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1、2205鋼的焊接性分析

2205鋼的焊接最主要的問題是如何保證焊接接頭鐵素體和奧氏體相組織的比例，進而保證接頭的耐蝕性和力學性能。因此焊接工藝的制定是圍繞如何保證其雙相組織比例進行的。當鐵素和奧氏體量合適時（最佳值鐵素為45%），性能接近母材。如果組織比例偏差比較大，2205鋼焊接接頭的耐蝕性能和力學性能（尤其是韌性）將下降。過低的鐵素體含量（＜25%）將導致強度降低和抗應力腐蝕開裂能力下降；過高的鐵素體含量（＞75%）會降低耐蝕性和沖擊韌性。

1.1合金元素的影響

2205鋼含有較多的合金元素，焊接過程中易形成金屬相、碳氮化合物等，這些會影響接頭力學性能和耐蝕性能。氮在保證焊縫金屬和焊后熱影響區內形成足夠量的奧氏體方面具有重要作用。氮和鎳一樣是形成奧氏體和擴大奧氏體元素且能力遠遠大于鎳。在高溫下，氮穩定奧氏體的能力也比鎳大，可防止焊后出現單相鐵素體，并能阻止有害金屬相的析出。由于焊接熱循環的作用，自熔焊或填充金屬成分與母材相同時，焊縫金屬的鐵素體量急劇增加，甚至出現純鐵素體組織。為了抑制焊縫中鐵素體的過量增加，一般采取在焊接材料中提高鎳或是加氮這兩條途徑。通常鎳的含量比母材高出2%~4%，如2205填充金屬的鎳含量就高達8%~10%。用含氮的填充材料比只提高鎳的填充材料效果更好，兩種元素都可以增加奧氏體相的比例并使其穩定，但加氮不僅能延緩金屬間相的析出,而且還可提高焊縫金屬的強度和耐蝕性能。目前，填充材料一般都是在提高鎳的基礎上，再加入與母材含量相當的氮。

1.2熱循環的影響

雙相不銹鋼焊接的最大特點是焊接熱循環對焊接接頭組織比例有較大的影響，無論焊縫還是熱影響區都會有相變發生，這對焊接接頭的性能有很大影響。雙相鋼含量與冷卻速度（t8/5）之間的關系；從圖中可見，在t8/5的冷卻速度在合適的范圍內才能得到合適比例的雙相組織。因后續焊道對前層焊道有熱處理作用，多層多道焊對焊縫相比例是有益的。多層多道焊可促使焊縫金屬中的鐵素體進一步轉變為奧氏體，成為以奧氏體占優勢的兩相組織；毗鄰焊縫的熱影響區中的奧氏體相也相應增多，且能細化鐵素體晶粒，減少碳化物和氮化物從晶內和晶界析出，從而使整個焊接接頭的組織和性能顯著改善。也正是由于焊接熱循環的影響，雙相不銹鋼焊接時要求與介質接觸的焊道應先焊接，這一點與奧氏體不銹鋼焊接順序的要求恰恰相反。

1.3焊接工藝參數的影響

焊接工藝參數對組織的平衡起著關鍵的作用。2205鋼在焊接時，若線能量過小，熱影響區冷卻速度快，奧氏體來不及析出，過量的鐵素體就會在室溫下過冷保持下來。若線能量過大，冷卻速度太慢，盡管可以獲得足量的奧氏體，但也會引起熱影響區的鐵素體晶粒長大以及σ相等有害金屬相的析出，造成接頭脆化。所以焊件尺寸一定時，焊接線能量及層間溫度影響著焊接接頭的冷卻速度，進而影響焊縫的最終組織。為了保證焊接接頭的相比例合適，最佳的措施是控制焊接線能量和層間溫度，并使用合適的填充金屬。

1.4氣體保護的影響

鎢極氬弧焊時，可在氬氣中加入2%氮氣，防止焊縫氮元素的損失，有助于鐵素體與奧氏體的平衡。

2、2205鋼的焊接工藝方案

本文針對2205鋼焊接存在的系列問題，采用以下焊接工藝進行焊接實驗。雙相鋼管材、管件在焊接前應使用鐵素體檢測儀進行基礎參數檢測，以確認本批次雙相鋼材料的鐵素體含量基礎參數，供焊接完成后，與焊縫鐵素體含量對比。

2.1焊接接頭坡口型式

試驗中管道直徑為168mm、壁厚為7mm。采用GTAW與SMAW組合焊接工藝。開V型坡口的對接接頭型式，焊道設計為3層。其中最底層為氬弧焊打底1層；過渡層采用手工氬弧焊1層；蓋面采用手工電弧焊1層。

2.2對口裝配及點固焊

坡口機加工完成后，將坡口及兩側20mm范圍內的污物、油垢、水漬等清除干凈后組對，試件對口錯邊量≤0.5mm。

2.3焊接

2.3.1背面氣體保護及氬弧焊打底

氬弧焊打底焊接時要充98%Ar+2N2惰性氣體進行保護。充氬保護流量開始時可為20~30L/min,施焊過程中流量應保持在5~15L/min，確保可靠保護。氬弧焊打底時，雙相鋼不允許自熔焊，焊接時必須填充焊絲；管道焊接時使用背部保護措施。焊接工藝參數按表2執行；打底焊層厚度在2~3mm范圍內，要注意焊縫飽滿，焊接時焊接速度不能太快。焊接第2層時，為了避免背面焊縫合金元素的燒損也要保證背面可靠保護。

2.3.2手工電弧焊蓋面焊接

本試件采用焊條電弧焊進行蓋面焊接。焊接時每層焊道的厚度不大于所用焊條直徑，焊條擺動方式為稍微擺動，確保在熱輸入量不超標的情況下成形良好。手工電弧焊施焊完畢，應將焊縫表面焊渣、飛濺清理干凈。所有焊縫不能一次成形，每層焊縫必須根據焊層的寬度分3~4道焊接完成。每道焊縫的焊接都應采用短弧、窄道、快速焊接手法進行焊接。每道焊接完成后，必須等待焊縫溫度下降至100℃以下時方可進行下一道的焊接。在緊急的情況下，采取水冷方式如圖3。焊縫層與層之間必須清理，清理時采用SS刷子（220目）；所有焊縫焊后必須進行酸洗。

3、焊接檢驗

經過測試發現，按照上述焊接工藝，可以得到完全合格的焊接接頭。按JB4708—2000進行焊接工藝評定，平均抗拉強度高達782MPa，塑性斷裂在熱影響區；4支側彎試樣無裂紋出現。采用國產焊接材料，經過嚴格的工藝措施，使焊縫品質達到了使用要求，而且合格率100%。

4、實驗結果分析

實驗證明，2205鋼焊接接頭的力學及抗蝕性能需保證其接頭中的相比例合適，而控制雙相比例的關鍵是控制焊接接頭的焊接熱循環。因此，2205鋼在焊接前不需要預熱，預熱會造成焊接接頭冷卻速度降低；層間溫度應控制在150℃以下。因2520鋼導熱性良好且熱膨脹系數低，焊接時可采用直接水冷的方式來增加冷卻速度而不至于產生焊接缺陷；但在焊接下一道焊縫時應當注意徹底清除水汽，如有水汽則會導致焊縫出現氣孔、裂紋等焊接缺陷。在組對時，應當嚴格控制其組對質量，不能強力組對，否則焊后很難矯正，更會在矯正過程中產生比較大的殘余應力，會造成抗蝕性下降。焊口的加工最好采用機械加工。焊接時必須采取多層多道、選用合適的規范參數等焊接操作工藝措施來保證焊縫的雙相組織比例；并充分利用層道間的熱循環作用來改善組織和細化晶粒，提高焊縫的韌性。2205雙相不銹鋼焊后熱處理對提高焊接接頭的性能改善作用不大，一般焊后不進行焊后熱處理。

5、結束語

實踐證明：采用國產焊絲和焊條，采取嚴格的工藝措施，能夠與進口焊接材料一樣獲得平衡的雙相組織，達到產品的設計及使用要求。

作者:岳海瑞郭春富單位:中國能源建設集團廣東火電工程總公司廣州有色金屬研究院