焊接工艺对2205不锈钢焊接接头组织和力学性能影响分析

摘 要 针对2205不锈钢自身力学性能、结构特点，对2205不锈钢的焊接工艺进行优化，减少焊接过程中热循环对接头的影响。通过对不锈钢焊接接头的力学性能测试，分析不锈钢焊接接头的组织结构。分析结果显示：在2205不锈钢焊接过程中，采用混合气体（氩气+氮气）保护的钨极氩弧焊，可以提高不锈钢接头的力学性能，使其组织结构更加接近母材。

关键词 不锈钢；焊接工艺；组织结构

中图分类号TG404 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）96-0161-02

2205是目前应用范围比较广泛的不锈钢材，其具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，广泛应用于石油运输、航洋勘探、化学化工、电力发电等领域。焊接作为重要的钢材加工工艺，其对2205不锈钢焊接技术的发展具有十分重要的作用。从2205不锈钢焊接技术的发展速度来看，阻碍不锈钢在焊接工艺发展的主要问题是热影响问题。

在不锈钢焊接过程中，焊接区域处于快速冷却的非平衡状态，冷却后残留过多的铁元素，使得焊接接头的腐蚀倾向比较研究，容易出现裂缝。

在2205不锈钢焊接过程中，合理的焊接工艺可以降低热循环对接头力学性能和组织结构的影响，提高2205不锈钢接头的强度和耐腐蚀性。

因此，本文主要针对2205不锈钢的性能、特点，采用不同的焊接工艺，对不锈钢焊接接头的组织结构和性能进行研究，提高不锈钢焊接的实际应用性。

1实验材料和焊接工艺

1.1实验材料

本文选用瑞典生产的SAF2205不锈钢，运用E2209焊条和ER2209焊丝。2205不锈钢在常温下的力学性能：原材料为瑞典的阿维斯坦公司生产的SAF2205 不锈钢材料、焊条为E2209、焊丝为ER2209。

在常温状态下，2205不锈钢的力学性能： 屈服强度 > 550MPa， 抗拉强度>750MPa， 维氏硬度HV> 220。本文选择材料是力学性能如下： 抗拉强度= 860MPa， HV= 280[2]。

1.2焊接工艺

材料加工成300mm× 150mm×6mm， 300mm ×150mm× 8mm两种，并采用IXT-400ST G 型逆变式手弧焊机进行不2205不锈钢接头焊接。厚度为8mm的材料进行手工电弧焊，厚度为6mm的材料进行钨极气体保护焊[3]。

在对2205不锈钢材料进行焊接前，采用丙酮等液体对2205不锈钢材料进行清洗。采用多层多道焊接，保证接头焊透，减少热循环对焊头的影响。

在对每层进行焊接的时，可以对上层焊道进行热处理，使得焊头热区域中的铁元素向奥氏体转变。焊层的稳定应该控制在150摄氏度以下，避免出现脆性相的析出，减少焊接时脆性温度区间的停留时间。

从2205不锈钢焊接工艺的参数中，可以发现 GTAW 和GTAW*的焊接热输入量相差不大，可以有效降低两种焊接方法因为热输入量所带来的影响。

2结果及分析

2.1拉伸实验

从2205不锈钢焊接接头中取出试样对象，并依据TB4708-2000的标准对其进行拉伸试验。每种测试试样多要进行5种以上的拉伸试验，其中 GT AW， GT AW* ， SMAW焊接工艺的抗拉伸强度为标838.4， 884.7，824.7MPa。从焊接接头断裂位置来看，断裂位置集中在热影响区、母材区和焊接缝区。由此可知，2205不锈钢具有很强的力学性能，这主要归咎于其特殊的化学成分和合理的元素比例。

相对于其他钢材来说，2205不锈钢具有良好的导热性，抗热膨胀性，所以其不会产生过大的残余应力，有效防止热裂纹的出现。焊接接头残余应力受焊接线能量变化的影响不大，同时多层焊接又可以减少接头的残余应力。

当铁元素的体积分数小于1/2，接头焊缝可以避免氢元素导致裂纹。当焊接接头中的铁素体积分数大于1/2，那么铁元素体积与氢致裂纹之间呈现正相关。

当氮的质量超过0.2% 时，在氮元素间隙固溶的作用下奥氏体的强度大于铁素体。氮元素的间隙固溶作用分布于奥氏体内， 可以有效地提高焊接接头的强度，弥补不锈钢因为碳含量低而造成强度不够的不足。

当氮含量每增加0.1%，不锈钢材料的屈服度就可以提高10MPa。在焊接过程中增加氮气，可以保持两相的平衡，提高2205不锈钢焊接接头出的力学性能。由于接头受到多次热循环的影响，容易出现铁元素晶体颗粒，影响焊接接头的力学性能。

2.2显微硬度测定

按照HVS-50型数显维氏硬度计对2205不锈钢焊接接头进行硬度测量，其测量条件为100g负荷，测量时间为16s。测量方法：对母材区域、热影响区、焊缝金属区进行分别测量，每次测量3次，计算总次数的平均值。

测量结果显示：氮在金属中起到了碳元素的用， 两者的有效结合可以避免出现低碳导致的接头软化， 又不能出现碳元素过渡导致的接头耐腐蚀性差。

通过能谱分析测得GT AW 焊接接头中所含氮的质量为1. 83% ， 这主要归咎于混合气体保护可以提高接头的硬度。保护气体中含有一定的氮气，增加了保护其中氮气的分压，防止氮元素析出。同时，焊接过程中产生的熔池中存在电离的氮气，使得焊接接头可以吸收部分氮元素。通过电离方式可以获得0.1%氮元素。通过拉伸结果显示， GT AW 接头低于GT AW* 接头的抗拉强度，但其硬度却高于GT AW* 接头，这主要归咎于氮元素对接头的强化作用。

3结论

1）不锈钢在焊接过程中，采用混合气体（氩气+氮气），并利用纯氩保护钨极氩弧焊的焊接工艺，减少热循环对2205焊接接头的影响，使得2205不锈钢焊接接头处出现保奥氏体和铁素体双相金属。通过对2205不锈钢焊接接头进行力学性能测试，发现GT AW和GT AW*焊接工艺可以提高焊接接头的抗拉强度。通过对2005不锈钢焊接接头进行电子扫描，可以发展采用混合气体保护焊接工艺，可以焊接接头具有韧性断裂的特性；

2）通过混合气体保护氩弧焊，即 氩气+氮气保护氩弧焊，可以使得不锈钢焊接接头具有合理的相比例，焊接缝隙金属中的奥氏体相与母材中的奥氏体差别不大。焊接过程中比较难控制的热影响区中的奥氏体的含量为44.5%，并均匀地分布于不锈钢的铁素体中，其中晶体颗粒的大小与母材类似，所以不锈钢接头性能有很大提高；

3）尽管GTAW不锈铁接头与GT AW*不锈钢接头在抗拉强度方面类似，但是在硬度指标， 抗弯强度， 冲击韧性方面，前者都优于后者。

参考文献

[1]邢卓.双相不锈钢2205的焊接[J].管道技术与设备，2006（1）：28-30.

[2]韩志诚，王少刚，胡经洪，徐风林.焊接工艺对2205 双相不锈钢接头组织与性能的影响[J].材料工程，2008（8）：48-52.

[3]刘俊，霍立兴，金晓军，白秉仁，李晓巍，曹军.焊接工艺对SAF2205管道焊接接头组织和力学性能的影响[J].焊管，2004（3）：20-23.