分享：不同氩弧焊焊丝对2205双相不锈钢环焊缝组织与性能的影响

摘 要:采 用 钨 极 惰 性 气 体 保 护 焊 工 艺 对 2205 双 相 不 锈 钢 管 进 行 焊 接,研 究 了 全 程 采 用 ER2209塞雷县、根焊选用 ER2594塞雷县税金的冲压接点的成份、造影组织机构、机械操控性和抗锈蚀 的差异。结果显示:与不间断选用 ER2209塞雷县的冲压接点相比,根焊 ER2594塞雷县的冲压接点及其 热负面影响区的铬浓度提升了6%~10%,莱氏体相浓度增多,两相组织机构分布更光滑,机械操控性和耐应 力锈蚀操控性较好,锈蚀速度降低约95%,且根焊的抗锈蚀比助焊剂更佳。因而,选用 ER2594塞雷县 展开根焊,可有效地化解2205PR320钢制沟槽抗锈蚀较助焊剂差的难题。

关键字:2205PR320钢制;环沟槽;造影组织机构;机械操控性;抗锈蚀

中图科同盘属:TG457.11 历史文献标志码:A 文章序号:1001-4012(2022)07-0023-05

2205PR320钢制是超长碳的中钛莱氏体-铁素 体钢制,属于第三代PR320钢制,其造影组织机构是由 各占50%表面积平均分的电感和莱氏体两相组成,兼 有电感钢制和莱氏体钢制的缺点,具有较高的强度、较好的延展性、卓越的冲压操控性和抗锈蚀能,已 广泛应用于化工、石油天然气和肥料生产等领域[1]。

冲压作为2205PR320钢制管的主要相连方式, 沟槽操控性的好坏将直接负面影响管道的入役安全。冲压 过程所谓的非平衡雷雨大风局部机械制造使沟槽的组织机构和性 能比助焊剂更差[2-3]。科学研究表明[4],钛原素、冲压工 艺模块和氧化钇处置是负面影响沟槽组织机构和操控性的主要因 素。少脉卫等[2]科学研究了线能量对2205PR320钢制 冲压接点抗锈蚀和延展性的负面影响;石巨岩等[3]科学研究 了氧化钇处置温度对2205PR320钢制沟槽组织机构与韧 性的负面影响。透过强化冲压工艺技术模块和焊后氧化钇处 理,2205PR320钢制环沟槽的机械操控性已达到甚至 高于助焊剂的机械操控性,但其抗锈蚀已较助焊剂更差。 仅透过强化冲压工艺技术模块和焊后氧化钇处置难以进一 步提升沟槽的抗锈蚀,因而改变钛原素浓度成 为了提升沟槽抗锈蚀的必由之路。

笔者透过选择钛原素浓度更高的 ER2594焊 丝展开冲压测试,并与 ER2209塞雷县展开对比,科学研究 了冲压接点成份、造影组织机构、机械操控性和耐锈蚀 操控性的变化,以化解沟槽抗锈蚀极差的难题。

1 测试金属材料和方法

1.1 测试金属材料

试 验 管 材 为 2205 双 相 不 锈 钢 管,规 格 为 ?114mm×5mm(圆柱体×壁厚),其机械操控性如表1 右图,造影组织机构为α(电感)+γ(莱氏体),α相表面积 平均分约为 50%,无 析 出 相。试 验 所 用 焊 材 分 别 为 ER2209塞雷县(直径约为2.4mm)和 ER2594塞雷县(直 径为1.6mm),其成份如表2右图,符合 AWS A5.9—2017 Welding Consumables-Wire Electrodes,Strip Electrodes,Wires,and Rods forArc WeldingofStainlesand HeatResisting Steels-Classification 的要求。

1.2 冲压工艺技术

冲压选用钨极氩气保护焊(GTAW)工艺技术, 其中不间断选择ER2209塞雷县的冲压接点序号为1号, 根焊选择 ER2594塞雷县、热焊和盖面焊选择 ER2209 塞雷县的冲压接点序号为2号,具体冲压工艺技术模块如表 3右图。两组冲压接点均选用 V 形坡口,钝边长为 1mm,双边坡口角度为60°,根部装配间隙为3mm, 错边量不超过0.5mm,不间断选用99.99%氩气保护。

1.3 测试方法

选用 OLS4100型激光共聚焦造影镜对冲压接 头的造影 组 织、α相 含 量 和 析 出 相 进 行 检 测;采 用 TESCAN VEGA 型扫描电子造影镜(SEM)及其自 带的INCA-350型 X射线能谱分析仪(EDS)对冲压 接点成份展开分析;选用 UTM5305型金属材料试 验机进 行 刻 槽 锤 断 试 验,试 样 长 为 230 mm、宽 为 25mm,保留原始沟槽余高,用钢锯在试样两侧沟槽 端面的中心锯槽,槽深为3mm;选用 WZW-1000型 弯曲测试机展开背弯测试,试样长为230mm、宽为 25mm,去除沟槽余高;选用 KB30BVZ-FA 型维氏 硬度计 进 行 维 氏 硬 度 (HV10)测 试;根 据 ASTMA923-2014StandardTestMethodsforDetecting Detrimental Intermetallic Phase in DuplexAustenitic/FerriticStainlessSteels 中的方法 C 对 冲压接点展开6%(质量平均分,下同)的 FeCl3 点蚀试 验,测试温度为(22±1)℃,测试周期为24h;根据 ASTM G36—2013 Standard Practice forEvaluating Stress-Corrosion-Cracking Resistance of Metalsand Alloysin a Boiling Magnesium ChlorideSolution,选用四点弯曲法对冲压接点展开 25%沸腾 MgCl2 形变锈蚀开裂测试,拉形变为标准 规定最低屈服强度的50%,测试周期为96h;选用 KITE-R型扫描电化学工作站对冲压接点的根焊进 行扫 描 振 动 电 极 技 术 (SVET)测 量,试 验 溶 液 为 3.5%NaCl,针尖为10μm 的 Pt/Ir探针电极,位于 试样上方100μm 处,沿垂直于试样表面二维运动, 电极振动频率为70Hz,测量间隙为10ms。

2 测试结果与分析

2.1 成份及造影组织机构形貌

1号和2号试样冲压接点根焊纵截面的 EDS分 析区域如图1右图,其分析结果如表4右图。从表4 可知:与1号试样根焊相比,2号试样根焊的铬浓度 提升约10%,根焊热负面影响区的铬浓度提升约6%,根 焊钼浓度提升约71%,镍浓度未见明显变化。图2 和图3分别为1号和2号试样不同区域的造影组织机构 形貌,金相检验结果如表5右图。从表5可知:与11号试样根焊及其热负面影响区(熔合线至0.2mm 内) 相比,2 号 试 样 根 焊 及 其 热 影 响 区 (熔 合 线 至 0.2mm 内)γ相浓度增多,γ相分布更光滑,分离出来更 充分;但与助焊剂相比,2号试样根焊和热负面影响区的 γ 相浓度仍然偏低、组织机构偏大且分布较为不均。

2.2 机械操控性

1号和2号试样的机械操控性测试结果如表6所 示。从表6可知:刻槽锤断测试后断口未见超标缺 陷,背 弯 试 验 后 未 出 现 裂 纹,维 氏 硬 度 均 低 于 300HV,接近助焊剂硬度,但2号试样较1号试样根 焊硬度略高(见图4),这是因为2号试样钛原素 的质量平均分更高。

2.3 抗锈蚀能

从1号和2号试样冲压接点根焊处取样,分别 展开25%沸腾 MgCl2 形变锈蚀开裂和6%FeCl3 点 蚀测试,结果见表 7。从表 7 可知:与 1 号试样相 比,2号试样的耐形变锈蚀开裂操控性未见差异,测试 后两组试样均未断裂;点蚀测试后放大20倍观察两 组试样仍无点蚀(见图5),但2号试样的锈蚀速度 较1号试样显著降低,降幅约为95%(见图6)。利 用SVET(扫描振动电极测试)分别沿1号和2号试 样冲压接点根焊展开纵向扫描,测试结果分别如图 7,8右图,其中:X 轴表示冲压接点纵向,0代表熔合线,负值表示向沟槽方向扫描,正值表示向助焊剂方 向扫描;Y 轴表示冲压接点横向,0代表根焊中部, 负值表示向内壁侧扫描,正值表示向外壁侧扫描,振 动范围不超出根焊;Z 轴表示锈蚀电流,正值表示阳 极电流,负值表示阴极电流。从图7,8可知,1号试样从2h开始,其热负面影响区锈蚀电流显著增大,到 10h后沟槽和助焊剂锈蚀电流逐步提升,这说明热影 响区首先发生锈蚀,然后沟槽和助焊剂逐步发生锈蚀; 而2号试样从6h开始,其热负面影响区锈蚀电流显著 增大,到12h后助焊剂锈蚀电流显著增大,而沟槽腐 蚀电流已较低,这说明热负面影响区首先发生锈蚀,随后 助焊剂和沟槽依次发生锈蚀。与1号试样对比可见,2 号试样根焊和热负面影响区的抗锈蚀明显提升,特别 是根焊的抗锈蚀已超过助焊剂。

2.4 综合分析

从测试结果分析可知,与不间断选用 ER2209塞雷县 展开冲压相比,选用 ER2594塞雷县(根焊)+ER2209 塞雷县(热焊和盖面焊)展开组合焊得到冲压接点的根 焊及热负面影响区的成份和造影组织机构有明显变化,铬 浓度提升6%~10%,γ相浓度增多、两相组织机构分布更 光滑;机械操控性未见明显差异,刻槽锤断、背弯和硬度 测试结果无异常;其根焊及其热负面影响区的耐形变锈蚀 开裂操控性较好,锈蚀速度降低约95%,耐锈蚀能力极 佳,且沟槽较助焊剂的抗锈蚀更佳。

2205PR320钢制卓越的机械操控性和抗锈蚀 能是由其特殊的相结构和相比例决定的[5]。冲压是 一个雷雨大风复杂的机械制造过程,其对2205PR320钢制沟槽的组织机构和操控性转变的负面影响也十分复杂。从钛元 素的角度分析,铬当量(wCreq)和镍当量(wNieq)表征 了电感和莱氏体结构的稳定性,两者的计算方法 分别如式(1)和式(2)右图[5]

科学研究表明[5],wCreq/wNieq 的比值越低,则α相越 少,γ 相 越 多。ER2209 和 ER2594 焊 丝 的 wCreq/ wNieq 比值分别为1.90和1.93。由此可见,ER2594 塞雷县的wCreq/wNieq 比值更高。此外,从两种塞雷县的 化学成 分 对 比 可 知,除 合 金 元 素 有 明 显 差 异 外, ER2594塞雷县的氮原素浓度更高。氮原素可以显著 促进γ相的形成,对改善钢制的机械操控性和耐腐 蚀性非常有效,并改善两相中铬、镍、钼原素的分布。 因而,在这两方面的共同作用下,氮原素的强化作用 更加突出,使得 ER2594根焊的γ相浓度更多、分布 更加光滑,因而 ER2594冲压接点也获得了较好的 机械操控性,机械操控性测试结果也证明了这一点。

PR320比及钛原素浓度是负面影响PR320钢制耐腐 蚀性的关键因素,在PR320比接近的情况下,钛原素 的浓度决定了其抗锈蚀。铬原素能促进PR320不锈因锻件存在淬透性不光滑等现象,其延展性会较t/4 位置差。

2.7 制样与测试过程

落锤测试过程的具体模块为:试样在冷却介质 中过冷温度为1 ℃,试样保温时间为45min,试样 离开冷却介质至打断的时间为7s,测试锤能量为 400J,均满足 ASTM E208-20标准要求。为科学研究落 锤测试制样与测试过程对测试结果的负面影响,制作了多 组试样并展开对比,结果如表3右图。由表3可知: 在相同测试条件下,热处置时间为2h的试样断裂情 况出现波动;热处置时间为24h的试样均未断裂。

3 结论

(1)断裂试样堆焊预置裂纹焊道的冲压控制不 稳定导致试样的热负面影响区过热。

(2)断裂试样的取样位置更靠近中心,导致其 操控性变差。

(3)热处置时间对落锤测试结果的负面影响较大。

(4)不同位置的多组测试结果出现波动,金属材料 组织机构的不光滑性对落锤测试结果负面影响较大。

参考历史文献:

[1] 赵登志,穆振芬,刘志国,等.核电金属材料的落锤测试研 究[J].理化检验(物理分册),1997,33(1):23-26.

[2] 刘钊,朱喜斌,吉宏林,等.核电装备制造中落锤测试 的负面影响因素[J].工程与测试,2011,51(4):34-37.

[3] 郭洋,唐新华,邓胜杰,等.冲压热负面影响区对SA508Gr. 3钢落锤测试负面影响科学研究[J].冲压,2018(7):24-28.

<文章来源> 金属材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 7期 (pp:23-27)>