2205不锈钢焊接接头的耐腐蚀性能除与钢的成分有关外,主要还与焊接工艺有关。钢的成分对其焊接接头的耐蚀性有重要的影响,研究表明,Creq/Nieq值是决定2205不锈钢焊接性能的关键因子,Creq/Nieq值越小,HT-HAZ的铁素体比例越低,CPT值下降越小,焊接前后母材的CPT变化越小,耐点蚀性能下降越小。在焊接热循环作用下,焊接工艺会显著影响2205不锈钢焊接接头的组织性能,包括焊接方法、焊接热输入、保护气体成分等,焊后热处理也影响接头的耐腐蚀性能。

焊接方法

焊接方法对焊接接头的腐蚀行为有明显的影响。在钨极惰性气体保护焊工艺下,铁素体转变成奥氏体较充分,焊缝区奥氏体/铁素体的相比例较接近于理想的相平衡。焊条电弧焊(SMAWMMA)的焊接接头中的铁素体量比TIG接头的要多一些,焊接接头的耐腐蚀性能低于TIG。王治宇等[65]的结果表明,SMAWTIGSAW的接头HAZ铁素体相的比例相差不大,均在55%60%之间,但TIG焊缝因累积热输入较大,铁素体平均晶粒尺寸较SAW要大,TIGSAW接头耐点腐蚀能力相当,SMAW较差,这主要与SMAW接头氧位较高有关。袁世东对比研究了TIGTIG打底+SMAW盖面、TIG打底+SAW盖面焊接对耐腐蚀性能的影响,结果表明,SMAW焊缝金属的铁素体含量高于SAWSAWSMAW焊缝金属的氧含量显著高于TIGTIG焊缝金属的抗晶间腐蚀的性能最好,SAW焊缝金属的抗晶间腐蚀的性能其次,SMAW的抗晶间腐蚀性能最差。以上表明,在常规焊接方法中,TIG焊接接头的耐腐蚀性能通常优于SAWSMAW

近年来,为了保证焊接质量、提高焊接效率,开展了许多特种焊接技术在2205不锈钢上的研究,主要体现在高能焊接、搅拌摩擦焊和等离子弧焊(PAW)等。搅拌摩擦焊焊接技术具有能耗低、污染小、焊接质量好等特点,可避免传统熔化焊易使2205不锈钢焊接接头出现焊缝区组织粗大和HAZ铁素体含量高等问题。搅拌头转速对焊接接头焊缝区的组织性能有明显的影响,转速的高低决定焊接热输入的高低,影响铁素体相的含量和σ相的析出而影响接头的耐腐蚀性能。摩擦焊对焊接材料尺寸和形状的要求较高,管材和厚度较小的板材均不能使用摩擦焊,且最大焊接截面受限。

高能焊接主要有激光焊(LBW)、电子束焊(EBW)等。LBW的热量集中,其热输入非常小,冷速极快,焊缝铁素体含量极高(可超过90%),且析出Cr2N较多[44]LBW焊缝非常窄,没有明显HAZHAZ几乎不能与熔合区分开)。研究表明,LBW焊接接头的耐均匀腐蚀性能高于于母材,但耐点蚀性能则较差[68]2205不锈钢LBW+MIG复合焊接的研究表明,焊接接头组织的上、中、下各部位差别较大,焊缝的元素含量及在两相中的分布较母材有较大差异,尤其是Mo在铁素体中偏聚较为严重,HAZ的耐蚀性较差,点蚀优先发生在熔合线附近的HAZ,复合焊接接头的耐点蚀和耐晶间腐蚀性能均低于激光焊焊接接头。EBW可以降低焊接接头的氧位,但铁素体相的比例高。2205不锈钢EBW焊缝的奥氏体含量不到5%,且有大量Cr2N沿铁素体晶界析出,耐点蚀性能显著低于母材。高能焊接的焊后冷速快,不易填充金属,焊缝铁素体含量高,HAZ的铁素体/奥氏体相比例不易控制,Cr2N等相易于析出,因此接头的耐局部腐蚀性能较低。

PAW的焊缝较宽,HAZ范围大,HAZ宽度超过到600微米,且铁素体含量也较高(约75%),合金元素CrMoNi的分配发生失衡,也有Cr2N析出。PAW焊接接头的耐点蚀性能较差,熔合线附近HAZ的铁素体是易发生点蚀的部位。

焊接热输入

焊接热输入是指焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能,其值等于焊接电流、电弧电压、热效率的乘积和焊接速度的比值。LINTON等分析2205不锈钢反应容器的失效问题时发现,失效的主要原因是不合理的热输入使焊缝处存在较大残余应力和有害相Cr2N,使焊缝处发生缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂。焊接热输入越高,焊接接头在较高温度范围内停留的时间越长,尤其是t12/81200800℃的停留时间)越大,越有利于铁素体向奥氏体的转变,使HAZ宽度增大,使HAZ和焊缝金属的晶粒粗大。龚利华等的研究结果表明,较高的热输入,使得TIG焊接接头冷却速度相对较慢,有助于Cr的扩散而消除晶界的贫Cr,减小晶间腐蚀倾向;但较高的热输入,会导致两相中元素分配不均衡而使铁素体相优先发生腐蚀,从而恶化整体的耐点蚀性能。对于N含量较高的2205不锈钢,由于N会影响CrMo等元素在两相中的分配系数,促进CrMo从铁素体相到奥氏体相的转移,因此,高的热输入会降低焊接接头铁素体的PREN,但可提高奥氏体相的耐点蚀性能。WANG研究发现,热输入的提高会增加Zeron100钢焊接接头奥氏体的含量,可避免出现铁素体相过多和Cr2N相的析出等现象,可提高焊接接头的耐蚀性。但是,随着热输入的提高,当奥氏体的含量达到60%以上时,过低的铁素体含量会降低接头的强度并使CrMo等元素在铁素体中浓缩,促进σ相的析出而降低耐腐蚀性能;过高的奥氏体含量则会使CrMo在奥氏体中的浓度下降,减小奥氏体的PREN而降低奥氏体的耐点蚀性能。刘洁等的研究结果也表明,当热输入小于2.965kJ/mm时,2507HAZ奥氏体含量随着热输入增加而增加,奥氏体的PREN值均大于铁素体的PREN值,HAZ的点蚀电位从1030mVSCE)提高至1082mV;但热输入继续增加至2.965kJ/mm时,因有粒状χ相在两相交界处析出而导致组织的点蚀电位降至1065mV。谭华的研究结果[44]也表明,随着热输入增大(0.53.5kJ/mm),2507钢的临界点蚀温度(CPT)先增加后稍微下降。以上表明,存在一个最佳的热输入,可使两相的合金元素和相比例处于最佳,且没有二次相析出,而使接头获得良好的耐蚀性。

热输入决定着冷却速率,冷却速率对HAZ的相平衡起着重要的作用,对HAZ的组织和性能有很大的影响。李为卫等研究了冷却时间对2205不锈钢HAZ组织与性能的影响,认为t12/8主要影响奥氏体的析出量,对HAZ的相比例和组织形态有明显的影响;而t8/5800500℃的停留时间)则主要影响二次相(如σ相、碳化物、氮化物)的析出行为,对HAZ的相比例和组织形态影响不大。研究结果表明,随着冷速下降,冷却过程中t12/8越大,HT-HAZ析出的奥氏体相越多,奥氏体晶粒越粗大,CPT越高,耐点蚀性能越好,认为铁素体相是HT-HAZ的弱相,铁素体相优先发生腐蚀,稳定点蚀只发生在铁素体相内。但需要指出的是,这些研究没有对HAZ两相间的电偶作用情况进行实验分析,具体影响机理还有待进一步深入研究。

采用多道焊可以解决因冷却速度快造成的接头铁素体含量高及铁素体CrMo含量低的问题。研究表明,前层道焊缝会受后续道焊缝的热处理作用,从而使前一道焊缝的奥氏体含量增加,使两相合金元素分配均衡,可提高焊缝的耐蚀性[82]2304钢经第一道焊接热循环,HAZ的两相合金元素含量差异较小,铁素体中的CrMo含量明显低于母材铁素体,使HAZ铁素体的CPT明显下降,耐点蚀性能显著下降[44]。随着焊接道数增加,CrMo逐渐向铁素体富集,而NiMn向奥氏体富集,HAZ铁素体的CrMo含量逐渐增加,CPT逐步上升,耐点蚀性能逐渐提高[44]。有研究结果表明,多道焊焊缝的铁素体含量约比单道焊低10%[83]。但如果多道焊工艺控制不当,也可能对焊缝性能不利。ZHANG[84]研究发现,后一道焊接对前一道焊接的热处理作用不足时,可导致Cr2N和二次奥氏体在晶界处析出,降低2205不锈钢焊接接头的腐蚀抗力。层间温度对焊缝和HAZ的组织和耐蚀性也有较大影响,提高层间温度意味着焊缝可以在较高的温度下停留较长的时间,促进铁素体向奥氏体的转变,从而改善焊缝的组织性能。过低的层间温度达不到改善组织的目的,但过高的层间温度在提高奥氏体含量的同时也会促进铁素体分解产生σ、χ、Cr2N等有害相,反而不利于接头耐蚀性的提高。因此,层间温度一般控制在150200℃范围内。以上表明,适当的热输入、多道焊并控制好层间温度,可以避免HAZ相比例的失衡、合金元素分配的失衡、二次相的析出,获得耐蚀性良好的焊接接头。需要指出的是,在热输入影响接头耐蚀性的研究中,大多没有涉及焊接应力对腐蚀行为的影响,也很少涉及两相间电偶作用对耐蚀性的影响。另外,在实际的TIG焊等手工焊接操作中,热输入常会存在一定的波动,这对接头耐腐蚀性能的影响还未见相关报道。

保护气体

2205不锈钢焊接时通常需要进行气体保护,其目的是隔绝空气和改善接头的组织。保护气体以ArHe等惰性气体为主,ArHe具有很高的稳定性,不会在焊接过程中影响2205不锈钢的组织成分,具有较好的保护效果;实际焊接时惰性保护气中通常还会加入少量的N2CO2等气体进行辅助,以达到改善焊接工艺性能,进一步提高焊接接头质量的目的。

保护气体的成分影响TIG焊缝金属的化学成分和性能。有研究表明,采用纯Ar保护时,存在电弧不稳定、熔池流动性差的问题,焊缝根部会析出Cr2N,导致焊缝根部耐点蚀性降低,点蚀发生在焊缝金属或沿着熔合线发生;Ar+CO2则存在焊缝金属填充不足、焊缝根部多孔的问题;Ar+30%He的焊接性良好,保护气体为Ar+30%He+0.5%CO2+1.8%N2时,2507钢管焊接接头的耐腐蚀性最好[86]。背面采用保护气体,可提高TIG焊缝金属的耐蚀性。采用N2进行背面保护,可提高焊缝耐蚀性,点蚀发生在离熔合线13mmHAZ;采用90%N2+10%H2进行背面保护,可显著改善焊缝的耐点蚀性能,TIG根部焊缝的耐蚀性(CPT)接近母材。

在焊接过程中,焊接接头处于快速加热和冷却的状态,导致焊接接头中铁素体相含量高,甚至析出σ、χ和Cr2N等有害相,而降低接头的韧性和耐蚀性。而且焊接过程还会烧损一部分NiN,这会降低接头中的奥氏体含量[88],而影响接头的耐蚀性。在保护气体中会添加一定量的N2,不仅可改善两相比例,还可调节合金元素CrMoNi等的分布,从而改善接头的耐腐蚀性能。保护气体中的N2一般在2%3%,若使用Ni含量高于母材的焊丝时,可适当减少N2含量。KIM[89]的研究结果表明,在Ar中加入2%N2提高了焊缝的奥氏体含量,减少了Cr2N析出,而提高了焊缝钝化膜的稳定性,提高了接头的耐蚀性和耐冲刷腐蚀性能。龚利华等的结果也表明,焊接中较高的热输入以及保护气体中添加2%N2有助于提高焊接接头中奥氏体相的比例,增大了焊接接头电化学性质的稳定性而提高腐蚀抗力。ZHANG等的结果表明,Ar中加入N2,可补偿N的烧损,促进N进一步溶入奥氏体尤其是二次奥氏体,可抑制Cr2N在焊缝根部析出,提高焊缝和HAZ的奥氏体含量及其PREN,提高γ2PREN,从而改善焊缝根部、填充金属、HAZ的耐局部腐蚀性能。但KIM[89]的研究结果同时也表明,N2的添加对HAZ相比例和Cr2N析出没有明显的影响。综上所述,以ArHe等惰性气体为主的保护气体中加入一定量的N2可以显著改善焊缝的组织和耐腐蚀性能,但对HAZ的作用并不明显。前面的分析表明,2205不锈钢焊接接头HAZ是腐蚀的薄弱区,尤其是HT-HAZ,这表明,保护气体中加入N22205不锈钢焊接接头整体耐蚀性的提高可能是有限的;而且由于提高了焊缝的耐蚀性,增强了焊缝金属-HAZHAZ-母材的电偶作用,甚至可能对HAZ腐蚀是有害的。

焊后热处理

焊后热处理主要包括固溶处理和时效处理。

前面的分析表明,通过固溶过程中元素的扩散、铁素体-奥氏体转变,可改善元素分布、消除二次相及贫Cr区、改善铁素体/奥氏体相比例,从而提高2205不锈钢的耐腐蚀性能。固溶处理也应可以改善焊接接头的铁素体/奥氏体相比例、合金元素的分布以及消除σ、χ和Cr2N等有害相。固溶处理的温度一般在900℃以上,根据Fe-Cr-Ni相图和2205不锈钢Thermo-Cal软件计算的相平衡分数与温度的关系图,在这个温度范围内,不会新析出σ、χ和Cr2N等二次相,已有的σ、χ和Cr2N等会随着温度的升高逐渐溶解。KIM等认为,最佳的固溶温度为1090℃,焊后经固溶处理可以使焊缝和HAZCr2N溶解,N从铁素体扩散入奥氏体而提高奥氏体比例,减少了两相耐点蚀性能的差异而提高焊接接头的耐蚀性。龚利华等的结果表明,半自动钨极氩弧焊的2205不锈钢焊接接头,1050℃固溶处理可使HAZ中的σ相重新溶解而消除,对相比例的恢复以及钝化膜稳定性的提高均具有明显效果。邹德宁等[92]的结果也表明,固溶处理可以调节焊接接头的两相比例,消除析出的σ相。石巨岩等的结果表明,当固溶温度为10201070℃时,2205不锈钢焊缝的两相比例约11,当固溶温度为920℃、970℃时,2205不锈钢焊缝中有σ相析出。以上表明,固溶处理对焊接接头的组织性能的影响与1.2部分是基本相同的,固溶温度对焊接接头的组织性能起着主要作用。另外,固溶处理虽可提高接头的耐蚀性,但如何对工程构件进行固溶处理是需要研究的问题,尤其是大型构件的焊接接头。

时效处理主要用于消除焊接的残余应力以改善接头的力学性能。SIM等研究发现,随着时效温度的提高,接头中的铁素体逐渐减少,原因在于铁素体相在较低温度范围内会逐渐转变成奥氏体,并且在转变过程中容易产生σ、χ、γ2Cr2N等有害相,这些有害相对焊接接头耐蚀性的降低比奥氏体/铁素体相比例失衡所造成的影响更大。此外,对于奥氏体含量较高的焊缝而言,较低的铁素体含量和狭长的形态会促进σ相的析出,增大焊缝区σ相的析出敏感性。由此可见,虽然时效处理可以改善2205不锈钢焊接接头的力学性能,但有害相的析出会降低其耐蚀性能,因此,2205不锈钢焊接接头一般不宜进行时效处理,即使需要进行时效处理,也必须控制时效温度在较低的范围内或采用较短的时效时间,以免产生有害相而降低接头的耐蚀性。

目前,时效处理对接头耐蚀性影响的研究主要集中在析出相的影响方面,时效温度相对较高,而低温时效对接头耐蚀性影响的研究还鲜有报道。焊接接头的耐蚀性不仅与组织有关,焊接应力也有重要的影响。采用合适的低温时效处理,不改变接头组织,消除或部分消除焊接应力,可能可提高接头的耐腐蚀性能。