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            1. 2205雙相不銹鋼管與304奧氏體不銹鋼管的焊接

              采用焊條電弧焊(SMAW),以E2209作填充材料對2205雙相不銹鋼管304奧氏體不銹鋼管異種金屬焊接工藝進行研究,通過優化焊接工藝參數,獲得了具有良好力學性能和合適雙相比例的焊接接頭。接頭力學性能測試表明,拉伸試樣斷裂發生在強度相對較低的304母材側;2205母材側熱影響區的顯微硬度值高于焊縫和2205母材,而304母材側熱影響區的顯微硬度值高于304母材。對接頭過渡層進行XRD相結構分析,未發現M23C6、Cr2N和σ等有害相析出,接頭拉伸斷口掃描觀察表明,接頭呈明顯韌性斷裂特征。接頭性能滿足工程實際應用要求。

              雙相不銹鋼管(DuplexStainlessSteel,DSS)的固溶組織中奧氏體相和鐵素體相大約各占一半,兼有兩相組織特征。雙相不銹鋼管綜合了奧氏體型和鐵素體型不銹鋼管兩者的優點,即奧氏體不銹鋼管具有的良好韌性和焊接性能,鐵素體不銹鋼管具有的較高強度和耐氯化物應力腐蝕性能,因此,被廣泛應用于天然氣和石油管道、熱交換器、壓力容器和造紙工業中,其中在焊接件和焊接結構的應用尤其廣泛。在含有氯離子、硫化氫介質等腐蝕環境中使用的壓力容器、換熱器、反應器等設備,采用雙相不銹鋼管能夠延長設備的使用壽命,如煉油廠的換熱器常常處于HCl、H2S的腐蝕環境中,雙相不銹鋼管制造的換熱器的管板可用奧氏體不銹鋼管,這樣既節省了資金,又能保證結構的使用性能。這涉及到雙相不銹鋼管與奧氏體不銹鋼管異種金屬的焊接問題。異種鋼焊接的主要困難在于異種金屬之間的物理和化學性能差異較大,在焊接過程中經常會出現合金元素的遷移、組織發生變化等現象導致接頭性能變差,異種金屬的熱膨脹系數不同也會引起熱應力、塑性差異和應力增加,從而產生裂紋等,降低接頭的力學性能和耐腐蝕性能。因此,對雙相不銹鋼管和奧氏體不銹鋼管異種鋼焊接進行研究具有較大的實際意義。

              1實驗材料和方法

              實驗用母材為經熔煉和鍛造的00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼管(SAF2205)0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管(304),將母材試樣加工成尺寸300mm×150mm×8mm?紤]到焊接過程中母材對焊縫金屬的稀釋作用以及合金元素的燒損等,采用Cr、Ni含量相對較高的E2209焊條對2205雙相不銹鋼管304奧氏體不銹鋼管異種鋼進行焊接,母材和焊條的化學成分如表1所示。

              實驗采用焊條電弧焊(SMAW),直流反接。接頭形式為對接接頭,為了保證焊透,開V型坡口,如圖1所示。焊接前先用丙酮、酒精對焊接區進行嚴格清洗。焊接時,不預熱、不擺動焊條、快速焊接。為保證獲得焊接質量較高的焊接接頭,充分考慮到二次熱循環的影響,焊接過程中采用多層多道焊,這樣在進行每層焊接的同時又對上一層焊道起到熱處理的作用,可在一定程度上促進接頭熱影響區中的鐵素體向奧氏體轉變。每焊完一層焊縫都應徹底清理打磨干凈,再焊接下一層焊縫。嚴格控制層間溫度(小于等于150),以減少焊縫在脆性區間內的停留時間,降低焊縫中脆性相析出的可能性。具體焊接工藝參數如表2所示。

              焊后根據有關國家標準,在CMT5105型電子萬能試驗機上進行接頭的拉伸強度實驗;在HXS1000A型顯微硬度計上測定接頭區域的顯微硬度分布;在Quanta200型掃描電鏡上觀察接頭拉伸試樣的斷口微觀形貌;在MM6型金相顯微鏡上觀察接頭區的金相組織;采用D8AdvanceX射線衍射儀測定接頭的相結構組成。

              2實驗結果和分析

              21力學性能測試

              211接頭拉伸強度

              根據GB26511981《焊接接頭拉伸試驗法》將接頭試樣加工成標準的拉伸試樣,然后在CMT5105型電子萬能試驗機上進行接頭拉伸試驗,測試條件為:加載速率8mmmin,加載載荷10kN,接頭拉伸實驗結果如表3所示。為便于比較,將母材本身的抗拉強度一并列入表3。

              由表3可知,接頭的抗拉強度平均值為653MPa,斷裂均發生在抗拉強度較低的304奧氏體不銹鋼管母材側,完全滿足工程結構對接頭的強度要求。因此,從接頭強度角度來看,接頭熔合區的組織和性能是合格的,它不是整個焊接接頭的薄弱環節。究其原因,因為采用含高鉻、鎳合金元素的不銹鋼管焊條作填充材料,接頭中的合金元素含量高于母材中的合金元素含量,合金元素起到置換或者間隙強化的作用,在拉伸過程中使位錯產生釘扎,阻礙了位錯的運動,從而使接頭具有較高的強度。并且采用多層多道焊,在一定程度上降低了接頭的殘余應力,從而獲得了滿意的焊接接頭。

              212顯微硬度測試

              采用HXS1000A型顯微硬度計沿焊縫金屬—熱影響區—母材測量接頭區域的顯微硬度分布,測量條件:負荷100g,加載時間20s。測量點之間的間隔約為50μm,每個點測量三次后求其平均值,測量結果如圖2所示。

              由圖2a可知,接頭熱影響區和焊縫金屬區的顯微硬度要高于2205母材本身的顯微硬度,且在熱影響區的硬度值最高(268HV)。這是因為接頭組織中的奧氏體在焊接過程中轉變成為鐵素體,在冷卻結晶過程中重新在奧氏體邊界或內部析出,且這一轉變速度非?,因此接頭HAZ中鐵素體的含量一般都比較高。而鐵素體的硬度大于奧氏體,因此熱影響區的硬度較高。圖2b304奧氏體不銹鋼管側熱影響區的硬度高于304母材本身的硬度,這是由于在熱影響區內有一些條狀的晶粒生成,分布在奧氏體晶粒上,這些晶粒的形成增加了晶界的數量從而產生晶界強化,使得熱影響區的硬度高于304母材。

              22微觀結構分析

              221金相組織觀察

              2205雙相不銹鋼管304奧氏體不銹鋼管焊接接頭由2205母材、2205焊接熱影響區、焊縫金屬、異種鋼熔合區、304熱影響區、304母材等部分組成。兩種母材的顯微組織如圖3所示。由圖3a可知,雙相不銹鋼管中奧氏體和鐵素體的體積分數大約各占一半,顯微組織存在明顯的方向性,呈帶狀組織分布,在鐵素體基體上分布著長條狀的奧氏體。304不銹鋼管的組織為奧氏體組織,其中有很少量的鐵素體,如圖3b所示。

              焊縫金屬區的顯微組織如圖4所示。由圖4可知,焊縫區組織為奧氏體+鐵素體,其中的奧氏體相呈樹枝狀,奧氏體在鐵素體相的晶界或晶內形成,形成很多碎枝晶分布在鐵素體基體上。雙相不銹鋼管的焊縫區與原始母材相比,組織中奧氏體相的體積分數明顯增加,這是由于所加填充材料中的w(Ni)高于雙相不銹鋼管母材的w(Ni),使焊縫區的奧氏體含量明顯增加,從而在焊接熔化和快速冷卻過程中形成了有別于母材本身形態的組織。焊縫金屬從熔化狀態冷卻至室溫時,與接頭HAZ在高溫時的轉變一樣,部分鐵素體會轉變為奧氏體,從而形成雙相組織。兩平衡相的數量和α/γ比值無論是對焊縫的抗裂紋能力,還是對焊縫的力學性能和耐腐蝕性能都有著重要影響[3]。理想的雙相不銹鋼管組織應為鐵素體和奧氏體各占50%,實際上各種材料的相含量在30%~60%之間都屬于正常[4]。在本實驗中采用網格法對焊縫組織中的γ相和α相含量進行定量測定。測試結果表明,焊縫金屬中鐵素體含量約為44%,雙相比例符合要求,因此能夠使接頭保持較高的力學性能。

              5a和圖5b分別為2205雙相不銹鋼管與焊縫界面、304奧氏體不銹鋼管與焊縫界面附近的組織形貌,從圖5中可看出,焊接熱影響區和熔合區的組織過渡情況。圖5a中左側為2205雙相不銹鋼管母材逐步過渡到右側的焊縫金屬區,可以看出,2205雙相不銹鋼管熱影響區中的奧氏體組織形態與母材中的奧氏體組織形態不同,呈條塊狀,也有一部分呈尖峰狀,呈現出明顯的區域性分布特點。這是由于熱影響區中的奧氏體組織形態與焊接冷卻過程中鐵素體向奧氏體的轉變有關,由于焊接時冷卻速度較快,奧氏體在原鐵素體晶界形核長大,形成晶界無定形的奧氏體組織[56]。圖5b左側為接頭焊縫金屬區逐步過渡到右側的304奧氏體不銹鋼管熱影響區,界面微觀組織結構顯示,在靠近熱影響區附近出現長條狀的晶粒,這些晶粒呈明顯外延生長。根據文獻[7],這些長條狀的晶粒是鐵素體,條狀的鐵素體在靠近熔合線附近生長,可能是因為在熱循環過程中δ鐵素體形成后由于快速冷卻使得更多的鐵素體保留下來,這與所測的熱影響區硬度值高于母材相吻合。

              222拉伸試樣斷口掃描

              接頭拉伸試樣斷口掃描電鏡照片如圖6所示。斷口形貌為典型的等軸狀韌窩斷口,韌窩的數量多且分布密集,韌窩尺寸較小,其斷裂機制為微孔聚集型斷裂。金屬多晶材料在連續增加載荷的情況下,材料內部的夾雜物、析出物、晶界、亞晶界或其他塑性變形不連續的部位會發生位錯堆積,造成應力集中,從而在局部塑性變形區域導致微孔形成。隨著應變的進一步增加,微孔不斷連接、聚集、長大,最后材料發生縮頸和斷裂,結果在斷裂表面上出現了一些形狀、大小或深淺不同的韌窩。斷口掃描進一步表明所獲得的接頭質量良好,完全能夠滿足實際使用要求。

              223接頭過渡層XRD相結構分析

              通常在焊接過程中,接頭局部區域經歷了高溫焊接熱循環作用,因此,組織中除了含有鐵素體和奧氏體相外,還有可能含有M23C6、Cr2N以及類馬氏體等有害相。這些有害相硬而脆,若在焊縫中形成將會顯著降低接頭的塑性和韌性;此外,還可能導致接頭部位出現貧鉻區而降低接頭的耐腐蝕性能;诖,對接頭過渡層進行了XRD分析,測試結果如圖7所示。從圖7中可知,接頭焊縫中主要含有α和γ兩種組成相,符合預期希望獲得雙相組織的設想,并未發現有M23C6、Cr2N和σ等有害相析出。因此可以判斷,焊縫組織符合要求,采用的焊接工藝切實可行。

              3結論

              (1)采用焊條電弧焊,E2209焊條作填充材料對2205雙相不銹鋼管304奧氏體不銹鋼管進行焊接,通過優化焊接工藝,獲得了性能良好的異種金屬焊接接頭。

              (2)對接頭進行力學性能測試,拉伸試樣斷裂在強度相對較低的304母材側,2205雙相不銹鋼管側熱影響區的顯微硬度高于母材和焊縫的顯微硬度,304奧氏體不銹鋼管側熱影響區的硬度高于304母材。

              (3)金相組織觀察表明,焊縫金屬的顯微組織呈樹枝狀,奧氏體分布在鐵素體基體上,對焊縫區鐵素體相含量的測定表明,奧氏體和鐵素體兩相比例符合要求。焊接接頭過渡區的XRD分析,接頭焊縫中主要含有α和γ兩種組成相,并未發現有M23C6、Cr2N和σ等有害相析出。

              文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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