焊接方法对双相不锈钢焊接接头耐蚀性的影响

　　摘要： 采用气体保护钨极氩弧焊（GTAW）、焊条电弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）对2205双相不锈钢进行焊接，采用光学显微镜对接头组织进行观察，采用数点法计算铁素体相的含量，测定接头的耐点蚀和耐CO2应力腐蚀性能，研究焊接方法对接头耐蚀性的影响。结果表明，焊接方法影响焊缝组织形态及铁素体含量。GTAW焊缝由不规则的条状组织和两相交织分布的块状组织组成，而SMAW和SAW焊缝为方位不一的条状组织和少量的块状组织。GTAW和SMAW焊缝的铁素体含量为35%～55%，而SAW的不足20%。接头的耐蚀性与铁素体相比例密切相关，GTAW、SMAW和SAW的耐蚀性依次降低。从铁素体相比例和耐蚀性角度考虑，GTAW和SMAW能够获得满意的焊接接头。
　　关键词： 双相不锈钢；焊接方法；焊接接头；耐腐蚀性能
　　中图分类号： TG442
　　Abstract： Duplex stainless steel 2205 was fabricated by gas tungsten arc welding （GTAW）， shielded metal arc welding （SMAW） and submerged arc welding （SAW） respectively. Microstructure was observed by an optical microscope， and the ferrite content was calculated using counting point method. Moreover， the pitting corrosion test and resistance to stress corrosion characterized by CO2 were measured to investigate the effect of welding process on the corrosion resistance properties of the welded joint. The results show that the effect of welding process on the microstructure morphology of weld metal and the ferrite content is obvious. The weld metal with GTAW consists of both irregular strip microstructure and block microstructure with its two phases interleaving distribution， while the weld metal with SMAW and SAW is composed of a great amount of strip microstructure whose grain orientations are different and a small amount of block microstructure. The ferrite content of the weld metal with GTAW and SMAW is the range of 35%-55%， while that of the weld metal with SAW is lower than 20%. The corrosion resistance properties of the welded joint are related to the ferrite content. The corrosion resistance properties of GTAW are higher than that of SMAW， and that SMAW are higher than SAW. Considering the ferrite phase ratio and corrosion resistance properties， GTAW and SMAW are preferred.
　　Key words： duplex stainless steel（DSS）； welding process； welded joint； corrosion resistance properties
　　0前言
　　2205双相不锈钢具有较高的屈服强度、良好的塑性和低温韧性，以及优良的耐应力腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀性能，广泛应用于化工、石油能源及海洋工程等领域，是目前应用最普遍的双相不锈钢[1]。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、热裂倾向小，但仍然被公认为较难焊接的材料[2， 3]，存在的主要问题是焊接热循环引起的焊缝耐蚀性以及塑韧性降低[4， 5]。由于双相不锈钢的性能优良，几乎所有的焊接方法均可用于双相不锈钢，常用的方法有气体保护钨极氩弧焊（GTAW）、气体保护金属极弧焊（MIG）、药芯焊丝电弧焊（FCW）、焊条电焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）等。本文针对双相不锈钢接头的耐蚀性降低的问题，研究了GTAW、SMAW以及SAW三种焊接方法对2205双相不锈钢接头的耐腐蚀性能的影响，为其焊接方法的选择提供理论依据。
　　1实验材料与方法
　　11焊接材料及工艺
　　试样母材为2205双相不锈钢管，其化学成分如表1所示。分别采用GTAW、SMAW和SAW三种焊接方法对其进行焊接，焊接工艺参数如表2所示。焊接完成后，经过无损检测合格，再对焊接接头的耐蚀性进行
　　12铁素体相比例实验
　　铁素体相比例实验按照ASTM E562进行。首先，对试样进行粗磨、细磨、抛光，采用30 g KOH+30 g K3Fe（CN）6+100 mLH2O着色腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀后铁素体呈灰色，奥氏体呈白色。将腐蚀后的试样在莱卡共聚焦DM2500M/S6D显微镜下观察微观组织，放大倍数为500倍，观察位置覆盖了整个焊接接头的厚度方向。然后，对焊缝区、母材及热影响区的铁素体含量通过人工数点的方法确定铁素体相比例。实验测试每个视野网格包含100个（10×10）等间距的点，每个区域为10个测量视野，合计1000个点。
　　13点蚀实验
　　点蚀实验按照ASTM G48 Method A进行。首先，将试样的各个面用1000号砂纸磨光。然后，将试样放在恒温浴槽中的腐蚀液中，腐蚀介质为100 g FeCl3·6H2O+900 mL蒸馏水，实验温度22℃，实验时间为72 h。用腐蚀速率评定接头的耐点蚀性能。
　　14CO2应力腐蚀实验
　　CO2应力腐蚀实验按照ASTM G39进行。实验温度为50℃，CO2分压为10 kPa，使用四点弯曲方法进行试验，实验溶液为10%NaCl和0.5%的CH3COOH，PH值控制在4.5，施加应力为90%的名义屈服强度。用腐蚀速率评定接头的耐CO2应力腐蚀性能。
　　2结果及分析
　　2.1显微组织
　　母材及不同焊接方法所得接头的焊缝及热影响区的组织形貌如图1～图2所示。由图1可知，母材2205的显微组织由约50%的铁素体（灰色）和约50%的奥氏体（白色）双相组成，且铁素体和奥氏体组织沿轧制方向呈带状分布。由图2a，2b，2c可知，从焊缝铁素体中析出的奥氏体分布于铁素体的晶界或晶内，但是焊接方法影响焊缝中铁素体的形貌特征。GTAW焊缝由于焊接热输入小，组织细小，具有不规则的条状组织特征和两相交织分布的块状特征，在块状组织中，γ相被α相包围在一起，且块状γ相中还有点状的α相。SMAW和SAW焊缝为方位不一的条状组织形态和少量的块状组织，由于热输入大，导致晶粒粗大。另外，焊缝中铁素体的含量与焊接热输入密切相关，焊接热输入较大铁素体含量较低，这是因为焊接热输入大，高温停留时间长，奥氏体有充分的时间从铁素体中析出。图1母材显微组织由图2d，2e，2f可知，热影响区组织形态与母材类似，由条状或块状的奥氏体和铁素体相间排列。
　　2.2铁素体相比例实验
　　要保证双相不锈钢焊接接头具有同母材相近的优良耐腐蚀性能，焊接接头中铁素体和奥氏体要保持一定的比例，相关标准规定铁素体含量在35%～55%，能保证焊接接头具有良好的耐蚀性能。因此，测定焊接接头的相比例是非常必要的。2205双相不锈钢GTAW、SMAW和SAW接头母材、焊缝、热影响区的铁素体含量如图3所示。由图可知，三种焊接方法接头母材和热影响区的铁素体含量较高，焊缝区铁素体含量较少。GTAW和SMAW焊接方法所得到的焊缝和热影响区中的铁素体含量均能满足35%～55%的比例，因此可以认定GTAW和SMAW双向不锈钢焊接接头组织中相比例是可以满足要求的。但是，SAW接头热影响区的铁素体含量满足要求，而焊缝区铁素体含量不足20%，因而认定SAW不合格。SAW接头焊缝区的铁素体含量低与焊接热输入密切相关，当焊接热输入高时，冷却时间得到延长，提升了转变，稳定了相平衡，奥氏体转变较完全，导致铁素体含量较低，这与图1～图2所示的组织特征所得结论一致。
　　2.3点蚀实验
　　GTAW、SMAW和SAW接头点蚀实验结果见表3。由表可知，焊接方法不同，点蚀速率稍有差别，GTAW的点蚀速率最低，SMAW的点蚀速率较高，SAW的点蚀速率最高。点蚀速率的高低与接头组织中两相的比例有关，两相的比例在50%左右时耐蚀性最好，所得实验结果与铁素体相比例实验结果一致。
　　2.4CO2应力腐蚀实验
　　GTAW、SMAW和SAW接头耐应力腐蚀实验结果如表4所示。由表可知，虽然经过7天腐蚀，GTAW、
　　（1） 焊接方法影响焊缝组织形貌。GTAW焊缝焊接热输入小，组织细小，具有不规则的条状组织特征和两相交织分布的块状特征。SMAW和SAW热输入大，晶粒粗大，焊缝为方位不一的条状组织形态和少量的块状组织。
　　（2） 焊接方法对焊缝的铁素体含量影响较大。GTAW和SMAW焊缝的铁素体含量为35%～55%，而SAW焊缝的铁素体含量不足20%。
　　（3） 焊接方法影响接头的耐点蚀和CO2应力腐蚀性能。GTAW，SMAW和SAW接头的耐点蚀和CO2应力腐蚀敏感性依次增加。
　　（4） 鉴于2205双相不锈钢接头的铁素体相比例和耐蚀性要求，GTAW和SMAW能够获得满意的接头。若采用SAW，应严格控制焊接热输入，以保证焊缝的铁素体相比例。
　　参考文献
　　[1]张建勋， 李为卫. 2205双相不锈钢焊接热影响区热模拟组织与冲击韧性[J]. 焊管， 2006， 29（ 5 ）： 21-24.
　　[2]Mats Liljas. The welding metallurgy of duplex steel [C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 25- 39.
　　[3]Rouault P， Bonnet C. Make the duplex and super-duplex welding easier through metallurgical and practical simple recommendations[C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 95-97.
　　[4]Kordatos J D， Fourlaris G， Papadimitriou G. The effect of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of UNS 31803 duplex stainless steel welds[J]. Scripta Mater， 2001， 44（3）： 401-408.
　　[5]熊庆人， 霍春勇， 李为卫， 等.2205双相不锈钢焊接热影响区的组织转变行为[J].焊接学报， 2007， 28（11）： 53-57.
　　13点蚀实验
　　点蚀实验按照ASTM G48 Method A进行。首先，将试样的各个面用1000号砂纸磨光。然后，将试样放在恒温浴槽中的腐蚀液中，腐蚀介质为100 g FeCl3·6H2O+900 mL蒸馏水，实验温度22℃，实验时间为72 h。用腐蚀速率评定接头的耐点蚀性能。
　　14CO2应力腐蚀实验
　　CO2应力腐蚀实验按照ASTM G39进行。实验温度为50℃，CO2分压为10 kPa，使用四点弯曲方法进行试验，实验溶液为10%NaCl和0.5%的CH3COOH，PH值控制在4.5，施加应力为90%的名义屈服强度。用腐蚀速率评定接头的耐CO2应力腐蚀性能。
　　2结果及分析
　　2.1显微组织
　　母材及不同焊接方法所得接头的焊缝及热影响区的组织形貌如图1～图2所示。由图1可知，母材2205的显微组织由约50%的铁素体（灰色）和约50%的奥氏体（白色）双相组成，且铁素体和奥氏体组织沿轧制方向呈带状分布。由图2a，2b，2c可知，从焊缝铁素体中析出的奥氏体分布于铁素体的晶界或晶内，但是焊接方法影响焊缝中铁素体的形貌特征。GTAW焊缝由于焊接热输入小，组织细小，具有不规则的条状组织特征和两相交织分布的块状特征，在块状组织中，γ相被α相包围在一起，且块状γ相中还有点状的α相。SMAW和SAW焊缝为方位不一的条状组织形态和少量的块状组织，由于热输入大，导致晶粒粗大。另外，焊缝中铁素体的含量与焊接热输入密切相关，焊接热输入较大铁素体含量较低，这是因为焊接热输入大，高温停留时间长，奥氏体有充分的时间从铁素体中析出。图1母材显微组织由图2d，2e，2f可知，热影响区组织形态与母材类似，由条状或块状的奥氏体和铁素体相间排列。
　　2.2铁素体相比例实验
　　要保证双相不锈钢焊接接头具有同母材相近的优良耐腐蚀性能，焊接接头中铁素体和奥氏体要保持一定的比例，相关标准规定铁素体含量在35%～55%，能保证焊接接头具有良好的耐蚀性能。因此，测定焊接接头的相比例是非常必要的。2205双相不锈钢GTAW、SMAW和SAW接头母材、焊缝、热影响区的铁素体含量如图3所示。由图可知，三种焊接方法接头母材和热影响区的铁素体含量较高，焊缝区铁素体含量较少。GTAW和SMAW焊接方法所得到的焊缝和热影响区中的铁素体含量均能满足35%～55%的比例，因此可以认定GTAW和SMAW双向不锈钢焊接接头组织中相比例是可以满足要求的。但是，SAW接头热影响区的铁素体含量满足要求，而焊缝区铁素体含量不足20%，因而认定SAW不合格。SAW接头焊缝区的铁素体含量低与焊接热输入密切相关，当焊接热输入高时，冷却时间得到延长，提升了转变，稳定了相平衡，奥氏体转变较完全，导致铁素体含量较低，这与图1～图2所示的组织特征所得结论一致。
　　2.3点蚀实验
　　GTAW、SMAW和SAW接头点蚀实验结果见表3。由表可知，焊接方法不同，点蚀速率稍有差别，GTAW的点蚀速率最低，SMAW的点蚀速率较高，SAW的点蚀速率最高。点蚀速率的高低与接头组织中两相的比例有关，两相的比例在50%左右时耐蚀性最好，所得实验结果与铁素体相比例实验结果一致。
　　2.4CO2应力腐蚀实验
　　GTAW、SMAW和SAW接头耐应力腐蚀实验结果如表4所示。由表可知，虽然经过7天腐蚀，GTAW、
　　（1） 焊接方法影响焊缝组织形貌。GTAW焊缝焊接热输入小，组织细小，具有不规则的条状组织特征和两相交织分布的块状特征。SMAW和SAW热输入大，晶粒粗大，焊缝为方位不一的条状组织形态和少量的块状组织。
　　（2） 焊接方法对焊缝的铁素体含量影响较大。GTAW和SMAW焊缝的铁素体含量为35%～55%，而SAW焊缝的铁素体含量不足20%。
　　（3） 焊接方法影响接头的耐点蚀和CO2应力腐蚀性能。GTAW，SMAW和SAW接头的耐点蚀和CO2应力腐蚀敏感性依次增加。
　　（4） 鉴于2205双相不锈钢接头的铁素体相比例和耐蚀性要求，GTAW和SMAW能够获得满意的接头。若采用SAW，应严格控制焊接热输入，以保证焊缝的铁素体相比例。
　　参考文献
　　[1]张建勋， 李为卫. 2205双相不锈钢焊接热影响区热模拟组织与冲击韧性[J]. 焊管， 2006， 29（ 5 ）： 21-24.
　　[2]Mats Liljas. The welding metallurgy of duplex steel [C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 25- 39.
　　[3]Rouault P， Bonnet C. Make the duplex and super-duplex welding easier through metallurgical and practical simple recommendations[C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 95-97.
　　[4]Kordatos J D， Fourlaris G， Papadimitriou G. The effect of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of UNS 31803 duplex stainless steel welds[J]. Scripta Mater， 2001， 44（3）： 401-408.
　　[5]熊庆人， 霍春勇， 李为卫， 等.2205双相不锈钢焊接热影响区的组织转变行为[J].焊接学报， 2007， 28（11）： 53-57.
　　13点蚀实验
　　点蚀实验按照ASTM G48 Method A进行。首先，将试样的各个面用1000号砂纸磨光。然后，将试样放在恒温浴槽中的腐蚀液中，腐蚀介质为100 g FeCl3·6H2O+900 mL蒸馏水，实验温度22℃，实验时间为72 h。用腐蚀速率评定接头的耐点蚀性能。
　　14CO2应力腐蚀实验
　　CO2应力腐蚀实验按照ASTM G39进行。实验温度为50℃，CO2分压为10 kPa，使用四点弯曲方法进行试验，实验溶液为10%NaCl和0.5%的CH3COOH，PH值控制在4.5，施加应力为90%的名义屈服强度。用腐蚀速率评定接头的耐CO2应力腐蚀性能。
　　2结果及分析
　　2.1显微组织
　　母材及不同焊接方法所得接头的焊缝及热影响区的组织形貌如图1～图2所示。由图1可知，母材2205的显微组织由约50%的铁素体（灰色）和约50%的奥氏体（白色）双相组成，且铁素体和奥氏体组织沿轧制方向呈带状分布。由图2a，2b，2c可知，从焊缝铁素体中析出的奥氏体分布于铁素体的晶界或晶内，但是焊接方法影响焊缝中铁素体的形貌特征。GTAW焊缝由于焊接热输入小，组织细小，具有不规则的条状组织特征和两相交织分布的块状特征，在块状组织中，γ相被α相包围在一起，且块状γ相中还有点状的α相。SMAW和SAW焊缝为方位不一的条状组织形态和少量的块状组织，由于热输入大，导致晶粒粗大。另外，焊缝中铁素体的含量与焊接热输入密切相关，焊接热输入较大铁素体含量较低，这是因为焊接热输入大，高温停留时间长，奥氏体有充分的时间从铁素体中析出。图1母材显微组织由图2d，2e，2f可知，热影响区组织形态与母材类似，由条状或块状的奥氏体和铁素体相间排列。
　　2.2铁素体相比例实验
　　要保证双相不锈钢焊接接头具有同母材相近的优良耐腐蚀性能，焊接接头中铁素体和奥氏体要保持一定的比例，相关标准规定铁素体含量在35%～55%，能保证焊接接头具有良好的耐蚀性能。因此，测定焊接接头的相比例是非常必要的。2205双相不锈钢GTAW、SMAW和SAW接头母材、焊缝、热影响区的铁素体含量如图3所示。由图可知，三种焊接方法接头母材和热影响区的铁素体含量较高，焊缝区铁素体含量较少。GTAW和SMAW焊接方法所得到的焊缝和热影响区中的铁素体含量均能满足35%～55%的比例，因此可以认定GTAW和SMAW双向不锈钢焊接接头组织中相比例是可以满足要求的。但是，SAW接头热影响区的铁素体含量满足要求，而焊缝区铁素体含量不足20%，因而认定SAW不合格。SAW接头焊缝区的铁素体含量低与焊接热输入密切相关，当焊接热输入高时，冷却时间得到延长，提升了转变，稳定了相平衡，奥氏体转变较完全，导致铁素体含量较低，这与图1～图2所示的组织特征所得结论一致。
　　2.3点蚀实验
　　GTAW、SMAW和SAW接头点蚀实验结果见表3。由表可知，焊接方法不同，点蚀速率稍有差别，GTAW的点蚀速率最低，SMAW的点蚀速率较高，SAW的点蚀速率最高。点蚀速率的高低与接头组织中两相的比例有关，两相的比例在50%左右时耐蚀性最好，所得实验结果与铁素体相比例实验结果一致。
　　2.4CO2应力腐蚀实验
　　GTAW、SMAW和SAW接头耐应力腐蚀实验结果如表4所示。由表可知，虽然经过7天腐蚀，GTAW、
　　（1） 焊接方法影响焊缝组织形貌。GTAW焊缝焊接热输入小，组织细小，具有不规则的条状组织特征和两相交织分布的块状特征。SMAW和SAW热输入大，晶粒粗大，焊缝为方位不一的条状组织形态和少量的块状组织。
　　（2） 焊接方法对焊缝的铁素体含量影响较大。GTAW和SMAW焊缝的铁素体含量为35%～55%，而SAW焊缝的铁素体含量不足20%。
　　（3） 焊接方法影响接头的耐点蚀和CO2应力腐蚀性能。GTAW，SMAW和SAW接头的耐点蚀和CO2应力腐蚀敏感性依次增加。
　　（4） 鉴于2205双相不锈钢接头的铁素体相比例和耐蚀性要求，GTAW和SMAW能够获得满意的接头。若采用SAW，应严格控制焊接热输入，以保证焊缝的铁素体相比例。
　　参考文献
　　[1]张建勋， 李为卫. 2205双相不锈钢焊接热影响区热模拟组织与冲击韧性[J]. 焊管， 2006， 29（ 5 ）： 21-24.
　　[2]Mats Liljas. The welding metallurgy of duplex steel [C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 25- 39.
　　[3]Rouault P， Bonnet C. Make the duplex and super-duplex welding easier through metallurgical and practical simple recommendations[C]International Duplex Stainless Steel Conference. China： Beijing， 2003， 95-97.
　　[4]Kordatos J D， Fourlaris G， Papadimitriou G. The effect of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of UNS 31803 duplex stainless steel welds[J]. Scripta Mater， 2001， 44（3）： 401-408.
　　[5]熊庆人， 霍春勇， 李为卫， 等.2205双相不锈钢焊接热影响区的组织转变行为[J].焊接学报， 2007， 28（11）： 53-57.