2205不銹鋼焊接接頭的耐腐蝕性能除與鋼的成分有關外,主要還與焊接工藝有關。鋼的成分對其焊接接頭的耐蝕性有重要的影響,研究表明,Creq/Nieq值是決定2205不銹鋼焊接性能的關鍵因子,Creq/Nieq值越小,HT-HAZ的鐵素體比例越低,CPT值下降越小,焊接前后母材的CPT變化越小,耐點蝕性能下降越小。在焊接熱循環作用下,焊接工藝會顯著影響2205不銹鋼焊接接頭的組織性能,包括焊接方法、焊接熱輸入、保護氣體成分等,焊后熱處理也影響接頭的耐腐蝕性能。

焊接方法

焊接方法對焊接接頭的腐蝕行為有明顯的影響。在鎢極惰性氣體保護焊工藝下,鐵素體轉變成奧氏體較充分,焊縫區奧氏體/鐵素體的相比例較接近于理想的相平衡。焊條電弧焊(SMAWMMA)的焊接接頭中的鐵素體量比TIG接頭的要多一些,焊接接頭的耐腐蝕性能低于TIG。王治宇等[65]的結果表明,SMAW、TIGSAW的接頭HAZ鐵素體相的比例相差不大,均在55%60%之間,但TIG焊縫因累積熱輸入較大,鐵素體平均晶粒尺寸較SAW要大,TIGSAW接頭耐點腐蝕能力相當,SMAW較差,這主要與SMAW接頭氧位較高有關。袁世東對比研究了TIG、TIG打底+SMAW蓋面、TIG打底+SAW蓋面焊接對耐腐蝕性能的影響,結果表明,SMAW焊縫金屬的鐵素體含量高于SAW,SAWSMAW焊縫金屬的氧含量顯著高于TIG,TIG焊縫金屬的抗晶間腐蝕的性能最好,SAW焊縫金屬的抗晶間腐蝕的性能其次,SMAW的抗晶間腐蝕性能最差。以上表明,在常規焊接方法中,TIG焊接接頭的耐腐蝕性能通常優于SAWSMAW。

近年來,為了保證焊接質量、提高焊接效率,開展了許多特種焊接技術在2205不銹鋼上的研究,主要體現在高能焊接、攪拌摩擦焊和等離子弧焊(PAW)等。攪拌摩擦焊焊接技術具有能耗低、污染小、焊接質量好等特點,可避免傳統熔化焊易使2205不銹鋼焊接接頭出現焊縫區組織粗大和HAZ鐵素體含量高等問題。攪拌頭轉速對焊接接頭焊縫區的組織性能有明顯的影響,轉速的高低決定焊接熱輸入的高低,影響鐵素體相的含量和σ相的析出而影響接頭的耐腐蝕性能。摩擦焊對焊接材料尺寸和形狀的要求較高,管材和厚度較小的板材均不能使用摩擦焊,且最大焊接截面受限。

高能焊接主要有激光焊(LBW)、電子束焊(EBW)等。LBW的熱量集中,其熱輸入非常小,冷速極快,焊縫鐵素體含量極高(可超過90%),且析出Cr2N較多[44]。LBW焊縫非常窄,沒有明顯HAZHAZ幾乎不能與熔合區分開)。研究表明,LBW焊接接頭的耐均勻腐蝕性能高于于母材,但耐點蝕性能則較差[68]。2205不銹鋼LBW+MIG復合焊接的研究表明,焊接接頭組織的上、中、下各部位差別較大,焊縫的元素含量及在兩相中的分布較母材有較大差異,尤其是Mo在鐵素體中偏聚較為嚴重,HAZ的耐蝕性較差,點蝕優先發生在熔合線附近的HAZ,復合焊接接頭的耐點蝕和耐晶間腐蝕性能均低于激光焊焊接接頭。EBW可以降低焊接接頭的氧位,但鐵素體相的比例高。2205不銹鋼EBW焊縫的奧氏體含量不到5%,且有大量Cr2N沿鐵素體晶界析出,耐點蝕性能顯著低于母材。高能焊接的焊后冷速快,不易填充金屬,焊縫鐵素體含量高,HAZ的鐵素體/奧氏體相比例不易控制,Cr2N等相易于析出,因此接頭的耐局部腐蝕性能較低。

PAW的焊縫較寬,HAZ范圍大,HAZ寬度超過到600微米,且鐵素體含量也較高(約75%),合金元素Cr、Mo、Ni的分配發生失衡,也有Cr2N析出。PAW焊接接頭的耐點蝕性能較差,熔合線附近HAZ的鐵素體是易發生點蝕的部位。

焊接熱輸入

焊接熱輸入是指焊接能源輸入給單位長度焊縫上的熱能,其值等于焊接電流、電弧電壓、熱效率的乘積和焊接速度的比值。LINTON等分析2205不銹鋼反應容器的失效問題時發現,失效的主要原因是不合理的熱輸入使焊縫處存在較大殘余應力和有害相Cr2N,使焊縫處發生縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂。焊接熱輸入越高,焊接接頭在較高溫度范圍內停留的時間越長,尤其是t12/81200800℃的停留時間)越大,越有利于鐵素體向奧氏體的轉變,使HAZ寬度增大,使HAZ和焊縫金屬的晶粒粗大。龔利華等的研究結果表明,較高的熱輸入,使得TIG焊接接頭冷卻速度相對較慢,有助于Cr的擴散而消除晶界的貧Cr,減小晶間腐蝕傾向;但較高的熱輸入,會導致兩相中元素分配不均衡而使鐵素體相優先發生腐蝕,從而惡化整體的耐點蝕性能。對于N含量較高的2205不銹鋼,由于N會影響Cr、Mo等元素在兩相中的分配系數,促進Cr、Mo從鐵素體相到奧氏體相的轉移,因此,高的熱輸入會降低焊接接頭鐵素體的PREN,但可提高奧氏體相的耐點蝕性能。WANG研究發現,熱輸入的提高會增加Zeron100鋼焊接接頭奧氏體的含量,可避免出現鐵素體相過多和Cr2N相的析出等現象,可提高焊接接頭的耐蝕性。但是,隨著熱輸入的提高,當奧氏體的含量達到60%以上時,過低的鐵素體含量會降低接頭的強度并使Cr、Mo等元素在鐵素體中濃縮,促進σ相的析出而降低耐腐蝕性能;過高的奧氏體含量則會使Cr、Mo在奧氏體中的濃度下降,減小奧氏體的PREN而降低奧氏體的耐點蝕性能。劉潔等的研究結果也表明,當熱輸入小于2.965kJ/mm時,2507HAZ奧氏體含量隨著熱輸入增加而增加,奧氏體的PREN值均大于鐵素體的PREN值,HAZ的點蝕電位從1030mVSCE)提高至1082mV;但熱輸入繼續增加至2.965kJ/mm時,因有粒狀χ相在兩相交界處析出而導致組織的點蝕電位降至1065mV。譚華的研究結果[44]也表明,隨著熱輸入增大(0.53.5kJ/mm),2507鋼的臨界點蝕溫度(CPT)先增加后稍微下降。以上表明,存在一個最佳的熱輸入,可使兩相的合金元素和相比例處于最佳,且沒有二次相析出,而使接頭獲得良好的耐蝕性。

熱輸入決定著冷卻速率,冷卻速率對HAZ的相平衡起著重要的作用,對HAZ的組織和性能有很大的影響。李為衛等研究了冷卻時間對2205不銹鋼HAZ組織與性能的影響,認為t12/8主要影響奧氏體的析出量,對HAZ的相比例和組織形態有明顯的影響;而t8/5800500℃的停留時間)則主要影響二次相(如σ相、碳化物、氮化物)的析出行為,對HAZ的相比例和組織形態影響不大。研究結果表明,隨著冷速下降,冷卻過程中t12/8越大,HT-HAZ析出的奧氏體相越多,奧氏體晶粒越粗大,CPT越高,耐點蝕性能越好,認為鐵素體相是HT-HAZ的弱相,鐵素體相優先發生腐蝕,穩定點蝕只發生在鐵素體相內。但需要指出的是,這些研究沒有對HAZ兩相間的電偶作用情況進行實驗分析,具體影響機理還有待進一步深入研究。

采用多道焊可以解決因冷卻速度快造成的接頭鐵素體含量高及鐵素體Cr、Mo含量低的問題。研究表明,前層道焊縫會受后續道焊縫的熱處理作用,從而使前一道焊縫的奧氏體含量增加,使兩相合金元素分配均衡,可提高焊縫的耐蝕性[82]。2304鋼經第一道焊接熱循環,HAZ的兩相合金元素含量差異較小,鐵素體中的CrMo含量明顯低于母材鐵素體,使HAZ鐵素體的CPT明顯下降,耐點蝕性能顯著下降[44]。隨著焊接道數增加,CrMo逐漸向鐵素體富集,而NiMn向奧氏體富集,HAZ鐵素體的CrMo含量逐漸增加,CPT逐步上升,耐點蝕性能逐漸提高[44]。有研究結果表明,多道焊焊縫的鐵素體含量約比單道焊低10%[83]。但如果多道焊工藝控制不當,也可能對焊縫性能不利。ZHANG[84]研究發現,后一道焊接對前一道焊接的熱處理作用不足時,可導致Cr2N和二次奧氏體在晶界處析出,降低2205不銹鋼焊接接頭的腐蝕抗力。層間溫度對焊縫和HAZ的組織和耐蝕性也有較大影響,提高層間溫度意味著焊縫可以在較高的溫度下停留較長的時間,促進鐵素體向奧氏體的轉變,從而改善焊縫的組織性能。過低的層間溫度達不到改善組織的目的,但過高的層間溫度在提高奧氏體含量的同時也會促進鐵素體分解產生σ、χ、Cr2N等有害相,反而不利于接頭耐蝕性的提高。因此,層間溫度一般控制在150200℃范圍內。以上表明,適當的熱輸入、多道焊并控制好層間溫度,可以避免HAZ相比例的失衡、合金元素分配的失衡、二次相的析出,獲得耐蝕性良好的焊接接頭。需要指出的是,在熱輸入影響接頭耐蝕性的研究中,大多沒有涉及焊接應力對腐蝕行為的影響,也很少涉及兩相間電偶作用對耐蝕性的影響。另外,在實際的TIG焊等手工焊接操作中,熱輸入常會存在一定的波動,這對接頭耐腐蝕性能的影響還未見相關報道。

保護氣體

2205不銹鋼焊接時通常需要進行氣體保護,其目的是隔絕空氣和改善接頭的組織。保護氣體以Ar、He等惰性氣體為主,Ar、He具有很高的穩定性,不會在焊接過程中影響2205不銹鋼的組織成分,具有較好的保護效果;實際焊接時惰性保護氣中通常還會加入少量的N2、CO2等氣體進行輔助,以達到改善焊接工藝性能,進一步提高焊接接頭質量的目的。

保護氣體的成分影響TIG焊縫金屬的化學成分和性能。有研究表明,采用純Ar保護時,存在電弧不穩定、熔池流動性差的問題,焊縫根部會析出Cr2N,導致焊縫根部耐點蝕性降低,點蝕發生在焊縫金屬或沿著熔合線發生;Ar+CO2則存在焊縫金屬填充不足、焊縫根部多孔的問題;Ar+30%He的焊接性良好,保護氣體為Ar+30%He+0.5%CO2+1.8%N2時,2507鋼管焊接接頭的耐腐蝕性最好[86]。背面采用保護氣體,可提高TIG焊縫金屬的耐蝕性。采用N2進行背面保護,可提高焊縫耐蝕性,點蝕發生在離熔合線13mmHAZ;采用90%N2+10%H2進行背面保護,可顯著改善焊縫的耐點蝕性能,TIG根部焊縫的耐蝕性(CPT)接近母材。

在焊接過程中,焊接接頭處于快速加熱和冷卻的狀態,導致焊接接頭中鐵素體相含量高,甚至析出σ、χ和Cr2N等有害相,而降低接頭的韌性和耐蝕性。而且焊接過程還會燒損一部分NiN,這會降低接頭中的奧氏體含量[88],而影響接頭的耐蝕性。在保護氣體中會添加一定量的N2,不僅可改善兩相比例,還可調節合金元素Cr、Mo、Ni等的分布,從而改善接頭的耐腐蝕性能。保護氣體中的N2一般在2%3%,若使用Ni含量高于母材的焊絲時,可適當減少N2含量。KIM[89]的研究結果表明,在Ar中加入2%N2提高了焊縫的奧氏體含量,減少了Cr2N析出,而提高了焊縫鈍化膜的穩定性,提高了接頭的耐蝕性和耐沖刷腐蝕性能。龔利華等的結果也表明,焊接中較高的熱輸入以及保護氣體中添加2%N2有助于提高焊接接頭中奧氏體相的比例,增大了焊接接頭電化學性質的穩定性而提高腐蝕抗力。ZHANG等的結果表明,Ar中加入N2,可補償N的燒損,促進N進一步溶入奧氏體尤其是二次奧氏體,可抑制Cr2N在焊縫根部析出,提高焊縫和HAZ的奧氏體含量及其PREN,提高γ2PREN,從而改善焊縫根部、填充金屬、HAZ的耐局部腐蝕性能。但KIM[89]的研究結果同時也表明,N2的添加對HAZ相比例和Cr2N析出沒有明顯的影響。綜上所述,以Ar、He等惰性氣體為主的保護氣體中加入一定量的N2可以顯著改善焊縫的組織和耐腐蝕性能,但對HAZ的作用并不明顯。前面的分析表明,2205不銹鋼焊接接頭HAZ是腐蝕的薄弱區,尤其是HT-HAZ,這表明,保護氣體中加入N22205不銹鋼焊接接頭整體耐蝕性的提高可能是有限的;而且由于提高了焊縫的耐蝕性,增強了焊縫金屬-HAZ、HAZ-母材的電偶作用,甚至可能對HAZ腐蝕是有害的。

焊后熱處理

焊后熱處理主要包括固溶處理和時效處理。

前面的分析表明,通過固溶過程中元素的擴散、鐵素體-奧氏體轉變,可改善元素分布、消除二次相及貧Cr區、改善鐵素體/奧氏體相比例,從而提高2205不銹鋼的耐腐蝕性能。固溶處理也應可以改善焊接接頭的鐵素體/奧氏體相比例、合金元素的分布以及消除σ、χ和Cr2N等有害相。固溶處理的溫度一般在900℃以上,根據Fe-Cr-Ni相圖和2205不銹鋼Thermo-Cal軟件計算的相平衡分數與溫度的關系圖,在這個溫度范圍內,不會新析出σ、χ和Cr2N等二次相,已有的σ、χ和Cr2N等會隨著溫度的升高逐漸溶解。KIM等認為,最佳的固溶溫度為1090℃,焊后經固溶處理可以使焊縫和HAZCr2N溶解,N從鐵素體擴散入奧氏體而提高奧氏體比例,減少了兩相耐點蝕性能的差異而提高焊接接頭的耐蝕性。龔利華等的結果表明,半自動鎢極氬弧焊的2205不銹鋼焊接接頭,1050℃固溶處理可使HAZ中的σ相重新溶解而消除,對相比例的恢復以及鈍化膜穩定性的提高均具有明顯效果。鄒德寧等[92]的結果也表明,固溶處理可以調節焊接接頭的兩相比例,消除析出的σ相。石巨巖等的結果表明,當固溶溫度為10201070℃時,2205不銹鋼焊縫的兩相比例約11,當固溶溫度為920℃、970℃時,2205不銹鋼焊縫中有σ相析出。以上表明,固溶處理對焊接接頭的組織性能的影響與1.2部分是基本相同的,固溶溫度對焊接接頭的組織性能起著主要作用。另外,固溶處理雖可提高接頭的耐蝕性,但如何對工程構件進行固溶處理是需要研究的問題,尤其是大型構件的焊接接頭。

時效處理主要用于消除焊接的殘余應力以改善接頭的力學性能。SIM等研究發現,隨著時效溫度的提高,接頭中的鐵素體逐漸減少,原因在于鐵素體相在較低溫度范圍內會逐漸轉變成奧氏體,并且在轉變過程中容易產生σ、χ、γ2Cr2N等有害相,這些有害相對焊接接頭耐蝕性的降低比奧氏體/鐵素體相比例失衡所造成的影響更大。此外,對于奧氏體含量較高的焊縫而言,較低的鐵素體含量和狹長的形態會促進σ相的析出,增大焊縫區σ相的析出敏感性。由此可見,雖然時效處理可以改善2205不銹鋼焊接接頭的力學性能,但有害相的析出會降低其耐蝕性能,因此,2205不銹鋼焊接接頭一般不宜進行時效處理,即使需要進行時效處理,也必須控制時效溫度在較低的范圍內或采用較短的時效時間,以免產生有害相而降低接頭的耐蝕性。

目前,時效處理對接頭耐蝕性影響的研究主要集中在析出相的影響方面,時效溫度相對較高,而低溫時效對接頭耐蝕性影響的研究還鮮有報道。焊接接頭的耐蝕性不僅與組織有關,焊接應力也有重要的影響。采用合適的低溫時效處理,不改變接頭組織,消除或部分消除焊接應力,可能可提高接頭的耐腐蝕性能。