧焊焊接试验过程中的注意事项及问题进行了分析与总结:


  1)2205 双相不锈钢的焊接对污染敏感,在焊接前要对材料进行严格的清理,以免使得油污、水分等的污染会影响材料的抗腐蚀性能。


  2)针对 2205 双相不锈钢的变形大的问题,埋弧自动焊采用双面单道的焊接方法能够很好的控制热输入,进而控制焊接过程中引起的变形,避免其在船舶建造过程中引起的变形导致精度控制难度加大,减少在工程建造中的不必要浪费。


  3)2205 双相不锈钢焊接过程中热输入量应尽量控制在 25KJ/cm 以内,最大不得超过30KJ/cm,并控制好层间温度,才能够保证双相不锈钢理想的相平衡,使其力学性能在规定的范围内。


本文内容来源于“压力容器人”



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