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2205双相不锈钢弯头焊接工艺研究进展

作者:管件 来源: 日期:2020/5/15 23:30:43 人气:11

双相不锈钢弯头中铁素体与奥氏体约各占一半,具有高耐蚀性和韧性,且强度高,综合性能好的特点,目前被广泛地应用在各种工程领域。其中的奥氏体相使得高Cr铁素体钢的脆性明显地降低,又保持了其优良的韧性性能,而铁素体则有效地提升了钢的屈服强度和抗腐蚀性能。双相不锈钢弯头的屈服强度和耐腐蚀性能高于奥氏体不锈钢,可很好地满足综合性能要求,具有较高的应用价值。

双相不锈钢弯头的特征之一为屈服强度可高于500MPa,在减轻结构体的重量,降低材料成本方面有明显的优势。此外,在恶劣的介质环境下,双相不锈钢弯头的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通不锈钢。双相不锈钢弯头CrMoN合金元素含量高,含碳量低,且焊接时一般填充材料的Ni含量较高,使得焊缝和HAZ显微姐织中保持有充足的奥氏体,提高了焊接接头的耐蚀性能和塑性。

双相不锈钢弯头具有良好的焊接性能,与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢弯头焊接热裂纹倾向较低,焊接后接头也不容易脆化,热影响区中铁素体的晶粒粗化倾向也较小。双相不锈钢弯头焊接时,焊缝中会出现明显的相变,这也会大幅度地影响到接头的耐蚀性能。而双相不锈钢弯头在焊接过程中应该注意到是,确保焊缝和热影响区均保持有适量的铁素体和奥氏体组织。

在焊接过程中,焊接热输入较高情况下,焊缝冷却速度较低,会促进铁素体相向奥氏体相的转变,使得组织中奥氏体相的占比提高,会导致焊缝中铁素体晶粒长大,造成脆化,焊接接头的塑性指标下降。而在焊接接热输入不足时,冷却速度较快,则会抑制铁素体向奥氏体的转变,也影响了奥氏体在焊缝组织中的占比,易造成淬硬组织并产生裂纹,对热影响区的冲击韧性同样不利。

焊接时,2205双相不锈钢弯头首先凝固生成全铁素体(δ)组织,且铁素体相在高温区间也表现出较高的稳定性,在温度提高到固溶线温度情况下转变为奥氏体相。在开始凝固时,首先铁素体在液相中生成,当温度降低到低于铁素体固溶线温度时,奥氏体相沿着铁素体晶粒边界成核并生长,一直到覆盖铁素体晶界,之后生成的奥氏体则以魏氏体侧板条形态从晶界奥氏体析出,焊缝区域金相组织如图1-2所示。

目前,国内外对双相不锈钢弯头焊接主要涉及焊接工艺参数优化方面的研究。主要焊接工艺有TIG焊、等离子焊、脉冲激光焊、搅拌摩擦焊、激光-MIG复合焊、药芯焊与埋弧焊等。这些研究在保证焊接质量的同时,不同程度地提高了焊接速度,减少了能源消耗。

Jurica等研究了双相不锈钢弯头TIG焊分析了TIG焊接工艺和活化剂成分对焊缝熔深的影响,当电流为200A,焊接速度为91cm/min,热输入为12KJ/mm时,采用特定的活化剂能焊接双相不锈钢弯头板而不需要额外的含有CrNiMn的填充材料。Bharathi[29]采用田口算法对2205双相不锈钢弯头等离子焊(PAW)的焊接电流、焊接速度和引弧长度进行了优化,利用BP神经网络遗传算法和田口技术预测熔宽与熔深,预测结果与试验结果吻合。采用优化的参数增强了焊缝的强度,降低了成本与时间。Sivagurumanikandan等研究了工艺参数焊接速度、激光功率、焦点位置和脉冲频率对双相不锈钢弯头脉冲激光焊的影响,设计了四因素三水平的正交试验,确定了最优的参数设置。Mishra等研究了2507超级双相不锈钢弯头的多道搅拌摩擦焊,在搅拌区中观察到铁素体和奥氏体晶粒尺寸的细化,通过多道的焊接导致晶粒尺寸进一步减小。通过3.5%NaCl的阳极极化研究结果表明,处理后的样品具有较好的耐蚀性。Alwin等研究了活性钨惰性气体(ATIG)和钨极惰性气体(TIG)焊接工艺对双相不锈钢弯头接头应力腐蚀开裂(SCC)的影响评价和比较。使用45%氯化镁在155°C的温度下,无论采用何种焊接工艺,焊接接头的SCC电阻都不如母材。然而,ATIG焊接接头表现出优异的抗SCC性能,比TIG焊接接头要好。Wierczyska等采用药芯焊(FCAW)与埋弧焊(SAW)对双相不锈钢弯头进行焊接,对焊接接头的焊缝、热影响区(HAZ)和母材进行电化学测试。结果表明,氢的影响取决于焊接接头区域的组织和类型。氢渗入焊接接头为最大量1mAcm-2。而在FCAW焊接接头采用了较低的热输入。母材是焊接接头中最耐腐蚀的部分,而氢气的加入强烈地改变了焊接接头HAZ和焊缝金属的点蚀和一般腐蚀敏感性。Zhang等采用钨极氩弧焊方法制备了双相不锈钢弯头焊接接头。用热力学方法计算了基体材料和焊缝的平衡相变过程。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、透射电镜等手段对DSS焊接接头不同区域的组织进行了表征。结果表明,焊缝中添加Ni显著促进了奥氏体(γ)的形成,防止了Cr 2 N析出。焊缝中的初生奥氏体(γ1)和热影响区(HAZ)主要由晶界奥氏体、魏氏奥氏体和晶内奥氏体组成。此外,焊缝和HAZ中都有两种类型的晶内和晶间奥氏体γ2。在HAZ中,Cr 2 N主要在晶粒内、边界中析出。王治宇等[35]采用激光-MIG复合焊接技术对2205双相不锈钢弯头的焊接性能进行分析,焊后对接头微观组织、力学性能和腐蚀性能进行了分析,结果表明接头硬度与抗拉强度高于母材,激光-MIG复合焊接对2205双相不锈钢弯头有良好的焊接性能,相应的焊接质量较好。Ding采用等离子弧焊作为基础焊接,而后采用钨极惰性气体保护焊(TIG)和金属惰性气体保护焊(MIG)分别进行2205双相不锈钢弯头的焊接,并比较了固溶和未固溶处理焊缝的组织特征与耐腐蚀性,评价了热输入和固溶处理对焊接接头性能影响。

目前双相不锈钢弯头的焊接有多种不同形式工艺方法,为了在提升焊接速度的同时获得良好的焊缝成形,满足双相不锈钢弯头低能耗高效焊接需求,本文提出了双丝脉冲高速焊工艺在双相不锈钢弯头焊接中的应用。双丝焊接技术能够大幅提升热量的输入来确保母材和焊丝熔化形成熔池;同时熔池金属液也在多路焊丝的共同作用下,剧烈搅拌起来,能够抑制过多液态金属流向熔池尾部,促进了稳定高速焊接。此外,双丝焊接方式增加了一路电弧,大大改善了熔合区温度场分布,熔敷效率和焊接速度得到了大幅提高,并减少了焊接时的热输入。