雙相不銹鋼具有優(yōu)良的綜合性能，如高強度、低溫高韌性、良好的耐孔蝕性、對應(yīng)力腐蝕裂紋不敏感等等，并且在-50℃～280℃范圍內(nèi)常常具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能和具有競爭力的價格。現(xiàn)代的雙相不銹鋼由于采用氮合金化等技術(shù)，焊接性能有很大改善，但與普通奧氏體不銹鋼焊接相比還是有許多問題。

 近年來，對雙相不銹鋼焊接接頭組織和相比例的研究越來越深入，如至德鋼業(yè)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法與其它的分析方法用于比較測試雙相不銹鋼焊接過程中鐵素體的形成；至德鋼業(yè)用X射線觀察研究2205雙相不銹鋼焊接過程中熱影響區(qū)的鐵素體/奧氏體的轉(zhuǎn)變行為，也有專門針對鎢極亞弧焊保護(hù)氣體進(jìn)行的研究，主要集中在保護(hù)氣體氨氣和氮氣的混合比例，隨著保護(hù)氣體中氮氣體積分?jǐn)?shù)的增加，無論是接頭熱影響區(qū)還是焊縫金屬區(qū)，鐵素體體積分?jǐn)?shù)都呈下降的趨勢，當(dāng)?shù)獨怏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到3％以上時，接頭熱影響區(qū)內(nèi)的鐵素體含量等于或與母材相差很少。從以上研究可以看出在對焊接接頭的研究方面焊縫中相比例的控制、焊接工藝參數(shù)對焊縫組織的影響一直是研究的主要內(nèi)容。而雙相不銹鋼焊接要點就是要保證焊接接頭具有同母材一樣的優(yōu)異抗腐蝕能力，而決定該指標(biāo)的主要因素就是金相組織和相比例。但是，在對雙相不銹鋼進(jìn)行焊接時，由于不均勻的加熱和冷卻會使雙相不銹鋼焊接接頭的組織與性能發(fā)生很大變化。因此，浙江至德鋼業(yè)有限公司將對GTAW和SMAW焊后接頭進(jìn)行金相組織觀察和相比例分析測定，同時，對兩種接頭進(jìn)行相關(guān)耐蝕性試驗，以驗證不同焊接工藝對2205雙相不銹鋼焊接接頭組織與耐蝕性的影響。

一、對焊縫組織的影響

  圖是GTAW焊縫金相組織，是SMAW焊縫金相組織?？梢钥闯鰞煞N接頭組織都具有不規(guī)則的條狀特征和兩相交織分布的塊狀特征，在塊狀組織中，奧氏體相被鐵素體相包圍在一起。雙相不銹鋼的焊縫組織一般有兩種形態(tài)，即焊縫中心區(qū)組織形態(tài)如圖，此形態(tài)組織相對較細(xì)，形態(tài)差別較大，具有不規(guī)則的條狀組織特征和兩相交織分布的塊狀特征，在塊狀組織中，γ相被α相包圍在一起，且塊狀γ相中還有點狀的α相。另一部分是焊縫靠近融合區(qū)的組織狀態(tài)，如圖此種形態(tài)焊縫組織一般比較粗大，主要為方位不一的條狀組織形態(tài)，為γ相和α相相間，由于接近融合區(qū)，因此使得受焊接熱循環(huán)影響較大，γ晶粒比焊縫中心區(qū)域γ較粗大且此區(qū)域γ組織明顯大于α，γ相含量也相對較多。通過對比兩種接頭焊縫可知GTAW和SMAW焊接試樣奧氏體相含量相差無幾，但是GTAW組織要比SMAW組織稍細(xì)。主要是因為SMAW采用的線能量較大，焊縫的冷卻時間延長，有利作用是會促進(jìn)更多的奧氏體生成，但會使得組織相對粗大。而GTAW使用Ar+2％氮氣作為保護(hù)氣體，不僅可以避免表面層焊縫金屬的氮損失，也可以進(jìn)一步促進(jìn)焊縫中奧氏體的生成，這樣就保證了晶粒不會粗化的前提下提高奧氏體含量，由圖中還可以看出，GTAW奧氏體組織在鐵素體基體中的分布比較均勻，因此，GTAW組織形態(tài)相對SMAW組織形態(tài)較好。

  雙相不銹鋼的焊縫組織為鑄態(tài)組織，其在高溫下鐵素體相的高擴散率得以使合金化元素快速均勻化，容易消除凝固偏析，即使少量鎳、鉬元素顯微偏析對于奧氏體相的形成也沒有比較大的影響。當(dāng)焊縫金屬冷卻鐵素體轉(zhuǎn)變成二次奧氏體時，伴隨著鐵素體和奧氏體之間鉻、鎳、鉬和氮等合金元素的重新分配，將引起因合金元素的重新分配致使焊縫和熱影響區(qū)金屬的化學(xué)成分發(fā)生變化，合金元素分配的程度主要取決于焊接熱循環(huán)。而在熔池金屬冷卻過程中，鐵素體作為奧氏體非均質(zhì)形核的核心，同時又對奧氏體的長大產(chǎn)生阻力，阻止奧氏體晶粒的長大，打亂了柱狀晶的方向性，這有利于雙相組織的形成，以及奧氏體和鐵素體相的均勻分布。兩相的平衡數(shù)量和α/γ比值的大小無論對焊縫的力學(xué)性能，還是耐試性能都有重要影響。

二、對熱影響區(qū)組織的影響

  圖是GTAW和SMAW焊接熱影響區(qū)金相組織，從圖中可以看出焊接熱影響區(qū)組織也是兩種形態(tài)，一種是靠近熔合線的熱影響區(qū)組織形態(tài)如圖所示，因受熱循環(huán)影響較大，此種形態(tài)組織明顯粗大，α相的晶粒比γ相粗大，α相相對含量也要高于γ相；另一種是靠近母材的熱影響區(qū)組織形態(tài)如圖，這部分熱影響區(qū)組織較細(xì)，受熱循環(huán)影響較小，溫度相對較低，因此，主要組織特征為條狀的γ相。一般來說在焊接2205雙相不銹鋼時，通過采用多道焊，合理控制熱輸入以及層間溫度，這樣后一道焊接對前一道起到了固溶處理的作用，可以析出更多的奧氏體，保證焊接接頭的性能。 

  一般認(rèn)為，在焊接熱循環(huán)的作用下，雙相不銹鋼熱影響區(qū)的組織變化較大，其相比例直接影響接頭性能。按照焊接熱循環(huán)的峰值溫度高低，雙相不銹鋼的熱影響區(qū)可劃分為高溫區(qū)，固溶區(qū)，中溫區(qū)和低溫區(qū)。低溫區(qū)（低于400℃）的組織不發(fā)生變化；中溫區(qū)400～950℃有析出物析出，如σ相、碳化物等；固溶區(qū)950～1200℃的鐵素體相雖然隨峰值溫度增高而增多，但兩相比例變化不大。高溫區(qū)1200℃至熔點之間，起始階段晶粒開始長大，奧氏體還有一定數(shù)量，脆性析出物少，當(dāng)溫度達(dá)到過熱區(qū)時（高于1300℃），該區(qū)組織發(fā)生急劇變化，即使時間很短，也會形成等軸純鐵素體組織，晶粒粗大，在冷卻過程中則發(fā)生鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變。在焊接熱循環(huán)的冷卻過程中，由于從過熱區(qū)峰值溫度到400℃的時間很短，手工電弧焊通常只有20～30秒，而在鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的高溫區(qū)和固熔區(qū)停留時間還不到10秒，因此相變過程難以達(dá)到平衡，相對于母材的固熔態(tài)來說，奧氏體組織的比例要減少。研究表明：在熱影響區(qū)，必須有一定量的奧氏體才能將鐵素體包圍，形成奧氏體與鐵素體的晶界，而且奧氏體還要在鐵素體的晶內(nèi)析出才能獲得滿意的性能。一般來說，過熱區(qū)粗大的鐵素體晶粒邊界和晶粒內(nèi)部均析出了羽毛狀和條塊狀的奧氏體，數(shù)量可達(dá)20%～30%。

三、定量金相計算

  采用網(wǎng)格測點法得到不同焊接接頭的鐵素體相含量如圖所示?？芍獌煞N焊接工藝接頭焊縫區(qū)鐵素體相含量較少，而熱影響區(qū)和母材鐵素體含量則較多，但GTAW和SMAW焊接工藝所得到的焊縫和熱影響區(qū)中的鐵素體含量均能滿足單相約占40%～60%的比例，因此可以認(rèn)定只要焊接工藝和參數(shù)選擇適當(dāng)，雙相不銹鋼焊接接頭組織中相比例是可以滿足要求的。對比GTAW和SMAW焊接接頭鐵素體含量可知，GTAW的焊縫和熱影響區(qū)鐵素體相要更少一些，并且GTAW接頭相比例更接近于1:1，即GTAW接頭組織相比例比SMAW接頭組織相比例更好。

  眾所周知，雙相不銹鋼的組織與相比例直接影響其焊接接頭性能，因此，使用合適的焊接工藝和參數(shù)，保證合適的相比例和組織形態(tài)是十分必要的。除了不同元素的組成及比例影響相比例外，冷卻工藝也在一定程度上影響其中兩相的比例和組織形態(tài)。當(dāng)焊接熱輸入高時，冷卻時間得到延長提升了轉(zhuǎn)變穩(wěn)定了相平衡。但是，這種條件也可能使組織產(chǎn)生粗晶沉淀、寬的熱影響區(qū)以及組織中可能出現(xiàn)的脆性金屬間相。。熱輸入低，冷卻速度快能防止有害的沉淀物，但奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，所以控制焊接熱輸入確保冷卻速度足夠慢以保證奧氏體充分形成是值得研究的。至德鋼業(yè)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，通過大量的試驗建立了包含冷卻速度這一重要因素的預(yù)測相比例的公式，預(yù)測結(jié)果與實際測定值能很好的吻合 。也有研究者從理論入手借助于熱力學(xué)、相變動力學(xué)和擴散等經(jīng)典理論來研究冷卻速度對組織轉(zhuǎn)變的影響，在這方面浙江至德鋼業(yè)有限公司作出了卓有成效的研究，他們通過研究不同冷卻速度對CD3MN 和CD3MWCuN 組織轉(zhuǎn)變的影響，借助于理論，得到了與試驗測定結(jié)果有很好一致性的數(shù)學(xué)模型。從過去的研究結(jié)果來看,冷卻速度慢，組織粗大，可能有金屬間化合物析出，但可提高δ/γ相比例；冷卻速度快，組織細(xì)小，晶界面積大，但相比例不穩(wěn)定。 雙相不銹鋼在高溫下(1300℃以上)呈現(xiàn)單一的高溫鐵素體組織δ相。但冷卻過程中粗大的δ相會轉(zhuǎn)變成常溫鐵素體相(α相)和奧氏體相(γ相)，由于α相與γ相的生成條件和速度不同，因而不同的冷卻起點溫度及冷卻方式(速度)會使α相與γ相有不同的最終比例，而且其組織特征也不同，當(dāng)冷卻速度較高時，γ相的析出溫度較低，其形狀以針狀為主；當(dāng)冷卻速度較低時，γ相的析出溫度較高，其形狀以片狀為主；雙相不銹鋼中δ相向γ相轉(zhuǎn)變中γ的長大方式受冷卻速度的影響也較大，當(dāng)冷卻速度較高時，γ相的長大以端面長大為主，側(cè)面長大不明顯；當(dāng)冷卻速度較低時，γ相的長大以端面長大為主，同時也伴隨著側(cè)面長大。

四、焊接接頭析出相的檢驗 

  1. 正常的焊接接頭金相組織

  圖是正常的雙相不銹鋼基體和接頭金相組織，主要為鐵素體基體上分布條塊狀的奧氏體組織；圖是經(jīng)過850℃時效1小時的非正常雙相不銹鋼基體和接頭金相組織，可以看出在奧氏體晶界上出現(xiàn)的黑色塊狀物，即為金屬間析出相，其中主要以σ相為主。

  2. 有害相檢驗

  從雙相不銹鋼二次相的TTP圖中可以看出，雙相不銹鋼在300℃以上時組織會產(chǎn)生二次相，從而使其耐蝕性和機械性能受到損害，這是雙相不銹鋼生產(chǎn)和使用過程中遇到的一個普遍問題。從圖中還可以看出，當(dāng)Cr、Mo含量較高或雙相不銹鋼中含有Cu、W時，二次相將在很短的時間內(nèi)析出，表明析出傾向敏感，σ相、χ相、二次奧氏體及氮化鉻等在650℃以上形成的二次相析出都比較快。

  2205同其他雙相不銹鋼一樣經(jīng)熱處理、焊接或經(jīng)長期在300℃～1000℃溫度范圍使用后，鋼材內(nèi)部會產(chǎn)生許多不同的析出物，包括σ相、γ相、α相、χ相、R相、π相以及氮化物、碳化物等等，一般而言這些析出相對材料機械性能、耐腐蝕性能皆有不同程度的不良影響。尤其是σ相不僅屬于脆性相，而且析出速度極快，是影響鋼的力學(xué)性能和耐蝕性能的主要有害相，因此在熱加工過程中需要避免它們的析出。所以說雙相不銹鋼除了化學(xué)成分和相比例外，金屬間相的析出也對鋼的性能有很大的影響。這就有必要檢測一下焊接后的雙相不銹鋼接頭中是否存在析出的有害相（主要是σ相）。這些不希望出現(xiàn)的析出相，它們的析出傾向既受溫度范圍、冷卻速度等因素的影響，但主要受合金元素含量的影響。在雙相不銹鋼中，鉻、鉬可促進(jìn)σ相的析出。隨鉻、鉬含量的增加，σ相的C曲線左移。在HAZ區(qū)，σ相沿δ/γ晶界析出，含鉻、鉬高的焊縫中還會有二次奧氏體析出，加速了σ相的析出。本文所使用的GTAW和SMAW焊接工藝及參數(shù)所焊接的雙相不銹鋼接頭中均未發(fā)現(xiàn)有σ相的析出，說明只要選用合理的焊接工藝和焊接工藝參數(shù)，接頭中一般是不會出現(xiàn)有害相析出的。