焊接工藝對S32205雙相不銹鋼組織和性能的影響

楊延麗，李進章，段世新，李利霞，魏 琪，胡寒婷

(中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471003)

S32205是一種典型的含氮鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼[1]。作為第二代雙相不銹鋼的典型代表兼有鐵素體不銹鋼的強度和奧氏體不銹鋼的良好韌塑性[2-3]，廣泛應用于石油化工、造紙機械和海水處理等工業領域[4]。在焊接構件的生產中，構件的承載能力是人們普遍關注的問題，其中坡口形式是影響焊接性能的重要工藝參數之一[5]。在工程應用中多以V形坡口和K形坡口最為常見[6]，近年來對SUS304、Q235和Q345等坡口形式的研究較多，但坡口形式對S32205雙相不銹鋼的研究較少。本文以S32205雙相不銹鋼為研究對象，對X形和K形坡口試樣在不同焊接工藝下的機械性能和微觀組織進行檢測和觀察，以期為改善S32205雙相不銹鋼焊接工藝提供技術依據。

1 試驗材料及制備

試樣鋼為固溶態S32205雙相不銹鋼，化學成分滿足標準ASTM A240/A240 M-05要求；焊材型號為ER2209，化學成分滿足標準AWS A5.9要求，具體化學成分檢測結果見表1。對接焊的坡口形式按標準GB/T 985.1—2008進行加工，試樣規格為2150 mm×6750 mm×40 mm。焊劑Sandvik15 W，電極直流反接(DCEP)，采用埋弧焊、氣保焊和手工電弧焊進行焊接，焊接工藝條件和坡口形式見表2。金相試樣經王水(HNO3:HCl=1:3)腐蝕后，采用光學顯微鏡觀察金相組織。

表1 母材S32205和焊材ER2209的化學成分(質量分數，%)

表2 焊接工藝條件

2 試驗結果與分析

2.1 硬度分析

按照標準ANSI/AWS B4.0M—2007進行布氏硬度測試，焊接前母材硬度為241 HBW，測試點位置和測試結果如圖1所示。結果表明：X形坡口和K形坡口試樣在三種焊接方法下的焊縫區和熱影響區硬度均大于母材；X形坡口試樣埋弧焊后不同區域的硬度略低于氣保焊和電弧焊；除X形坡口試樣的G位置以外，母材區硬度基本保持不變；X形坡口試樣不同區域的硬度波動較大，K形坡口試樣不同區域的硬度比較均勻。

(a)X形坡口；(b)K形坡口

2.2 沖擊韌性分析

對X形和K形坡口試樣的焊縫區、熱影響區分別進行沖擊試驗，實驗溫度20 ℃，試驗結果見表3。由表3可知，坡口形式和焊接方法對熱影響區沖擊功的影響不明顯，沖擊功在180 J左右；坡口形式對焊縫區沖擊功的影響也不明顯，埋弧焊、手工電弧焊和氣保焊接試樣的沖擊功分別約為80、45和29 J。在室溫條件下，試樣沖擊韌性大小依次為埋弧焊、手工電弧焊、氣保焊。

表3 沖擊試驗結果

2.3 機械性能分析

試樣焊縫區的低倍組織觀察未見氣孔、未熔合、夾渣、裂紋等缺陷，熱影響區無晶間腐蝕裂紋，如圖2所示。母材抗拉強度為753 MPa，屈服強度為505 MPa，伸長率為39%，兩種坡口試樣的斷裂位置均在母材處。按照標準AWS D1.6—2017在20 ℃條件下進行拉伸測試，本次拉伸試驗的合格指標為：抗拉強度≥623 MPa，屈服強度≥450 MPa，伸長率≥25%，延伸率≥25%。表4為不同焊接試樣的機械性能檢測結果。由表4可知，采用埋弧焊時，K形坡口試樣的機械性能略高于X形坡口，兩種坡口形式均滿足工藝評定要求；采用氣保焊時，K形坡口試樣的伸長率<25%；采用手工電弧焊時，兩種坡口形式的試樣的性能均符合要求。

(a)X形坡口；(b)K形坡口

表4 不同焊接試樣的機械性能

2.4 金相組織觀察

對不同試樣的焊縫區進行金相組織觀察，白色為奧氏體組織，黑色為鐵素體組織，如圖3所示。由圖3可知，母材組織沿軋制方向分布，奧氏體呈長條狀分布在鐵素體基體中。采用埋弧焊時，X形和K形坡口試樣的焊縫區均有明顯的熔合區，奧氏體和鐵素體均占50%，X形坡口試樣中的奧氏體組織以塊狀和鏈條狀分布在鐵素體基體中，K形坡口試樣中得奧氏體組織主要以針狀和鏈條狀分布在鐵素體基體中，組織細密均勻分布，見圖3(a)和圖3(d)。采用氣保焊時，X形坡口試樣的奧氏體含量為60%，奧氏體形貌為呈聚集性塊狀和少量鏈條狀分布在鐵素體基體中，見圖3(b)；K形坡口試樣的奧氏體含量為55%，奧氏體形貌主要以針狀為主，見圖3(e)。采用手工電弧焊時，X形坡口試樣的奧氏體含量為55%，奧氏體形貌主要以細長的鏈條狀為主，較K形坡口試樣組織要細小，見圖3(c)；K形坡口試樣的奧氏體含量為50%，奧氏體主要以塊狀和粗大鏈條狀為主，見圖3(f)。由此可見，K形坡口試樣埋弧焊和 X形坡口試樣手工電弧焊后的組織最優，X形坡口試樣氣保焊后的組織最差。

(a)X形坡口，埋弧焊；(b)X形坡口，氣保焊；(c)X形坡口，手工電弧焊；(d)K形坡口，埋弧焊；(e)K形坡口，氣保焊；(f)K形坡口，手工電弧焊

3 結論

1)對于X形坡口試樣，埋弧焊后不同區域的硬度略低于氣保焊和手工電弧焊；除X形坡口試樣的G區以外，母材區硬度基本保持不變；X形坡口試樣不同區域的硬度波動較大，K形坡口試樣不同區域的硬度比較均勻；

2)在室溫條件下，試樣沖擊韌性大小依次為埋弧焊、手工電弧焊、氣保焊；K形坡口試樣采用手工電弧焊后伸長率和延伸率較好，抗拉強度和屈服強度均符合要求；

3)K形坡口試樣采用埋弧焊和 X形坡口試樣采用手工電弧焊后組織最優，X形坡口采用氣保焊后組織最差。