本文利用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)手段,研究了焊条电弧焊(SMAW)和钨极氩弧焊(GTAW)焊接方法对2205双相不锈钢管焊接接头微观组织和拉伸性能的影响,结果表明,GTAW焊接接头中奥氏体相含量较SMAW多。

通过拉伸试验测试,GTAW焊接接头较SMAW表现出更好的力学性能。

双相不锈钢的金相组织是由铁素体与奥氏体两相组织构成的,决定了其优良的综合性能,如高强度、高抗疲劳强度、低温高韧性、耐蚀性、对应力腐蚀裂纹不敏感等,在-50-280.

范围内具有优良的力学性能、焊接性能和有竞争力的市场价格。目前,双相不锈钢已成为一种重要的工程材料被广泛应用于石油、天然气、化工等大型的容器、管道以及海洋工程等领域中。因此,本文对比了焊条电弧焊(SMAW)和钨极氯弧焊(GTAW)两种焊接方法对2205钢管焊接试样的力学性能的影响,并采用金相显微镜和扫描电镜(SEM)分析试样铁素体与奥氏体两相比例及微观结构,以期为2205不锈钢管在工程中的应用提供必要的依据。

1试验材料及工艺

1.1焊接材料及工艺

试验母材为瑞典生产SAF2205不锈钢管,规格为中168mm x 7mm,试样的制备参照国际标准ISO96922003,采用管对接单面焊双面成形,开60 v型坡口,钝边1mm,间隙25mm,详见图1。焊接方法分别采用手工电弧焊(SMAW)和钨极氩弧焊(GTAW)两种焊接方法。其中,SMAW选用规格为中3.2mmF22.9.3L.R电弧焊焊条,施焊前焊条在300℃烘干2h,并置于保温桶内。GTAW选用规格为42.0mmE22.8.3 L Sandvis丝。其母材和焊材的化学成分见表1

试验采用焊条电弧焊(SMAW)和钨极氩弧焊(GTAW)两种焊接方法,两种焊接方法均采用多层多道焊,层间温度小于180℃,并均采用钨极惰性气体保护焊焊丝打底,以保证良好的焊道根部,SMAW用手工电弧焊填充盖面,而GTAW采用焊丝填充盖面,试验中的用到的保护气体为98%Ar+2%N,两种焊接方法的工艺参数见表2

1.2微观组织及奥氏体(γ)的测定

制备试样后,用85-95℃的8%(质量分数)碱性赤血盐溶液浸蚀,时间约30k,利用显微镜观察两种焊接方法试样的焊缝和热影响区(HAZ)金相。采用ASTM/5S62-95中网格交点计数法对焊缝区和HAZ进行Y相测定。

1.3力学性能试验

根据ASME IX-2004标准对焊接管接头取样,两组试样采用3-71型万能拉伸机上进行了拉伸试验,试件形状及尺寸见图2,采用S-570型扫描电镜(SEM)对拉伸试样断口进行观察。

2试验结果及分析

2.1金相组织及相比例(α/γ

3为两种焊接方法接头的焊缝、HAZ显微组织,图(a)、(c)为SMAW焊缝和HAZ显微组织;图(b)、(d)为GTAW焊缝和HAZ显微组织。通过网格交点计数法计算奥氏体(γ)含量,见图4,可以得出,两种焊接方法所得金相比例(α/γ)都满足单相占35%-65%的比例。而在熔池金属冷却过程中,铁素体作为奥氏体非均质形核的核心,同时又对奥氏体的长大产生阻力,阻止奥氏体品粒的长大,打乱了柱状品的方向性,这有利于双相组织的形成,以及奥氏体和铁素体相的均匀分布。

从图4中还可看出,GTAW试样奥氏体相含量较SMAW要多,且在铁素体基体中的分布较均匀。这是因GTAW使用98%Ar2%,作为保护气体,保护气体中的N原子通过扩散进入焊接熔池,避免了焊接接头的N的损失,N是促进奥氏体形成元素。同时,GTAW采用的热输入较大,导致焊缝冷却时间延长,这也是奥氏体生成另一因素。

2.2拉伸性能

3为焊条电弧焊(SMAW)与钨极氩弧焊(GTAW)焊后拉伸性能。图5为两种方法焊后拉伸断口形貌。从表中可以看出:拉伸断裂位置发生在母材,符合使用要求,说明焊接接头的强度优于母材。这是由于母材中铁素体和奥氏体组织沿轧制方向呈带状分布,而焊缝金属和热影响区中的铁素体和奥氏体相互交错,方向各异,晶界增多,使位错钉扎从而使接头强化;从拉伸断口扫描照片可知:GTAW断口的具有较大且较深的韧窝和较均匀的撕裂楼,而SMAW断口的韧窝较浅且细碎,撕裂楼不均匀。材料的断裂韧性机制与形成韧窝的形状、大小、数量和深度有关。一般韧窝越大越深,表明材料的塑性越好。因此,GTAW接头的韧性要明显优于SMAW接头的韧性。

3结束语

3.1 GTAWSMAW两种焊接方法所得金相比例(α/γ)都满足单相占40%-60%的比例,GTAWi样奥氏体相含量较SMAW要多,且在铁素体基体中的分布较均匀。

3.2拉伸断口形貌和抗拉强度数据显示,GTAW接头的韧性要明显优于SMAW接头的韧性。