卢青 裴瑞国 尹一峰 王喆 史国栋
摘 要：试验采用全自动钨极氩弧焊（TIG）工艺和多层焊道焊接方式，对2205双相不锈钢管进行焊接，并研究焊接头性能。结果表明：焊缝组织中两相分布均匀，而热影响区组织中奥氏体较少，铁素体较多，但均符合应用要求；
焊接头的抗拉强度超过母材标准强度620 MPa，延伸率超过母材标准延伸率25%，经180°弯曲试验后无裂纹萌生，焊接头拉伸、弯曲性能良好，焊接头各区域的硬度不超过硬度指标要求290 HV10，硬度性能良好，焊接頭焊缝的自腐蚀电流密度和自腐蚀电位分别为3.324 8×10-8 A/cm2、-165.5 mV，焊接头耐腐蚀性能良好。
关键词：双相不锈钢；
焊接头；
强度；
弯曲性能；
耐腐蚀性能
中图分类号：TQ 317
文献标志码：A
文章编号：1001-5922（2023）07-0038-04
Study on optimization of welding process and effect test of special pipe joint
LU Qing，PEI Ruiguo，YIN Yifeng，WANG Zhe，SHI Guodong
（China Mcc20 Group Co.，Ltd.，Shanghai 201999，China
）
Abstract：This experiment used fully automatic tungsten inert gas （TIG） welding process and multi-layer welding method to weld 2205 duplex stainless steel pipes，and studied the performance of the welding joints.The test results show that the two phases in the weld structure are evenly distributed，while the heat-affected zone has less austenite and more ferrite，which meet the application requirements.The tensile strength of the welded joint exceeds the standard strength of the base material by 620 MPa，and the elongation rate exceeds the standard elongation rate of the base material by 25%.After 180° bending test，there is no crack initiation，and the tensile and bending performance of the welded joint is good.The hardness of each area of the welding joint does not exceed the hardness index requirement of 290 HV10，and the hardness performance is good.The self corrosion current density I and self corrosion potential E of the welded joint are 3.324 8×10-8 A/cm2 and -165.5 mV，respectively.The welding joint has good corrosion resistance.In summary，the welding joint prepared in this experiment has good comprehensive performance and meets the requirements of engineering applications.
Key words：duplex stainless steel;welding head;strength;bending performance;corrosion resistance
双相不锈钢（DSS）是一种铁素体与奥氏体含量各占50%左右的优良金属材料，拥有良好的塑性、韧性、强度以及耐腐蚀性能，在化工领域应用广泛，其中，极具代表性的就是2205双相不锈钢［1］。通过3种焊接工艺研究2205双相不锈钢焊接头，分析焊接头性能情况。试验结果表明，最佳焊接工艺为GTAW+SMAW焊接，此时，焊接头的组织均匀且综合性能良好，而氩电联焊工艺焊接头的耐腐蚀效果最优［2］。除此之外，通过钨极氩弧焊工艺，对薄壁小管径的2205双相不锈钢管进行焊接。试验结果表明，焊接头的抗拉强度达到668 MPa，各区域硬度在260～280 HV，抗点蚀效果良好［3］。基于此，试验选择了全自动钨极氩弧焊焊接工艺，通过多层焊道的焊接方式对2205双相不锈钢进行焊接，并对焊接头性能情况进行研究。
1 试验部分
1.1 材料与设备
主要材料：2205双相不锈钢管（无锡昌隆恒达钢业，管径323.9 mm，壁厚10 mm）；
ER2954型焊丝（上海威仕利焊材，直径2.4 mm）；
金刚石抛光膏（安徽利王超硬材料）；
草酸（化学分析纯，河南立清化工）；
无水乙醇（分析纯，河南米兰达化工）；
砂纸（深圳市粤浩研磨材料，240、600、800目）。
主要设备：P-2T型抛光机（深圳市荣达仪器）；
VINATF200型金相显微镜（山东微纳检测技术）；
JITAI-S10KN型电子多功能试验机（北京吉泰科仪检测设备）；
HJ-WS型硬度仪（昆山市泓进检测仪器）；
CHI600E型电化学工作站（北京明宸中寰科技）。
1.2 试验方法
1.2.1 焊接工艺
本试验采用全自动钨极氩弧焊（TIG）工艺，使用ER2954型焊丝对2205双相不锈钢管进行4层焊道焊接，分别是根焊层、热焊层、填充层以及盖面层。其中，焊道设计为60°V型坡口，3～5 mm装配间隙，具体焊接工艺与参数如表1所示［4-5］。
1.2.2 焊接头试件制备
对2205双相不锈钢焊接完成后，将试样静置2 d，然后通过机械加工的方式，根据试验需要，对焊接头进行切割，获得焊接头试样，最后贮存备用。
1.3 性能测试
1.3.1 微观形貌分析
将试样依次用粗、细砂纸打磨，然后在抛光面抹上抛光膏，在金相抛光机上进行抛光处理，之后用10%草酸溶液电解腐蚀处理抛光面25 s，再用酒精清洗抛光面水渍，最后通过金相显微镜观察试样微观形貌情况。
1.3.2 拉伸、弯曲试验
通过试验机对试件进行拉伸试验，其中，试件长度为220 mm，厚度为2205双向不锈钢管的厚度，分析焊接头拉伸性能。
通过试验机对尺寸为220 mm×10 mm×10 mm的试件进行弯曲试验，分析焊接头弯曲性能。
1.3.3 硬度试验、耐腐蚀
通过硬度仪对焊接头试件进行测试，分析焊接头硬度情况。
通过电化学工作站对焊接头试件进行电化学性能测试，并采用Tafel极化曲线的方法来分析焊接头的耐腐蚀性能［6］。
2 结果与分析
2.1 微观形貌分析
2.1.1 焊缝组织
图1为不同焊道层焊缝组织微观形貌。
由图1可知，在焊缝组织内部，成块状的奥氏体相在铁素体中呈现均匀分布。图1（a）为根焊层微观形貌，在根焊层组织中，含有较多呈小块状的奥氏体，且分布较为均匀，同时，在晶粒内部，存在一小部分奥氏体相析出；
图1（b）和图1（c）分别是热焊层、填充层的微观形貌，可以观察到，在铁素体晶界处，析出较多呈树枝状的奥氏体，同时，还有大量奥氏体在铁素体晶粒内部析出。从图1（c）中可知，当焊接热输入较大时，焊缝组织中的铁素体大量转变为奥氏体，奥氏体相的数量不断增加并且形状变大；
图1（d）为盖面层的微观形貌，其中的铁素体形状较大，在熔池边缘有较多呈柱状的奥氏体，而在熔池中央，则是较多等轴晶奥氏体。这些现象表明，在本试验选用的全自动TIG工艺中，2205双向不锈钢钢管材料在焊后的冷却速度较慢，焊缝组织中的铁素体更容易转变为奥氏体，同时，这种变化在一定程度上抑制组织中奥氏体相柱状晶的生成，从而使焊缝组织均匀化，这种两相平衡有利于材料综合性能的提升［7］。综上，焊接头焊缝组织性能良好。
2.1.2 热影响区组织
图2为不同焊道层热影响区微观形貌。
图2（a）为热影响区根焊层，其中，组织内的奥氏体数量较少，主要呈现为条状以及针状；
图2（b）为热焊层，其中的奥氏体多数呈现为短棒状和块状，并且相互连结在一起，这与热焊层的温度未能达到铁素体溶解温度有关；
图2（c）和图2（d）分别是热影响区的填充层与盖面层，可以观察到，在经过多次热循环后，铁素体晶界出有奥氏体析出并不断生长，最先析出的奥氏体最为粗大，且互相连结，构成网状结构，同时，部分奥氏体在铁素体晶粒内部析出，但分布情况密集且杂乱。从整体来看，在热影响区中，从根焊层到盖面层，材料组织中的奥氏体数量不断增多，同时，在根焊层与热焊层组织中，奥氏体晶粒生长更加粗大，而填充层与盖面层的奥氏体晶粒比较细小。与焊缝组织区域相比，热影响区的奥氏体含量较少，发生这种现象的主要原因是，热影响区的温度较低，因此，在焊接后的冷却速度较快，冷却时间短，热影响区中的铁素体达不到向奥氏体转变的温度，所以，铁素体含量较多，整个热影响区会在一定程度上呈现出两相不平衡的状态［8］。然而，试验采用的多层焊接方法，后面的焊层会对前面的焊层存在热处理效应，可以促使材料中的铁素体转变为奥氏体，同时也能使奥氏体晶粒固溶退火并不断细化，从而提升焊接头性能［9］。综上，本试验制备的焊接头热影响区性能良好。
2.2 拉伸性能
图3为2组焊接头平行试样的测试结果。
由图3可知，两组平行试样的抗拉强度均达到母材标准强度620 MPa以上，延伸率也达到母材标准延伸率25%以上，这表明，在本试验全自动TIG工艺下，2205双相不锈钢钢管焊接头试样的强度性能可以达到应用标准。发生这种变化主要有3个原因，（1）在母材轧制方向，材料中的铁素体、奥氏体两相组织带状分布，而在焊接头焊缝以及热影响区域内，铁素体与奥氏体分布较杂乱，且相互连结交错，较多的两相组织不断析出，材料中晶界数量增多，从而减缓了材料中晶粒的位错运动作用效果，因此，焊接头强度增加；
（2）在焊缝区域中，铬、钼等金属原子不断与晶格中的铁原子发生置换，使晶格顺序被打乱，在一定程度上也抑制了晶粒的位错运动进行，因此，焊接头强度提高；
（3）全自动TIG焊工艺中保护气体含氮原子，在焊接过程中，氮原子会不断进入材料晶格内，构成间隙固溶体，使得奥氏体性能增强，从而强化焊接头强度［10］。因此，本试验制备的焊接头拉伸性能良好，且高于母材。
2.3 弯曲性能
表2为4组焊接头平行试样的弯曲性能情况。
由表2可知，在经过180°弯曲试验后，各焊接头试件的焊缝与热影响区均未出现裂纹痕迹，这种现象表明，本试验全自动TIG工艺下制备的2205双相不锈钢管焊接头试样韧性良好，材料致密性强，抗弯曲能力较好。发生这种现象的原因是，首先，本试验通过全自动TIG焊接工艺制备的2205双相不锈钢管焊接头的焊缝及热影响区组织中，多层焊道方式使得热处理效果增强，材料中的铁素体转变为奥氏体较多，而奧氏体含量增多可以在一定程度上缓解裂纹的生成和扩展；
其次，材料中的奥氏体含量较多，能够抑制铁素体晶粒的生成和不断长大，使材料达到两相平衡状态，因此，焊接头韧性增强；
另外，本试验所采用的工艺和方式，能使焊后冷却时间增加，焊缝及热影响区组织析出的氮化物、碳化物等间隙元素产物较少，因此，组织中晶界脆化得到缓解，所以，材料韧性提高，表现为较好的弯曲性能［11］。综上，本试验制备的2205双相不锈钢管焊接头具备良好的弯曲性能，符合实际应用要求。
2.4 硬度性能
图4为焊接头试样中各区域的硬度情况，分别是母材区、热影响区以及焊缝区。
由图4可知，各区域的硬度较高，但均不超过290 HV10，符合焊接头硬度指标要求，其中，硬度较高的区域是热影响区，而焊缝和母材区域的硬度则较低。发生这些现象的原因是，在焊接过程中，多层焊道工艺下长时间高温作用，使得热影响区的热循环效应增强，因此，铁素体的含量增加，而奥氏体析出变少，因为铁素体的硬度高于奥氏体，并且本试验采用的2205双相不锈钢管母材是两相平衡组织，所以，焊接头热影响区的硬度对比母材有所提升；
除此之外，焊缝区的硬度逐渐降低，这可能是因为焊缝区域热输入较高，奥氏体含量增多，因此，热影响区的硬度明显比焊缝区高。整体来看，焊接头的硬度值较高，基本能达到210 HV10以上，这是因为本试验选择的ER2954型焊丝中合金元素含量较多，在焊接过程中，其中的铬、钼等金属原子与组织晶格中的铁原子不断置换，使晶格顺序错乱，在一定程度上抑制组织中晶粒的位错运动，因此，硬度增加；
另外，组织晶格内的含氮间隙固溶体增多，使得组织中的奥氏体相硬度增加，因此，材料硬度提高［12］。综上，本试验制备的焊接头硬度良好，符合焊接头硬度标准。
2.5 耐腐蚀性能
图5为2205双相不锈钢管母材和本试验中全自动TIG焊接头焊缝的Tafel极化曲线。在Tafel极化曲线中，试样在腐蚀溶液中的耐腐蚀性能的表征指标为自腐蚀电流密度I，其中，材料的耐腐蚀性能较好时，则为较小的自腐蚀电流密度I，而试样金属腐蚀敏感度的表征指标为自腐蚀电位E，其中，材料耐腐蚀性较强时，则为较大的自腐蚀电位［13］。
由图5可知，2205双相不锈钢管母材和焊接头焊缝的自腐蚀电流密度分别为2.710 8×10-8、3.324 8×10-8 A/cm2，自腐蚀电位分别为-119.29、-165.5 mV。这表明，与母材的耐腐蚀能力相比，焊接头焊缝的耐腐蚀效果较低，但依然具备良好的耐腐蚀性能。发生这种现象的原因是，本试验采用的母材为2205双相不锈钢管，是一种两相平衡组织，母材自身的耐腐蚀性能较好，而在全自动TIG工艺以及多层焊道方式下，焊接热输入大小比较稳定，因此，焊缝组织更加均匀，晶粒细化更明显，从而在材料表面生成致密的钝化膜，而在电化学耐腐蚀性能测试中，主要是溶液中的氯离子穿透材料表面钝化膜，破坏钝化膜结构引起的材料腐蚀［14-15］，所以，本试验制备的焊接头耐腐蚀性能良好。在实际应用中，2205双相不锈钢管通常用于输油输气，长时间处理氯化物、卤素盐等环境，而本试验中的2205双相不锈钢管焊接头具备较好的耐腐蚀性能，能达到实际使用要求。
3 结语
综上所述，本试验采用全自动钨极氩弧焊（TIG）工艺，通过多层焊道的焊接方式和ER2954焊丝，对2205双相不锈钢管进行焊接，并研究焊接头性能。
（1）焊缝组织中成分均匀，能达到两相平衡，有利于增强材料性能；
热影响区组织中铁素体含量多，而奥氏体含量少，呈现两相失衡；
（2）本试验制备的焊接头的抗拉强度超过母材标准强度620 MPa，延伸率超过母材标准延伸率25%，经180°弯曲试验后无裂纹萌生；
焊接头各区域的硬度不超过硬度指标要求290 HV10；
焊接头焊缝的自腐蚀电流密度I和自腐蚀电位分别为3.324 8×10-8 A/cm2、-165.5 mV；
（3）试验制备的焊接头拉伸、弯曲、耐腐蚀性能良好，硬度较好，符合工程应用要求。
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