2205双相不锈钢的焊接性能分析

吴晶晶 刘明志

西安航天华威化工生物工程有限公司  陕西西安  710100

摘要：本文研究了2205双相不锈钢的母材成分及性能，并对其焊接性能进行了详细论述，选取了合适的焊接材料，制定了合理的焊接工艺参数，所得到的焊接接头各项性能指标均能满足使用要求。

关键词：2205双相不锈钢；焊接工艺；焊接性能

1前言

2205双相不锈钢是一种添加有非金属元素N的双相不锈钢，其合金是由21%的Cr、2.5%的Mo、4.5%的Ni以及0.17%的N所构成的复式不锈钢。其组织是由40%~60%的铁素体和60%~40%的奥氏体组成。2205双相不锈钢因其优良的机械性能、耐蚀性以及焊接性，得到广泛的应用与研究[1]。

2 2205双相不锈钢

2.1 2205双相不锈钢母材成分及性能

本试验中母材2205双相不锈钢，供货态为退火态，其化学成分如表1所示。

表1 双相不锈钢2205化学成分(%)

元素	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	N
含量	≤0.03	≤1.0	≤2.0	≤0.03	≤0.02	4.5~6.5	21.0~23.0	2.5~3.5	0.08~0.2

从双相不锈钢2205的化学成分可以看出，此钢中的碳含量很低，同时稳定基体中奥氏体含量的Ni元素含量与普通奥氏体不锈钢相比也要低。为了弥补Ni元素的作用，基体中还含有相对少量的N元素，N元素强烈的奥氏体化作用可以使钢中两相组织的比例达到最佳，从而保证了双相不锈钢2205良好的力学性能和耐腐蚀性能。

2205双相不锈钢的金相组织为铁素体和奥氏体，它们都成多边形，并且两相在组织中的比例都接近50%。由于其由铁素体与奥氏体两相组成，使其兼有奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的双重优点，它既有较高的强度，同时也兼有良好的塑韧性。典型的2205双相不锈钢抗拉强度达680MPa，屈服强度达480MPa，延伸率达25%，硬度为290HB。

2.2 2205双相不锈钢焊接性分析

焊接性，是指金属材料在采用一定的焊接工艺下，包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等特定的条件下，获得优良焊接接头的难易程度。

双相不锈钢在焊接时需要求焊缝金属在焊态时具有与母材相当的铁素体含量，其焊接材料的Ni含量比母材要高。2205双相不锈钢具有较为良好的焊接性。焊接过程中，由于钢中含镍量不高，所以不易在钢中形成低熔点共晶的杂质，从而不易产生低熔点的金属液态薄膜，故其焊接热裂纹的敏感性较小，冷裂纹的敏感性同样较小。一般情况下，双相不锈钢2205在焊前不预热，焊后也无需热处理。在钢中氮含量相对较高，HAZ单相铁素体化的倾向小，但是当HAZ在较快的速度冷却下来后，在基体中总是保留较多的铁素体，使得氢致裂纹与腐蚀倾向增加[2]。

2.3 2205双相不锈钢焊接工艺

双相不锈钢用的焊材，其特点是焊缝组织为奥氏体占优的双相组织，主要耐蚀元素(Cr、Mo等)含量与母材相当，从而保证与母材相当的耐蚀性。为了保证焊缝中奥氏体的含量，通常是提高镍和氮的含量，也就是提高约2%~4%的镍当量。根据耐腐蚀性、接头韧性的要求不同来选择与母材化学成分相匹配的焊条，如焊接Cr22型双相不锈钢，可选用Cr22Ni9Mo3型焊条，如E-2209焊条。采用酸性焊条时的脱渣性优良，焊缝成形美观，但冲击韧性较低，当要求焊缝金属具有较高的冲击韧性，并需进行全位置焊接时，应采用碱性焊条。当根部封底焊时，通常采用碱性焊条。当对焊缝金属的耐腐蚀性能具有特殊要求时，还应采用超级双相钢成分的碱性焊条。所以，双相不锈钢2205的手工电弧焊焊材选用为E-2209。

在焊接2205双相不锈钢的过程中，工件对污染度有较高的敏感性，所以在焊接双相不锈钢2205之前，要对工件表面进行严格清理。焊条在焊前须经过250℃×1.5小时的预热处理，焊件无需预热。采用多层多道焊的焊接方法，焊道与焊道之间的层间温度需控制在200℃范围左右。每层焊道焊接完成后需对其进行清理，除掉表面熔渣等杂物。焊完每道焊缝后，对其进行锤击，焊后也要对焊缝表面进行锤击，用以消除焊接残余应力，以防止焊缝裂纹的产生。其手工电弧焊焊接工艺参数为：焊条直径4.0mm、焊接电流120~140A、电弧电压22~24V、焊接速度120~150mm/min。

3 2205双相不锈钢焊接接头性能

采用前述焊接材料及焊接工艺参数对2205双相不锈钢进行施焊，焊后对焊接试板按NB/T47013.2-2015《承压设备无损检测》规定进行了100%射线检测，检测发现焊缝符合相关标准及设计要求的Ⅱ级要求。随后按NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》规定对焊接试板进行力学性能试验，此焊接工艺条件下的焊缝其各项力学性能指标均能满足设计及使用要求。

焊接接头的抗拉强度已经达到714.303MPa，屈服强度也相对较高，达到566.48MPa；力学性能已经达到了美国ASTM国际材料试验协会抗拉强度大于655MPa，屈服强度大于450MPa的标准值。且焊接接头拉伸试样在拉断以后，拉伸缩颈与断裂位置均在母材处，，焊缝处几乎没有缩颈产生，说明焊缝金属强度要大于母材的强度。

室温冲击试验结果显示韧性最薄弱的环节在热影响区处，冲击韧性为92J，母材的冲击韧性相对较高，在200J左右。通过对冲击断口的宏观观察不难发现，冲击断口的裂纹源都是在冲击试样的缺口附近形成，进而形成了冲击断口的三个特征区域：纤维区、放射区和剪切唇。冲击断口大体呈现解理断裂的特征，从冲击韧性的分析的来看，这一区域亦呈现脆性断裂的特征。但同时，也可从断口中看出有少量的撕裂棱分布在断口解理平台之间，呈现一定的准解理断裂的特性。查阅文献得知，由于焊缝区域存在较强的淬火倾向，使此区域的焊接残余应力增大，造成熔合线处容易产生焊接结晶裂纹，从而导致热影响区的冲击韧性相对较差[3]。

4 结论

双相不锈钢在焊接时需要求焊缝金属在焊态时具有与母材相当的铁素体含量，其焊接材料的Ni含量比母材要高。焊完每道焊缝后，对其进行锤击，焊后也要对焊缝表面进行锤击，用以消除焊接残余应力，以防止焊缝裂纹的产生。

参考文献

[1]张豪,董飞,陈继志.双相不锈钢研究进展[J].材料开发与应用,2008,23(3):57-59.

[2]张文钺,侯胜昌.双相不锈钢的焊接技术及其焊接材料[J].焊接技术,2004,33(1):40-42.

[3]申艳丽.焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头综合性能的影响[D].太原:太原理工大学,2007:8-15.