浙江至德鋼業(yè)試驗(yàn)研究所采用的雙相不銹鋼為瑞典三特維克和阿維斯坦公司生產(chǎn)的SAF2205（ASTM 24000，UNSS31803），其化學(xué)成分見(jiàn)表，ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能和化學(xué)成分見(jiàn)表。母材鋼板由軋輥機(jī)軋制而成，其金相顯微組織如圖所示，其中灰色基體為鐵素體(α)組織，白色為奧氏體(γ)組織。兩相組織各占一半，并且呈帶狀交替分布。

 實(shí)驗(yàn)中采用的手工電弧焊，焊條為E2209，直徑為Φ4.0mm；鎢極氬弧焊，焊絲為ER2209，直徑有Φ2.0、4.0mm兩種，焊接填充材料的化學(xué)成分見(jiàn)表。所選焊絲的化學(xué)成分中，鎳含量比母材高出3~4%，這樣有利于獲得合適的雙相比例。

一、焊接方法和焊接過(guò)程

 1. 焊接設(shè)備

  本實(shí)驗(yàn)中采用鎢極氬弧焊對(duì)2205雙相不銹鋼進(jìn)行焊接工藝研究，并與采用手工電弧焊獲得的接頭進(jìn)行性能對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中所采用的焊機(jī)型號(hào)為WSME~500型逆變式手弧/氬弧焊機(jī)，由山大奧太有限公司生產(chǎn)，如圖所示。由于焊接試驗(yàn)采用的保護(hù)氣體中含有一定量的氮?dú)?，?huì)加速鎢極的燒損。因此，鎢極選用直徑為Φ4mm的釷鎢極。

 2. 焊前準(zhǔn)備

  將母材試板的尺寸加工為300mm×130mm×8mm，按照?qǐng)D所示對(duì)試板進(jìn)行坡口加工。其中，圖所示的X形坡口形式，是用于接頭的耐腐蝕性實(shí)驗(yàn)，與采用V形坡口獲得的接頭進(jìn)行對(duì)比。焊前采用機(jī)械和化學(xué)清洗的方法，對(duì)焊接坡口及其兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)的氧化皮、油脂、灰塵、水和污染物等進(jìn)行徹底清理。并使用自行配置的酸液對(duì)坡口內(nèi)側(cè)進(jìn)行必要的酸洗，以徹底消除雜質(zhì)等對(duì)焊縫金屬的影響。酸洗溶液的配方為：35%HNO₃+3%~5%HF。酸洗方式為：室溫下，使用酸洗液對(duì)坡口內(nèi)側(cè)進(jìn)行10~15分鐘酸洗。在坡口加工和打磨的過(guò)程中忌用高碳的砂輪或者砂紙。

 3. 焊接過(guò)程

  SAF2205雙相不銹鋼是含高氮的不銹鋼之一，在采用純氬氣作保護(hù)氣體的GTAW焊中，焊縫接頭內(nèi)不可避免地發(fā)生氮損失。為了防止氮的損失，試驗(yàn)中采用在氬氣中加入適量氮?dú)獾姆椒?。不過(guò)，保護(hù)氣氛中添加過(guò)高的氮?dú)夂?，易造成鎢極的燒損，并且容易在焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔。依據(jù)目前的研究報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)中分別采用Ar、Ar+1.5%N₂、Ar＋2.0%N₂、Ar+2.5%N₂、Ar+3%N₂、Ar+3.5%N₂幾種混合氣體保護(hù)進(jìn)行接頭的焊接工藝實(shí)驗(yàn)。由于接頭根部通常是焊接的一個(gè)弱點(diǎn)，易產(chǎn)生氧化，不利于獲得良好的組織性能，因此，焊接過(guò)程中采用純氬作為根部保護(hù)氣體，流量為10L/min。在施焊進(jìn)行前，先打開(kāi)保護(hù)氣體閥，然后引燃電弧，不同保護(hù)氣體下的接頭焊接工藝參數(shù)如表所示，保護(hù)氣體流量為10L/min。由于焊接熱輸入對(duì)焊接效率、焊縫成形及焊接接頭質(zhì)量有很大影響，主要表現(xiàn)為：小的熱輸入將造成冷卻速度快，使焊縫金屬中的鐵素體相含量增加；而過(guò)大的熱輸入易造成焊縫金屬過(guò)熱，導(dǎo)致鐵素體晶粒粗大，這樣就使焊接接頭很難保持雙相不銹鋼所具有的優(yōu)良性能。所以，工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)，在相同的保護(hù)氣體下，通過(guò)改變焊接電流，研究了不同熱輸入對(duì)獲得接頭組織和性能的影響。GTAW焊為氬+氮混合氣體保護(hù)，并與采用純氬保護(hù)的GTAW焊和SMAW進(jìn)行對(duì)比，表為不同熱輸入量下的接頭焊接工藝參數(shù)，保護(hù)氣體流量為10L/min。

  本文中除用作腐蝕實(shí)驗(yàn)的對(duì)比試樣外，其余接頭試樣均采用單面焊雙面成形。多層焊時(shí)對(duì)層間溫度應(yīng)控制得當(dāng)，這樣后一道焊縫可起到降低前道焊縫冷卻速度的作用，有利于焊縫金屬中γ相的形成，但過(guò)高的層間溫度會(huì)造成焊縫組織和性能惡化。因此，層間溫度應(yīng)控制在150℃以下。

  進(jìn)行雙相不銹鋼焊接工藝試驗(yàn)時(shí)，除了應(yīng)嚴(yán)格按照確定的工藝控制焊接參數(shù)外，還要執(zhí)行下列焊接注意事項(xiàng)和操作技巧，才能保證現(xiàn)場(chǎng)的焊接質(zhì)量。

  a. 焊接時(shí)焊槍不擺動(dòng)，焊接速度適當(dāng)加快。

  b. 采用大直徑噴嘴，加大保護(hù)氣體流量，提高氣體保護(hù)效果。

  c. 采用非接觸式高頻引弧，防止產(chǎn)生脆性組織。

  d. 引弧須在坡口內(nèi)進(jìn)行，不允許擦傷母材。被擦傷部位需進(jìn)行打磨、探傷，然后酸化、鈍化處理。

  e. 蓋面焊縫必須一次焊接完成，以確保焊縫組織均勻。

  f. 層間溫度小于150℃，層間進(jìn)行空冷，嚴(yán)禁在試件上用水冷卻。

  g. 清理工具如鋼絲刷、刨錘等一律由雙相不銹鋼制成，打磨用的砂輪必須專(zhuān)用于打磨雙相不銹鋼。不能讓雙相不銹鋼與一般鋼材直接接觸，否則，由于雙相不銹鋼粘有鋼材粉末或鐵屑，會(huì)造成點(diǎn)蝕。只有嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的各個(gè)要素、焊工操作規(guī)范和環(huán)境條件，才能保證獲得良好的焊接質(zhì)量。

 4. 焊后處理

 在接頭焊縫未完全冷卻時(shí)，用雙相不銹鋼鋼絲刷去除焊縫表面的飛濺以及氧化皮。待冷卻后觀察焊縫表面形貌，并拍攝接頭表面形貌照片。

 二、獲得接頭的實(shí)驗(yàn)分析

  采用多層多道焊，焊縫經(jīng)過(guò)多次的熱循環(huán)，易造成獲得接頭組織與性能的不均勻。在對(duì)接頭進(jìn)行性能測(cè)試的過(guò)程中，合理的截取試樣有利于確切的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

 1. 拉伸實(shí)驗(yàn)

  為了測(cè)定獲得接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率，按照TB4708-2000標(biāo)準(zhǔn)從接頭部位截取試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣尺寸如圖所示。每種焊接工藝分別取3~5個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，最后取其平均值作為接頭的抗拉強(qiáng)度，并測(cè)量接頭試樣拉伸后的延伸長(zhǎng)度。拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)在WDW-20型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

  2. 彎曲實(shí)驗(yàn)

  根據(jù)ASME IX標(biāo)準(zhǔn)，截取接頭試樣進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，每種工藝參數(shù)下分別取四塊進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，面彎（FB）和背彎（RB）各兩塊，彎曲角度為180°。

  3. 顯微硬度測(cè)定

  試樣經(jīng)過(guò)磨制、拋光和腐蝕后，在HXS-1000A顯微硬度計(jì)上測(cè)定從“焊縫金屬—熱影響區(qū)—母材”的顯微硬度值分布。測(cè)量點(diǎn)之間的距離約為0.5mm。測(cè)試條件為：加載荷載為100g，保荷時(shí)間為15秒。

 4. 斷口形貌分析

  采用Quanta200型掃描電鏡對(duì)拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行掃描觀察，比較不同的保護(hù)氣體和焊接熱輸入量對(duì)接頭斷口形貌的影響。與此同時(shí)，采用Quanta200能譜儀對(duì)接頭微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行分析。

 5. 金相組織觀察

 對(duì)在獲得的接頭經(jīng)磨平、拋光、腐蝕后制備成金相試樣，用光學(xué)顯微鏡觀察焊縫、熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)的顯微組織形態(tài)。金相試樣的腐蝕條件為：10%鉻酸水溶液電解腐蝕，腐蝕時(shí)間10~20秒，電壓7.5V，或直接王水腐蝕。

 6. 相比例測(cè)定

 在接頭顯微組織照片上采用計(jì)點(diǎn)法測(cè)定不同試樣的相比例含量，以研究焊接參數(shù)對(duì)接頭相比例的影響。

 7. X射線衍射相結(jié)構(gòu)分析

 采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行相結(jié)構(gòu)組成分析，比較不同的保護(hù)氣體和焊接熱輸入量對(duì)接頭相結(jié)構(gòu)組成的影響，以及檢測(cè)接頭中是否存在危害相的析出等。

 8. 接頭點(diǎn)蝕性能測(cè)定

  采用三氯化鐵鹽酸水溶液化學(xué)浸泡法測(cè)定雙相不銹鋼焊接接頭的耐腐蝕行為，研究不同保護(hù)氣體和焊接熱輸入量對(duì)接頭耐腐蝕性能的影響，腐蝕溶液為6%FeCl₃+H₂O、6%FeCl₃+12.5%HCl+H₂O、6%FeCl₃+25%HCl+H₂O。試驗(yàn)溫度為22±1℃，試驗(yàn)時(shí)間為24小時(shí)。腐蝕前后用電子天平（感量為0.0001g）測(cè)量接頭試樣的質(zhì)量，并計(jì)算出腐蝕失重。

 腐蝕試樣的截取是以焊縫中心線為基準(zhǔn)，從接頭部位截取尺寸為30mm×10mm×8mm的腐蝕試樣，如圖2.7所示。采用機(jī)械加工的方法去除焊縫余高，并通過(guò)研磨以去除試樣表面的氧化層。經(jīng)加工后的試樣表面光滑，并對(duì)焊縫的縱截面進(jìn)行磨平、拋光，以便觀察試樣的腐蝕形貌。

 9. 接頭耐晶間腐蝕性能測(cè)試

 參考GB4334.2和ASTM A 262.B標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)獲得接頭進(jìn)行耐晶間腐蝕性能測(cè)試，計(jì)算試樣單位面積內(nèi)的失重。試樣分別從采用不同焊接工藝施焊獲得的接頭上切取，將試樣加工成尺寸50mm×25mm×8mm。用砂紙按從粗到細(xì)的順序進(jìn)行打磨，打磨后的試樣應(yīng)符合尺寸要求，然后用丙酮溶劑去油，最后用酒精洗凈，烘干。采用游標(biāo)卡尺測(cè)量相關(guān)尺寸并計(jì)算其表面積，記錄下由電子天平（感量為0.0001g）測(cè)量出的試樣質(zhì)量。腐蝕溶液為選用分析純硫酸配制成（50±0.3）%的硫酸水溶液，取600ml并加入25g純凈硫酸鐵。將已稱(chēng)重的試樣放入到溶液中，并在25±1℃下浸泡5天。腐蝕后取出試樣，經(jīng)干凈流水充分沖洗后，再放入丙酮中清洗并干燥、稱(chēng)重，最后計(jì)算試樣單位面積上的失重。