焊接工藝及接頭組織性能研究

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【摘要】綜合性能很高的雙相不銹鋼，在其力學性能十分突出的同時也具備級高的耐腐蝕性，因此，被廣泛使用在各行各業中用于代替一般的不銹鋼，如生物工程、食品藥品等行業，在實際使用中，為節約成本，提升經濟效果，在很大程度上發揮多種材料性能，大多會用多相不銹鋼與其他合金相互焊接結合使用，很大程度上降低了材料的使用性能。但是，由于不同的合金元素比例都會存在很大的差別，使得不同種類的材料焊接在一起相對困難，假如技術不高，在焊接中可能會產生很大概率的焊縫稀釋率，且最大的缺點就是在焊縫處容易出現氣孔或者裂痕等情況。因此，本文使用2205雙相鋼和Q345R低合金鋼為實驗材料來進行焊接工藝及接頭組織性能研究。

【關鍵詞】雙相不銹鋼；異種金屬；焊接工藝；耐腐蝕性

2205雙相不銹鋼是種中合金型雙相不銹鋼，因其鉻元素含有22％，也常被稱作22鉻雙相不銹鋼。其的固溶組織中，鐵素體與奧氏體各占50％對力學強度和耐腐蝕性起關鍵作用的。因此，其具有鐵素體與奧氏體不銹鋼的雙重性能。這不但使其具有很高的力學強度和良好的焊接性，而且在抵抗點蝕、均勻腐蝕和應力腐蝕開裂等方面都表現出優越的性能。資料顯示，當今2205雙相不銹鋼產量占全球雙相不銹鋼總產量的80％，已成為這一序列的主力。目前，它已被廣泛應用于石油天然氣開采、船舶制造和環境保護等工業領域。雙相不銹鋼在焊接時會出現熱裂紋、冷裂的敏感性小，在焊接時要在接口達成一定的比例，對于金屬相要減少產生，除了合金的元素影響相比例外，在焊接的時候產生的熱循環對于相比例所產生影響也很大。因此，研究使用不同方式焊接工藝來對雙相不銹鋼的接頭的組織與力學性能的影響以和能夠很好的使用和推廣雙相不銹鋼有很大的進步。

1實驗材料

試驗材料是經過熔煉與鍛造后的2205雙相不銹鋼（SAF2205）和低合金高強鋼Q345R材料，該次試驗鋼材化學含量詳見表1，鋼材的力學性能詳見表2。

2焊接工藝及方式

2.1選擇焊接方式

2205雙相不銹鋼與Q345R低合金高強鋼進行焊接，由于這兩種鋼材的元素含量具有很大的不同，在焊接時應該最大程度減小焊縫處稀釋率。鎢極惰性氣體保護焊（TIG）其優點是電弧和熔池可見性好，操作方便；沒有熔渣或很少熔渣，無需焊后清渣，質量高但速度較慢。如果焊接處能形成很好的一個接口，就能很好的控制焊縫熔合比，對焊縫金屬的稀釋就能有效的減少。為了不讓焊縫氧化，使用鎢極惰性氣體保護焊時候應該保持一定比例的保護氣體氬的純度。相比較來說，焊條電弧焊（SMAW）用手工操縱焊條進行焊接，設備簡單維護方便、操作靈活適應性強，在又有風的室外比鎢極惰性氣體保護焊的工作效率都要高。因此，本文擬使用TIG和SMAW焊接技術來對2205與Q345R鋼材進行焊接。

2.2對于焊接材料選擇

根據2205與Q345R兩種鋼材特性要考慮焊接材料在焊接過程中的損耗，因此，在選擇焊接材料的時候熔煉值應該大于2205鋼材，所以要選擇超合金化焊接材料。在兩種不同種類的鋼材焊接時在焊點會出現碳元素溢出，焊點出現碳元素會使焊接鋼材接頭強度將低、熱疲勞性下降，而且在脫碳層形成一層氧化膜極易脫離使得接頭很早就是去作用。在焊接時使用合金元素Ni就能有效降低焊點附近出現的碳元素遷移，因此結合理論和實際實驗分析得出，大多分使用的焊絲里Ni的含量要高于被焊接材料的2～3%。

2.3焊接工藝參數的確定

此次使用上海通用生產的WS-200氬弧焊機作為焊接工藝的焊接工具，將實驗鋼材350mm×200mm×10mm的尺寸，實驗方式是街頭對接的方式，單頭形成V型口，能使填充焊接材料很好的進入焊縫中，降低焊縫熔合比，所以，使用坡口和間隙要大的坡口形式，坡口角度α=65°，鈍邊b=2.5mm，間隙c=2.5mm。要使用酒精等對焊縫進行焊接前的清洗，焊接時，不要進行多余的操作，要快速焊接，要保證焊接的接頭具有完整性和高質量性，且要利用二次熱循環效果，在焊接時要進行多層多道焊，焊完每層后要對接縫清理干凈，在進行下一場焊接，焊接接頭的時候要嚴格控制溫度，不要超過150℃，TIG焊使用純度為99.99%的Ar氣體為保護氣體。經過實際實驗得出，改變焊接熱輸入進行焊接的時候，經過反復試驗并利用實驗所得接頭進行力學性能測試，改進焊接參數，在優化焊接工藝的情況下得到數據，詳見表3幾種樣品鋼材接頭的具體焊接參數見表。三組對比試驗分別為：A組使用ER2209焊絲的鎢極惰性氣體保護焊（TIG）；B組使用ER309焊絲的鎢極惰性氣體保護焊（TIG）；C組使用E2209焊條的焊條電弧焊（SMAW）。

3鋼材樣品接頭性能測試

3.1鋼材樣品拉伸性能測試

將焊接的鋼材樣品的接頭加工成標準拉伸試驗件，利用拉伸實驗機測出通過三種焊接工藝焊接鋼材樣品接頭的拉伸強度。進行實驗時，大部分情況采用接口拉伸測試得到的最大斷裂數據跟實驗前測量最小數據的比值，利用計算得到抗拉伸強度。拉伸檢測標準，要求鋼材樣品的抗拉伸強度大于或等于材料的原定的最小抗拉伸強度，但是不用等于或者大于實驗材料最大抗拉伸強度。如果實驗材料在實驗時出現斷裂，而且抗拉強度大于或等于材料既定的最低抗拉強度時，就可以判斷該實驗材料抗拉強度是達標；如果實驗材料在實驗時焊縫或熔合區出現斷裂，而且抗拉強度大于或等于材料規定的最低抗拉強度時，在達到其它性能需求時，也可以判斷該材料合格；但是假如實驗材料在實驗時遠地低于材料的理論抗拉強度下發生斷裂，就可以判斷該材料焊接的接頭性能不合格。在進行拉伸實驗時，需要對于每種實驗樣品都進行三次測試，而后取平均值，幾種焊接接頭的拉伸實驗結果詳見表4。為方便比較分析，同時也將兩種材料抗拉強度數據也一并加入表中。

3.2鋼材樣品彎曲性能測試

鋼材樣品材料在進行彎曲性能測試時必須在彎曲實驗臺上進行，要求試驗樣品的焊縫中心位置必須放在實驗臺下。進行表明彎取測試時，鋼材樣品要把焊縫外表面朝向下模放，背面彎區試驗時要把焊縫內的表明朝下模放置，隨后往上模施進行施壓，將實驗樣品壓入模具內，一直到試驗樣品成為U性彎。對于檢測鋼材樣品彎曲性能達標與否的評判，一般要求鋼材樣品彎面上焊縫與熔合區域所發現的裂縫或者其他破損要低于實驗樣品壁厚的1/2，產生在試驗樣品其他位置方位的裂縫尺寸要小于6mm才算達標。幾種實驗樣品的焊接接頭彎曲實驗結果詳見表5。

3.3接頭的沖擊性能測試

本文沖擊測試的標準是使用國家標準《焊接接頭沖擊試驗方法》（GB/T2650-1989），測試要點如下：①鋼材樣品焊縫處有氣孔或者裂縫等問題，則不能進行測試；②同樣條件下，鋼材樣品的同一位置要取樣結果不少于三個；③對于實驗樣品出現缺口前，應該先腐蝕焊接接口，在對焊接區域能清楚顯示后，再按照需求來劃線；④實驗樣品斷裂后，應該先檢查斷口處有沒有氣孔等問題，若斷口處出現氣孔或裂縫等問題，則該次實驗結果無效。在表6中沖擊試驗結果幾種接頭的沖擊試驗結果。

4結論

（1）雙相不銹鋼焊接使用TIG和SMAW比較適合，使用的能源較少和進行多層焊接，得到相比例、力學性能都很符合質量標準的焊接接口。（2）奧氏體的含量在TIG焊縫處要比SMAW焊縫含量高，其原因是TIG中的保護氣體中含有的1.5%N2增強輔熔金屬奧氏體的產生；還有是TIG焊接的溫度相對較高，焊接完成后需要長時間冷卻，奧氏體能有時間充分產生。（3）TIG焊接使用98.5%Ar+1.5%N2保護氣焊接的接頭跟酸性焊條SMAW焊接的接頭來比較，TIG焊接后的鋼材所具備的抗拉強度與沖擊韌性相對較高，焊縫和HAZ硬度值相對較低，因此，TIG焊接使用98.5%Ar+1.5%N2作為保護氣的接頭綜合性能很好。

作者:蘇雪梅 單位:南寧廣發重工集團有限公司

參考文獻

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[3]馬啟慧.雙相不銹鋼異種金屬的焊接工藝及接頭組織性能研究[D].南京航空航天大學，2010.