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摘要：近年来铁素体-奥氏体双相不锈钢的应用不断拓展，与传统的奥氏体不锈钢相比，铁素体-奥氏体双相不锈钢既拥有优良的耐腐蚀性能又拥有良好的力学性能，在性能方面具有较为明显的优势。针对某海水淡化装置项目应用的双相不锈钢2205板材，选定了适用的焊接材料E2209-16，并对其焊接工艺特点进行了分析，最后通过焊接工艺试验进行了有效的验证。
关键词：双相不锈钢；2205；奥氏体不锈钢；焊接；焊接工艺评定
引言：
铁素体-奥氏体双相不锈钢的室温微观组织含有大约一半铁素体组织和一半奥氏体组织，因此既拥有优良的耐腐蚀性能又拥有良好的力学性能，作为一种焊接性能优异的不锈钢材料，自上世纪八十年代以来得以迅速开发和不断应用。2205是当前应用较为广泛的一种双相不锈钢，烟气脱硫、海水淡化、建筑施工等诸多领域替代奥氏体不锈钢[1]。
一、性能优势
某海水淡化装置项目按照美国标准进行设计和建造，相关部件需要大量使用不锈钢材料，其中与海水接触的水箱部件采用ASTM A240 2205双相不锈钢板拼接焊制而成。将同样采用ASTM A240标准的双相不锈钢板2205与奥氏体不锈钢板304L、316L的化学成分列于表1当中。运用ASTM A240采纳的耐点蚀当量计算公式可对其耐腐蚀能力进行对比。按照耐点蚀当量PRE=Cr%+3.3×Mo%+16×N%，表1种的名义化学成分取中间值计算可知，2205通过添加Mo元素，增加N元素含量，增强了耐点蚀性能，PRE值远超304L和316L，可应用于更为苛刻的腐蚀环境。与此同时，304L和316L的抗拉强度和屈服强度均为485 MPa和170 MPa，而2205的抗拉强度和屈服强度分别为655MPa和450MPa，在相同的强度要求下，可以采用较薄的壁厚设计。
表1 2205与奥氏体不锈钢化学成分和PRE对比
二、焊材选择
在水箱部件拼接焊制的过程中，需要对双相不锈钢2205板材进行焊接，并且存在双相不锈钢2205板材与奥氏体不锈钢316L板材之间的焊接接头。对于双相不锈钢2205板材，焊接材料的选用需要在焊缝熔敷金属中形成正确的相平衡成分。如果焊缝熔敷金属中的铁素体含量过低，会导致强度和抗应力腐蚀开裂能力的下降；如果铁素体含量如果过高，则又会降低耐蚀性和冲击韧性；只有当铁素体相和奥氏体相接近均衡时，才能够达到与母材相当的力学性能和耐腐蚀性能[2]。
典型的双相不锈钢填充金属AWS E2209，可以用于双相不锈钢2205的焊接。该焊条的熔敷金属具有典型的双相显微组织，其特点包括抗拉强度高，抗点蚀侵入性能好，并能够有效的防止应力腐蚀裂纹。当双相不锈钢2205与奥氏体不锈钢316L焊接时，同样可以采用E2209焊条，也可以采用奥氏体不锈钢焊条E309L。由于采用多种焊材不利于施工过程的材料管理，因此实际统一采用了E2209-16，其化学成分如表2所示。
表2 E2209-16的化学成分
三、焊接工艺特点
施工现场的2205板材之间为对接焊缝，2205与316L之间为角焊缝。2205板材厚度为25mm，焊接接头位置为立焊和横焊。为了保证背面成型，2205对接焊缝的背面设计有2205材质的衬垫。
双相不锈钢2205对接接头焊缝的性能不仅依赖于母材、焊材的化学成分，也取决于焊缝熔敷过程中的相比例平衡。采用的E2209-16焊条，其焊缝组织的初始凝固相是铁素体组织，当焊缝熔敷金属的温度降低至铁素体固溶线以下时，奥氏体组织在铁素体晶界及晶体内成核、生长，最终生成铁素体-奥氏体双相组织。
在施焊的过程中，有以下特点：1）如果焊接热输入过大，将延长焊缝熔敷金属在固溶线以上的停留时间，促进铁素体晶粒的不断长大，最终降低韧性和延展性。2）如果固溶线以下冷却温度过快，则会使铁素体相来不及向奥氏体相转变，致使奥氏体相的比例过低，并会导致更多的碳氧化物和氮氧化物析出[3-5]。
因此采取合理的焊接热过程，对预热温度、层间温度以及线能量进行合理的控制，才能保证2205对接焊缝的金相比例平衡，确保其接头力学性能及耐腐蚀性达到与母材相当的水平。
在焊前准备方面，应采用机械方法对待焊坡口表面打磨光滑，焊接前坡口内及坡口两侧至少20mm的范围内，应该保持清洁，没有锈、油脂、污垢等的有害物质，同时焊接过程中应进行必要的保护，防止风速、湿度、温度的不合理对焊接质量产生不利影响。
在焊接完成以后，应采用不锈钢材质的钢丝刷对焊缝表面进行清理，使其能够满足无损检测的表面要求。对于全焊透的对接接头焊后24小时进行，焊缝的无损检测采用渗透检测和超声检测的方式进行。最终的焊接接头还要通过酸洗钝化来回复焊缝区域（包括热影响区）的耐腐蚀性能。
四、工艺评定试验
在焊接施工前，需先进行工艺评定，以验证焊接工艺性能。对于2205与316L的角焊缝评定，只需进行宏观金相检验。而为确保焊接工艺评定能够更贴近现场施工状况，对于2205的对接焊缝，则要求采用与现场接头一致的试件进行焊接工艺评定试验。根据模拟焊接试验，最终确定的预热温度为10-50℃，层间温度大于等于预热温度但
不高于150℃，采用焊芯直径为3.2mm的焊条，焊接工艺参数如表3所示。
表3 焊接工艺参数
焊接工艺评定的试验项目有4项，分别是常规的拉伸试验和弯曲试验，以及增加的铁素体含量测定和冲击韧性试验。拉伸和弯曲试验按照AWS D1.6的相关要求进行。铁素体含量测定采用ASTM E562方法，分别对焊缝表面、焊缝根部和母材热影响区进行测定，其中焊缝表面和焊缝根部的铁素体含量应介于35%~65%之间。冲击试验要求按照ASTM A923的方法B进行夏比冲击V型缺口试验，对于焊缝和热影响区各取3个试样。冲击试验温度设定为-20℃，验收标准为单个试样冲击功不低于27J。冲击试验在取样过程中，要求试样垂直于焊缝的方向，并且其中的V型缺口应垂直于焊缝表面。试验结果如表4所示，验证了所拟定的焊接工艺的可行性。
表4 力学性能试验结果
五、结束语
通过对ASTM A240 2205双相不锈钢材质的性能优势、焊接材料选择、焊接工艺特点和焊接工艺评定试验的介绍，能够为工程技术人员提供很好的借鉴。
ASTM A240 2205双相不锈钢的焊接工艺有赖于选择适当的焊接材料，合理的控制包括预热温度、层间温度以及线性能量在内的焊接热过程，才能最终确保其接头的力学性能和耐腐蚀性能达到与母材相当的水平。
参考文献：
[1]吴玖.双相不锈钢[M].北京：冶金工业出版社,2000.
[2]李为卫,宫少涛,熊庆人,等.2205双相不锈钢的焊接性及焊接技术[J].热加工工艺,2006,35(3):36-38.
[3]昌敬源，焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头显微组织的影响[D].太原: 太原理工大学,2009.
[4]岳斌,马鹏举,王大治,等.2205双相不锈钢的焊接工艺研究[J].化工机械,2009,36(1):5-8.
[5]AP1000换料水池材料的选型分析与应用控制[J]. 吴崇志,朱瑞峰,林金平,李炳颖,刘元林.热加工工艺.2015(14)