CN109967835A - 一种双相不锈钢s32205的气体保护焊工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，该气体保护焊工艺包括如下步骤：（1）检测双相不锈钢S32205母材本身的力学性能，双相不锈钢S32205母材的各项力学性能满足ASTM A790标准要求，则进入下一步骤；（2）验证双相不锈钢S32205母材的腐蚀率，若双相不锈钢S32205母材的腐蚀率≤10mdd，则进入下一步骤；（3）采用的焊丝为GTS‑2209氩弧焊丝，正面进行98%的氩气和2%的氮气的混合气体保护焊，背面进行氮气气体保护焊，焊接线能量控制在1～1.5KJ，焊接层间温度在100℃以下。本发明的优点在于：通过本发明的双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，能够大大提高焊缝耐腐蚀效果且大大降低生产成本。

Description

一种双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺
技术领域
本发明涉及一种不锈钢的气体保护焊工艺，特别涉及一种双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺。
背景技术
双相不锈钢的主要特点是屈服强度可达400-550MPa，是普通不锈钢的2倍，在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢。双相不锈钢焊接时采用的保护气体直接影响焊缝金属的抗腐蚀性能。
现有双相不锈钢采用氩弧焊焊接时一般情况下正面和背面使用的保护气体是氩气，也有部分试验采用氮气与氩气的混合气体对熔池进行保护；但是这两种气体保护焊存在一定的缺陷：1.生产成本相对较高；2.焊缝耐腐蚀效果不佳。
因此，研发一种能够大大提高焊缝耐腐蚀效果且大大降低生产成本的双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺是非常有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够大大提高焊缝耐腐蚀效果且大大降低生产成本的双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，其创新点在于：所述气体保护焊工艺包括如下步骤：
步骤1：检测双相不锈钢S32205母材本身的力学性能，以确定双相不锈钢S32205母材的各项力学性能是否满足ASTM A790标准要求，若双相不锈钢S32205母材的各项力学性能满足ASTM A790标准要求，则进入下一步骤；
步骤2：验证双相不锈钢S32205母材的腐蚀率是否≤10mdd，若双相不锈钢S32205母材的腐蚀率≤10mdd，则进入下一步骤；
步骤3：采用的焊丝为GTS-2209氩弧焊丝，然后加工待焊双相不锈钢S32205母材坡口和清理坡口及附近表面，并对待焊双相不锈钢S32205母材进行烘干，最后坡口焊接的正面进行98%的氩气和2%的氮气的混合气体保护焊，坡口焊接的背面进行氮气气体保护焊，焊接线能量控制在1～1.5KJ，焊接层间温度在100℃以下。
进一步地，所述步骤2验证双相不锈钢S32205母材的腐蚀率依照ASTM A923-2014《奥氏体-铁素体双向体不锈钢金属间不良化合相的标准试验方法》进行，具体步骤如下：
（1）将焊双相不锈钢S32205管材上取25*50mm试样2组，所有试样表面试样的尖角应平滑过渡，仔细去清除试样表面的毛刺；
（2）采用湿抛光的方式对步骤1清除毛刺的试样表面进行抛光，确保试样表面的光洁度≥ 120 粒度；
（3）对（2）处理后的试样尺寸进行精确测量，所有外露表面应计算在内，试样表面应采用氧化镁膏清理，用水冲洗清理干净，浸入酒精或丙酮后风干试样，并对试样进行称重，试样重量须精确至 0.001g 或更高，并保存在干燥器内直至使用；
（4）将（3）处理后的试样置于玻璃托架上，待恒温水浴锅达到标准要求温度后，将试样浸入三氯化铁溶液中，用玻璃观察罩盖住测试容器或用薄膜封住开口即可，双相不锈钢S32205试验温度为 22℃，试验时的温度波动范围±1℃。在24小时内必须一直保持该试验温度，试验过程中，试验结束后再次进行称重，腐蚀率按重量减少及总重量减少计算，腐蚀率不应超过 10mdd为合格。
进一步地，所述步骤3中的焊丝规格为φ2.4mm。
进一步地，所述步骤3中待焊双相不锈钢S32205母材坡口倾斜度为60°，钝边为1mm，钝边根部间隙为3.5mm。
本发明的优点在于：本发明双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，焊接工艺之前进行双相不锈钢S32205母材金属各项性能测定，以确保双相不锈钢S32205母材各项性能符合标准要求，进而确保后期焊接的准确性；此外，正面采用Ar98%+N22%混合气体保护，背面采用N2气体保护的焊缝耐腐蚀效果最优，尤其是背面创新性采用氮气保护极大地降低了生产成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为1组的焊缝宏观组织图。
图2为1组的热影响区宏观组织图。
图3为2组的焊缝宏观组织图。
图4为2组的热影响区宏观组织图。
图5为3组的焊缝宏观组织图。
图6为3组的热影响区宏观组织图。
图7为4组的焊缝宏观组织图。
图8为4组的热影响区宏观组织图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，本实施例双相不锈钢S32205采用母材为ASTM A709 S32205，属于标准双相不锈钢，其化学成分见表1，力学性能见表2。
表 1 母材执行标准及试验母材实际化学成分（%）
表2 母材力学性能
本实施例双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，焊接采用的是昆山京群焊材科技有限公司生产的京雷焊材GTS-2209氩弧焊丝（φ2.4mm）,其执行标准及焊接材料质保书载明化学成分见表3，焊接材料与母材金属实际化学成分对比见表4，从表4可以看出焊材GTS-2209相对于母材S32205来说碳含量更低，低的碳量会增加钢的耐大气腐蚀能力，同时降低钢的冷脆性和时效敏感性。而镍含量是母材的1.8倍左右，镍的作用是提高钢的强度和韧性，提高淬透性。镍含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力和强度，同时保持良好的塑性和韧性，另外镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力，其他成分与母材近似。
表3 焊接材料执行标准及焊材实际化学成分（%）
表4 焊接材料与母材金属实际化学成分对比（%）
焊接材料与母材金属力学性能见表5，母材金属与焊缝金属力学性能质保书见表6；从表5 母材金属与焊缝金属力学性能标准数据对比来看，焊缝金属抗拉强度略高于母材，而伸长率比母材金属低5%，但从表6母材金属与焊缝金属力学性能质保书载明数据对比来看两者之间的数据来看，焊缝金属抗拉强度也高于母材金属，伸长率通过同样低于母材金属。
表5 母材金属与焊缝金属力学性能标准数据对比
表6 母材金属与焊缝金属力学性能质保书数据对比
本实施例双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，该气体保护焊工艺包括如下步骤：
步骤1：检测双相不锈钢S32205母材本身的力学性能，以确定双相不锈钢S32205母材的各项力学性能是否满足ASTM A790标准要求，检测结果见表7，从表7母材力学性能标准值与实测值对比来看，母材各项力学性能满足标准要求,则进入下一步骤。
表7 母材力学性能标准值与实测值对比
*根据ASTM锅炉及压力容器规范第二卷材料A篇《铁基材料》2013版规定，所有双相不锈钢并无冲击要求，该冲击要求值是依照ASTM A923-2014《奥氏体-铁素体双向体不锈钢金属间不良化合相的标准试验方法》试验方法B：双相不锈钢组织分类的夏比冲击试验里面载明的适用范围和合格标准要求而定。
步骤2：验证双相不锈钢S32205母材的腐蚀率，双相不锈钢S32205母材的腐蚀率依照ASTM A923-2014《奥氏体-铁素体双向体不锈钢金属间不良化合相的标准试验方法》进行，具体步骤如下：
（1）将焊双相不锈钢S32205管材上取25*50mm试样2组，所有试样表面试样的尖角应平滑过渡，仔细去清除试样表面的毛刺；
（2）采用湿抛光的方式对步骤1清除毛刺的试样表面进行抛光，确保试样表面的光洁度≥ 120 粒度；
（3）对（2）处理后的试样尺寸进行精确测量，所有外露表面应计算在内，试样表面应采用氧化镁膏清理，用水冲洗清理干净，浸入酒精或丙酮后风干试样，并对试样进行称重，试样重量须精确至 0.001g 或更高，并保存在干燥器内直至使用；
（4）将（3）处理后的试样置于玻璃托架上，待恒温水浴锅达到标准要求温度后，将试样浸入三氯化铁溶液中，用玻璃观察罩盖住测试容器或用薄膜封住开口即可，双相不锈钢S32205试验温度为 22℃，试验时的温度波动范围±1℃；在24小时内必须一直保持该试验温度，试验过程中，试验结束后再次进行称重，腐蚀率按重量减少及总重量减少计算，腐蚀率不应超过 10mdd为合格。经过试验验证母材金属S32205合格，相关数据见表8 S32205母材腐蚀检测结果。腐蚀率计算方式为：
腐蚀率按下式计算：腐蚀率＝重量减少（mg）/试样面积(dm2)×时间(天数)。
表8 S32205母材腐蚀检测结果
步骤3：采用的焊丝为GTS-2209氩弧焊丝，然后加工待焊双相不锈钢S32205母材坡口和清理坡口及附近表面，待焊双相不锈钢S32205母材坡口倾斜度为60°，钝边为1mm，钝边根部间隙为3.5mm；并对待焊双相不锈钢S32205母材进行烘干，最后坡口焊接的正面进行98%的氩气和2%的氮气的混合气体保护焊，坡口焊接的背面进行氮气气体保护焊，焊接线能量控制在1～1.5KJ，焊接层间温度在100℃以下。
为了突出本发明正面采用Ar98%+N22%混合气体保护，背面采用N2气体保护的优势，将与正面和背面均采用氩气（Ar）保护、正面氩气（Ar）保护背面氮气（N2）保护、正面和背面均采用氩气与氮气（Ar98%+N22%）混合气保护进行分析对比。
试验数据共4组气体组合，每一种气体组别进行3组试验，以获取平均值，具体气体对应组别为：1组：正面和背面均采用氩气（Ar）保护；2组：正面氩气（Ar）保护背面氮气（N2）保护；3组：正面和背面均采用氩气与氮气（Ar98%+N22%）混合气保护；4组：正面采用氩气与氮气（Ar98%+N22%）混合气保护，背面采用氮气（N2）。焊接温度控制在100℃以下，热输入范围平均值控制在1.5KJ左右，以下是焊接接头的母材金属、热影响区、焊缝中心的金相图和相关力学数据。
将试样经打磨抛光后进行腐蚀，腐蚀溶液为三氯化铁，腐蚀后对宏观组织进行拍照，具体见图1～图8的金相组织图。
从图1～图8的金相图来看，焊缝及热影响区并无晶间碳化物和金属间化合物的析出物，由此可以得知，四种气体组合在同等条件下对金相组织的影响不大。
对各种气体组合保护焊后的母材进行抗拉强度测试，抗拉强度是金属由均匀形塑性变向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形；对于没有（或很小）均匀塑性变形的脆性材料，它反映了材料的断裂抗力，双相不锈钢抗拉强度≥655Mpa为合格，拉伸断裂位置均在母材金属位置，由此判定焊缝金属强度实际上高于母材金属本身的强度。从表9 抗拉强度数据汇总来看无论是单个试验数据还是单组的试验数据均超过标准要求，因此各试样抗拉强度合格。
表9 抗拉强度数据汇总
从以上数据可以看出各种气体组合，采用第1种气体组合（正面/背面Ar）数据最低，但差别不是很大，其他3种气体组合抗拉强度均在770Mpa左右。但总体来说各种气体组合对接头的抗拉强度影响不大。
对各种气体组合保护焊后的母材进行夏比冲击测试，该试验方法是一种对双相不锈钢中不良金属间化合相的沉积程度进行检测的方法。该试验可显示有无金属间化合相，对于正使用的材料来说不一定是一种可行的方法，它考虑到不可直接检测的一些性能需要；表10为各组母材的冲击试验数据（-40℃）汇总，表11为各组母材的冲击试验数据分析对比数据。
表10 冲击试验数据汇总
需要说明的是ASTM锅炉及压力容器规范第二卷材料A篇《铁基材料》2013版规定，所有双相不锈钢并无冲击要求，该冲击要求值是依照ASTM A923-2014《奥氏体-铁素体双向体不锈钢金属间不良化合相的标准试验方法》试验方法B：双相不锈钢组织分类的夏比冲击试验里面载明的适用范围和合格标准要求而定。按照ASME IX：2010:标准要求每组试验从每块试板上沿板厚1/4处在焊缝中心位置、熔合线位置、熔合线+2mm位置各取取3组冲击试样，在-40℃温度下，冲击平均值≥54J 为合格，从表10冲击试验数据汇总数据来看，所有数据均超过标准要求，冲击试验全部合格。
表11 冲击试验数据分析对比
从表11冲击试验数据分析对比来看，焊缝中心和熔合线数据对比来看，气体组合1（正面/背面Ar）和气体组合4（正面Ar98%+N22%背面采N2）数据略低，气体组合2（正面Ar背面N2）、气体组合3（正面/背面Ar98%+N22%）基本一致，而4种气体组合熔合线+2mm位置基本上在同一区间范围内，可以看出4种气体组合对熔合线+2mm位置影响不大。
对于双相不锈钢来说焊接部位铁素体含量太少，会导致在压力和振动下产生裂纹的可能性大大增加。对双相不锈钢的铁素体含量测试主要采用磁性法，也就是采用以磁性为引力或者导磁率原理的铁素体测量仪器进行测量。以测量的铁素体数（FN）表示奥氏体不锈钢-铁素体不锈钢焊缝金属中的铁素体含量。本次试验测量仪器采用FISCHER MP30德国菲希尔铁素体含量测定仪，其测量范围为0.1～80%Fe或0.1～110WRC-FN，测量精度为0～5%Fe(WRC-FN)时为0.1%Fe(WRC)；5～60%Fe(5～80WRC-FN)时为测量值的2%，测量温度区间范围为：5～40℃，铁素体测量执行标准为GB/T1954-2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量的测试方法》，为了确保数据的准确性，铁素体测试位置分别为：母材、焊缝中心、热影响区，具体数据见表12。对母材进行铁素体测试主要对焊缝中心和热影响区的测试结果有一个对比。铁素体含量在30～70%范围内为合格。
表12 铁素体含量测试数据汇总
从表12铁素体数（FN）含量测试数据汇总可以看出不论是母材还是焊缝中心以及热影响区均在标准范围之内，全部合格。4组母材铁素体测试基本一致平均值为43.96%，4组焊缝中心铁素体平均值39.8%，4组热影响区热影响区平均值39.3%，从上述数据分析得知：气体组合1（正面/背面Ar）和气体组合2（正面Ar背面N2）铁素体数高于气体组合3（正面/背面Ar98%+N22%）气体组合4（正面Ar98%+N22%背面N2），由数据分析比对的结果可以看出气体组合对双相不锈钢焊缝中心和热影响区的铁素体数的含量有一定的影响。
双相不锈钢三氯化铁腐蚀试验，该试验方法所用的试验溶液，氧化性强，酸性强，氯离子含量较高，因此腐蚀性强。当材料在试验溶液中发生金属间化合物的溶解或有析出物时，往往会加速腐蚀。特别是合金素钛往往会加剧腐蚀。因此，用本试验方法来比较不同材料的耐点蚀性能，或者把实验数据与实际环境进行比较时，要注意本试验溶液的特性。准备 100g 溶液的三氯化铁溶剂等级，FeCl3·6H2O，溶解在900mL 蒸馏水中（重量接近6％FeCl3），通过玻璃纤维或滤纸过滤以除去未溶解的颗粒。测试溶液的 PH 值在试验之前应调整接近至 1.3，如果需要，可另加入 HCL 或 NaOH。腐蚀率不应超过10mdd,相关腐蚀数据见表13。
表13 三氯化铁腐蚀率数据汇总（mdd）
在绝大多数双相不锈钢应用的环境中，因为双相不锈钢具有很好的耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能，其双相结构在可能发生氯化物应力腐蚀断裂的环境是一个优势。因此在各种数据合格的情况下，其耐腐蚀性能尤为关键。根据表13 三氯化铁腐蚀率数据汇总结果可以看出，各种气体组合对焊接接头的腐蚀率有一定的影响，采用第4组气体组合（正面Ar98%+N22%保护，背面采N2保护）的保护效果优于其他三种气体组合。
综上试验结果可以看出，上述四种气体组合在同等条件下其试验数据均在合格范围内，4种气体组合对对接接头的抗拉性能和冲击性能影响不大，但是对铁素体数和耐腐蚀率有着一定的影响，气体组合1（正面/背面采用Ar保护）和气体组合2（正面采用Ar保护，背面采用N2保护）铁素体数高于气体组合3（正面/背面Ar98%+N22%混合气体保护）气体组合4（正面Ar98%+N22%保护，背面N2保护），但是从三氯化铁耐腐蚀数据来看气体组合4（正面Ar98%+N22%保护，背面N2保护）耐腐蚀性能最优。因此，双相不锈钢S32205焊接采用正面Ar98%+N22%气体保护，背面采用N2其保护效果最优。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，其特征在于：所述气体保护焊工艺包括如下步骤：
步骤1：检测双相不锈钢S32205母材本身的力学性能，以确定双相不锈钢S32205母材的各项力学性能是否满足ASTM A790标准要求，若双相不锈钢S32205母材的各项力学性能满足ASTM A790标准要求，则进入下一步骤；
步骤2：验证双相不锈钢S32205母材的腐蚀率是否≤10mdd，若双相不锈钢S32205母材的腐蚀率≤10mdd，则进入下一步骤；
步骤3：采用的焊丝为GTS-2209氩弧焊丝，然后加工待焊双相不锈钢S32205母材坡口和清理坡口及附近表面，并对待焊双相不锈钢S32205母材进行烘干，最后坡口焊接的正面进行98%的氩气和2%的氮气的混合气体保护焊，坡口焊接的背面进行氮气气体保护焊，焊接线能量控制在1～1.5KJ，焊接层间温度在100℃以下。
2.根据权利要求1所述的双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，其特征在于：所述步骤2验证双相不锈钢S32205母材的腐蚀率依照ASTM A923-2014《奥氏体-铁素体双向体不锈钢金属间不良化合相的标准试验方法》进行，具体步骤如下：
（1）将焊双相不锈钢S32205管材上取25*50mm试样2组，所有试样表面试样的尖角应平滑过渡，仔细去清除试样表面的毛刺；
（2）采用湿抛光的方式对步骤1清除毛刺的试样表面进行抛光，确保试样表面的光洁度≥ 120 粒度；
（3）对（2）处理后的试样尺寸进行精确测量，所有外露表面应计算在内，试样表面应采用氧化镁膏清理，用水冲洗清理干净，浸入酒精或丙酮后风干试样，并对试样进行称重，试样重量须精确至 0.001g 或更高，并保存在干燥器内直至使用；
（4）将（3）处理后的试样置于玻璃托架上，待恒温水浴锅达到标准要求温度后，将试样浸入三氯化铁溶液中，用玻璃观察罩盖住测试容器或用薄膜封住开口即可，双相不锈钢S32205试验温度为 22℃，试验时的温度波动范围±1℃，在24小时内必须一直保持该试验温度，试验过程中，试验结束后再次进行称重，腐蚀率按重量减少及总重量减少计算，腐蚀率不应超过 10mdd为合格。
3.根据权利要求1所述的双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，其特征在于：所述步骤3中的焊丝规格为φ2.4mm。
4.根据权利要求1所述的双相不锈钢S32205的气体保护焊工艺，其特征在于：所述步骤3中待焊双相不锈钢S32205母材坡口倾斜度为60°，钝边为1mm，钝边根部间隙为3.5mm。
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