雙相不銹鋼的焊接工藝

                            上海申弘閥門有限公司

1 緒論

隨著工業(yè)技術的日益發(fā)展，一般奧氏體不銹鋼難以滿足應力腐蝕、點腐蝕和縫隙隧洞式腐蝕的要求。為此，冶金工作者進行了大量研究，研制出奧氏體—鐵素體型不銹鋼，即雙相不銹鋼。申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼在晶間腐蝕、應力腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕方面的抗力不足，尤其是應力腐蝕引起的斷裂，其危害性極大。雙相不銹鋼是近二十年來開發(fā)的新鋼種。通過正確控制各合金元素比例和熱處理工藝使其固溶組織中鐵素體相和奧氏體相各約占50％，從而將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和耐氯化物應力腐蝕性能結合在一起，使雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點。

所謂雙相不銹鋼是在其固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，一般量少相的含量也需要達到30%。在含C較低的情況下，Cr含量在18%-28%，Ni含量在3%-10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti，N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導熱系數高，具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間副食和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼。

由于兩相組織的特點，通過正確控制化學成分和熱處理工藝，使雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點，它將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和耐氯化物應力腐蝕性能結合在一起，正是這些*的性能使雙相不銹鋼作為可焊接的結構材料發(fā)展迅速，80年代以來已成為和馬氏體型、奧氏體型和鐵素體型不銹鋼并列的一個鋼類。

上世紀30年代就已在瑞典的試驗室中研制出雙相不銹鋼（3RE60、Uranus50等），但是雙相不銹鋼真正產業(yè)化還是在上世紀60年代以后，其發(fā)展經歷了3代歷程。

1.1 我國雙相不銹鋼的應用

雙相不銹鋼是根據石油化工中強酸強堿造成的局部點蝕、應力腐蝕以及孔穴式腐蝕現(xiàn)象，一般不銹鋼難以勝任的容器、管道以及零部件等而研制的，但由于雙相不銹鋼除具有很強的各類抗腐蝕性能之外，還具有很好的強度和韌性，為此，在一般民用工程和能源交通方面也逐步得到越來越多的應用，如橋梁、飛機、船舶、汽車以及沿海城市和化工區(qū)的裝飾建筑等。

1.1.1石油和天然氣工業(yè)               

這是國外應用雙相不銹鋼的主要領域之一，目前鋪設的油氣輸送管線已有1000km。國內只有南海油田少量使用，全部進口。另外，西氣東輸工程西起塔里木盆地的集氣管線考慮要用雙相不銹鋼焊管，國內已有條件生產和制造。

 煉油工業(yè)是早使用國產雙相不銹鋼的部門，在南京，鎮(zhèn)海，天津，濟南等煉化公司多集中用在常減壓蒸餾塔的塔頂襯里（或復合板）、塔內構件、空冷器和水冷器等，長的已使用20年。鎮(zhèn)海煉化公司是我國大的煉油基地，加工能力為1600萬t，進入世界，冷凝冷卻系統(tǒng)中多套設備使用雙相不銹鋼。

這一領域涉及的范圍很寬，工況情況復雜，介質多種多樣，也是使用雙相不銹鋼較早和較多的領域。甲醇是重要的能源化工原料，2002年國內產量210萬t，進口量與此相當，國產缺口很大，當然也有少量（數千噸）出口韓國，目前20萬t的大型和多套10萬t以下的中小型的甲醇合成反應器的觸媒管都是采用雙相不銹鋼，大中型裝置采用2205鋼管，使用進口管較多，小型裝置多采用18－5Mo型國產鋼管。

齊魯石化公司氯乙烯裝置的氧氯化反應器中的冷卻蛇管的介質條件（HCI，水蒸氣）苛刻，目前已使用進口的2205雙相不銹鋼，使用結果有待觀察。 

上海石化公司乙烯裝置的催化劑再生冷卻器采用國產類似DP3鋼的00C25Ni7Mo3WCuN雙相不銹鋼做海水冷卻器管，海水出口溫度40℃，至今已間歇使用15年，效果很好。 河南煤化工廠的粉煤氣化裝置的數臺冷卻器都是采用進口2205鋼管制造。

1.1.2 化肥工業(yè) 

尿素工業(yè)也是早使用國產雙相不銹鋼的部門，裝置中含氯離子水的換熱設備使用得較多，例如尿素裝置中CO2壓縮機三段冷卻器原使用304L奧氏體不銹鋼管束，l個月后即因應力腐蝕破裂而泄漏，雙相不銹鋼可用5年以上，隨后一、二段冷卻器也都換用了18－5Mo或2205雙相不銹鋼。

由于雙相不銹鋼在尿素介質中有良好的抗腐蝕疲勞性能，很適合制造尿素生產的關鍵設備——甲按泵泵體。國產的00Cr25Ni6Mo2N鋼可以通過Huey法的晶間腐蝕傾向檢驗，己用于黑龍江化肥廠、洞庭氮肥廠（五柱塞式）等大型化肥廠。國內中小化肥廠的甲按泵泵體基本上采用18－5Mo鋼制造，也有數十家采用的是高鉻含鉛雙相不銹鋼。此外這種鋼的泵閥鍛件通過了日本JIS  G0573、G0591硝酸法和硫酸法的檢驗，批量出口日本，價格要比日本當地生產的便宜。

此外，采用國產OCr25Ni6Mo3CuN時效強化雙相不銹鋼，利用其耐磨損腐蝕性能，用于尿素裝置主工藝管路多種規(guī)格的高壓截止閥的內件等，效果不錯。

1.1.3 運輸業(yè)  

近幾年海上化學品運輸船行業(yè)是國外大的雙相不銹鋼用戶，消費量約占熱軋板的50％?；瘜W品船裝載的液體貨物多種多樣，包括化學和石化產品，食品等，要求船艙材料既能耐腐蝕，又有高的強度。如今2205雙相不銹鋼已代替316L和317L奧氏體不銹鋼，成為海上化學品船的標準用材。

國內在這方面剛剛起步，中國長江航運集團青山船廠采用歐洲建造標準，使用進口的2205鋼板，自行制造成功*艘18500t化學品船，鋼板消耗量約1200t，己出口比利時。實現(xiàn)了我國用雙相不銹鋼建造化學品船零的突破，該廠已形成規(guī)模生產能力。

1.1.4 造紙和制鹽輕工業(yè)

由于雙相不銹鋼在中性氯化物溶液中有較好的耐孔蝕和縫隙腐蝕的能力，利用這一特點，國內開發(fā)了該鋼在真空制鹽和鹽硝聯(lián)產裝置上的應用，20萬-30萬t制鹽廠的大型鹽水和芒硝蒸發(fā)罐采用了雙相不銹鋼的襯里和復合板，解決了設備結鹽垢和腐蝕問題，長的已有10年的使用歷史。雙相不銹鋼用于大型真空制鹽裝置，國內已有成熟的經驗。

在制紙漿和造紙業(yè)領域，國內幾乎是空白，硫酸鹽蒸煮法仍多采用低碳鋼制造的蒸煮鍋，而國外早已普及使用雙相不銹鋼的蒸煮、漂白等設備，目前國內也有引進，但數量極少。

綜上所述，可以看出國內雙相不銹鋼的使用是有一定局限性的，像國外大量使用雙相不銹鋼的諸如紙漿和造紙工業(yè)、油氣工業(yè)、運輸業(yè)、甚至建筑業(yè)幾個大的領域我們涉及得不多，有的還只是剛剛開始。根據國情，利用雙相不銹鋼的性能優(yōu)勢，今后除繼續(xù)擴大在化工和石化等領域的應用外，結合紙漿和造紙工業(yè)的技術改造需要開發(fā)在這一領域中的應用，至于油氣管線目前很難推廣，雙相不銹鋼的價格是太高了但是制造有關油氣田需要的耐氯離子和硫化氫的裝置像集氣管線和換熱設備等還是可以采用雙相不銹鋼，甚至超級雙相不銹鋼的。海上運輸業(yè)的發(fā)展，化學品船制造業(yè)方興未艾，需要大量大張的鋼板，這一缺口有待填平補齊。至于在建筑業(yè)方面的應用，至今還*未涉及，其實濱海的城市雕塑景觀和開發(fā)2304鋼用于民用熱水器方面*可代替304和316奧氏體不銹鋼。

1.2 雙相不銹鋼的優(yōu)勢及應用

1.2.1 與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的優(yōu)勢如下：

1）屈服強度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多，且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減少30-50%，有利于降低成本。

表1-2 部分雙相不銹鋼的牌號及化學成分(質量分數％）

2）具有優(yōu)異的耐應力腐蝕破裂的能力，即使是含合金量低的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應力腐蝕破裂的能力，尤其在含氯離子的環(huán)境中。應力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題。

3）在許多介質中應用普遍的2205雙相不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于普通的316L奧氏體不銹鋼，而超級雙相不銹鋼具有*的耐腐蝕性，再一些介質中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼，乃至耐蝕合金。

4）具有良好的耐局部腐蝕性能，與合金含量相當的奧氏體不銹鋼相比，它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優(yōu)于奧氏體不銹鋼。

5）比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數低，和碳鋼接近，適合與碳鋼連接，具有重要的工程意義，如生產復合板或襯里等。

6）不論在動載或靜載條件下，比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力，這對結構件應付突發(fā)事故如沖撞，爆炸等，雙相不銹鋼優(yōu)勢明顯，有實際應用價值。

1.2.2 與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的優(yōu)勢如下 

1）綜合力學性尤其是塑韌性，不象鐵素體不銹鋼那樣對脆性敏感。

2）除耐應力腐蝕性能外，其他耐局部腐蝕性能都優(yōu)于鐵素體不銹鋼。

3）冷加工工藝性能和冷成型性能遠優(yōu)于鐵素體不銹鋼。

4）焊接性能也遠優(yōu)于鐵素體不銹鋼，一般焊前不需預熱，焊后不需熱處理。

5）應用范圍較鐵素體不銹鋼寬。

2 SAF2205雙相鋼接頭的基本要求及達到要求的措施

2.1基本要求

焊接接頭不存在超過質量標準規(guī)定的缺陷，同時力學性能滿足焊接結構預期的使用性能要求。不出現(xiàn)焊接熱裂紋和冷裂紋，應力腐蝕，點蝕，δ相脆化現(xiàn)象的出現(xiàn) 

2.2防止措施

1）雙相不銹鋼具有良好的焊接性，一般選用與母材成分相同或相近的焊接材料，由于含碳量對抗腐蝕性有很大的影響，因此熔敷金屬含碳量不用高于母材。腐蝕性弱或僅為避免銹蝕污染的設備，可選用含Ti或Nb等穩(wěn)定化元素或超低碳焊接材料。對于耐酸腐蝕性能較高的工件，常選用含Mo的焊接材料。選用適合的焊接材料不會發(fā)生焊接熱裂紋和冷裂紋，如選用焊條型號E309MoL-16焊條牌號A042氬弧焊焊絲H00Cr18Ni14Mo2。

2）合理設計焊接接頭。避免腐蝕介質在焊接接頭部位聚集，降低或消除應力集中，消除或降低焊接接頭殘余應力，用常用工藝措施，加熱溫度在800-900℃之間才可得到比較理想的消除應力效果；結構設計時要盡量采用對接接頭，避免十字交叉焊縫，單V形坡口改用Y形坡口。

3）采用小的熱輸入，即小電流，大的焊接速度，減少橫向擺動，待前一道焊縫冷卻到預熱溫度后，再焊下一道焊縫，焊后進行750-800℃退火處理，退火后應快冷，防止出現(xiàn)δ相和475℃脆化。

3 SAF2205雙相鋼的焊接性及焊接中可能存在的問題

3.1SAF2205雙相鋼的焊接性

3.1.1SAF2205雙相鋼的性能特點

1）含鉬雙相不銹鋼在低應力下有良好的耐氯化物應力腐蝕性能。一般18-8型奧氏體不銹鋼在600℃以上中性氯化物溶液中容易發(fā)生應力腐蝕斷裂，在微量氯化物及硫化氫工業(yè)介質中用這類不銹鋼制造的熱交換器、蒸發(fā)器等設備都存在著產生應力腐蝕斷裂的傾向，而雙相不銹鋼卻有良好的抵抗能力。         

2）含鉬雙相不銹鋼有良好的耐孔蝕性能。在具有相同的孔蝕抗力當量值（PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%）時，雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼的臨界孔蝕電位相仿。雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼耐孔蝕性能與AISI 316L相當。含25%Cr的，尤其是含氮的高鉻雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能超過了AISI 316L。         

3）具有良好的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能。在某些腐蝕介質的條件下，適用于制作泵、閥等動力設備。         

4）綜合力學性能好。有較高的強度和疲勞強度，屈服強度是18-8型奧氏體不銹鋼的2倍。固溶態(tài)的延伸率達到25%，韌性值AK（V型槽口）在100J以上。

5）可焊性良好，熱裂傾向小，一般焊前不需預熱，焊后不需熱處理，可與18-8型奧氏體不銹鋼或碳鋼等異種焊接。          

6）含低鉻（18%Cr）的雙相不銹鋼熱加工溫度范圍比18-8型奧氏體不銹鋼寬，抗力小，可不經過鍛造，直接軋制開坯生產鋼板。含高鉻（25%Cr）的雙相不銹鋼熱加工比奧氏體不銹鋼略顯困難，可以生產板、管和絲等產品。         

7）冷加工時比18-8型奧氏體不銹鋼加工硬化效應大，在管、板承受變形初期，需施加較大應力才能變形。

8）與奧氏體不銹鋼相比，導熱系數大，線膨脹系數小，適合用作設備的襯里和生產復合板。也適合制作熱交換器的管芯，換熱效率比奧氏體不銹鋼高。         

9）仍有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向，不宜用在高于3000C的工作條件。雙相不銹鋼中含鉻量愈低，σ等脆性相的危害性也愈小。

3.1.2 SAF2205雙相鋼的組織特點

目前雙相不銹鋼由于冶煉質量要求高，價格較貴，故產量不高，約占世界不銹鋼產量的1％，但上世紀90年代以后增加較快， 1990 年產量約10萬t，1999年已達11萬t，2000年約為20萬t。

我國在上世紀60年代開始研究雙相不銹鋼，主要有低鉻（Cr18）、中鉻（Cr22）和高鉻（Cr25）3種，主要產品是管、板和復合板，產量都不大，約2000t，2001年雙相不銹鋼的消費量約4000t，有1/2隨工程進口。

雙相不銹鋼的組織， 根據W(Ni)eq，W(Cr)eq和Schaeffer圖，一般奧氏體（A）和鐵素體（F）的比例約為60％: 40％，但實際上由于化學成分和固溶處理的溫度偏差，可能出現(xiàn);A或F≥70％，對性能會有一定影響，因此，控制在各為50％。

表3-2  不表同組織類別不銹鋼的力學性能

雙相不銹鋼具有很強的抗局部孔蝕、點蝕和縫隙孔穴式腐蝕的能力，主要是由化學成分中的Mo，N等元素起的作用。經多年研究，建立了一個抗孔蝕當量指數PREN（PREN=ω Cr+3.3ω Mo+16 ω N）來評價，其值越高，抗局部孔蝕的能力越強。

雙相鋼的一個顯著特點就是其雙相組織。除此之外, 還常伴有其他相組織的產生, 這些次生相也或多或少的影響鋼材的性能。對雙相鋼來說,特殊的合金元素組成是保證構成雙相及各相比例的基礎, 通過主要元素的含量, 可以預測金相組的相比例。目前, 上使用較多的是美國焊接研究會WRC提出的WRC一92組織圖 (見圖3-1)

表3-3 部分奧氏體鋼及雙相不銹鋼的成分及PREN值

A一奧氏體;AF一奧氏體一鐵素體;

FA一鐵素體一奧氏體;F一鐵素體;

Creq= Cr％+Mo％+0.7×Nb％

Nieq=Ni％+35×C％+20×N％+0.25×Cu％

從圖3-1可看出, 鉻、鉑、妮是主要的鐵素體相形成元素, 而鎳、碳、氮、銅是主要的奧氏體相形成元素。改變這些元素的含量, 即可改變固溶組織中的相比例。

除了不同元素的組成及比例影響相比例外,熱處理也將在一定程度上影響相的比例。雙相鋼在高溫下(1300℃以上), 呈現(xiàn)單一的高溫鐵素體組織, 即δ相。但冷卻過程中粗大的δ相阿會轉變成常溫鐵素體相(α相)和奧氏體相(γ相)。由于α相與γ相的生成條件、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相有不同的終比例, 而且其組織特征也不同。其實, 熱處理對相比例的影響是有限的, 但對二次相(對鋼材性能的影響比較大)的生成才是至關重要的。

常用的雙相鋼常會在冷卻過程中出現(xiàn)二次相。主要的二次相有二次奧氏體、碳化物、δ相 、χ相、R相等。

1)二次奧氏體(γ2)。雙相鋼冷卻時會在鐵素體相中析出γ2。γ2相具有一定的奧氏體相特征,會促進σ相的生產。

2)碳化物(M23C6)的存在不利于鋼材的耐蝕性?？焖倮鋮s可避免M23C6的生成。 

3) δ相硬而脆, 可顯著降低鋼材的塑性和韌性。δ相富含鉻, 使其周圍因鉻而耐腐蝕性降低。鑒于此, δ相是一種危害大的二次相。以急冷方式快速通過該溫度區(qū)間, 可有效避免δ相的產生。

4) χ相、R相、都是在一定的溫度區(qū)間(550℃-750℃) 析出的金屬間相, 富鉻和鉬, 硬而脆, 易降低鋼材的耐腐蝕性。但與δ相相比, 析出的量較少, 因此其危害低于δ相。

3.1.3 耐腐蝕性能

開發(fā)雙相鋼就是解決奧氏體不銹鋼腐蝕開裂性能的問題, 并同時獲得高強度。

(1)均勻腐蝕。一般來講, 雙相組織并不利于鋼材耐電化學腐蝕, 因為可能出現(xiàn)電偶腐蝕。在某些強氧化性酸和強還原性酸中, 其耐腐蝕性有時不如奧氏體, 但有時比奧氏體還好。在有機酸中, 它和奧氏體不銹鋼一樣都具有良好的耐腐蝕性。在堿液中, 其耐腐蝕性相對較差些。

(2)孔蝕是一種局部腐蝕, 也是不銹鋼有害的腐蝕型式之一, 它往往成為應力腐蝕開裂和疲勞腐蝕開裂的根源。目前比較流行的是通過孔蝕指數(PREN)來評價鋼材的耐孔蝕性能。即將耐孔蝕的幾個主要元素折合成鉻含量的當量, 通過鉻含量的當量(PREN)來判斷鋼材的耐孔蝕性能:PREN=Cr％+3.3xMo％+16xN％因此, 對于鋼材的抗孔蝕性能, 除了考慮其值外, 還要在生產過程中力求避免相的生成, 減少金屬夾雜物。

(3)晶間腐蝕。雙相鋼幾乎不發(fā)生晶間腐蝕敏化, 即使是在焊后空冷條件下。

(4)應力腐蝕。雙相組織的存在, 使得雙相鋼抗應力腐蝕開裂的性能要優(yōu)于奧氏體不銹鋼及鐵素體鋼。

總的說來, 雙相鋼的抗均勻腐蝕性能、抗孔蝕性能、抗縫隙腐蝕性能與奧氏體不銹鋼相比并沒有*太多, 但其抗晶間腐蝕性能、抗應力腐蝕性能則明顯優(yōu)于奧氏體不銹鋼。

3.1.4  力學性能

1)強度。在雙相鋼中, 由于鐵素體相約占二分之一, 故其強度明顯高于奧氏體不銹鋼。雙相鋼的強度比奧氏體不銹鋼高約三分之一。

2)塑性和韌性。在雙相鋼中, 由于奧氏體相約占二分之一, 故其塑性和韌性優(yōu)于鐵素體不銹鋼。另外由于奧氏體相的存在, 使得容易產生脆性化合物的碳、氮等在鐵素體相中溶解度降低, 從而降低了脆性相的發(fā)生。同時, 因兩相同時存在,可阻止或緩解高溫下晶粒的長大, 也可阻止或緩解裂紋的擴展, 從而提高了鋼材的塑性和韌性。

但與奧氏體不銹鋼相比, 由于鐵素體相的存在, 使得其塑性和韌性相對較低, 尤其是鐵素體相中易產生δ相、χ相、R相、∏相等脆性相, 如果處理不當, 會嚴重影響鋼材的塑性和韌性。

3.1.5  加工性能

工程上應用較多的加工方法有冶煉、鑄造、熱變形加工、冷變形加工、機加工、熱處理、焊接等。

1)冶煉。雙相鋼的冶煉比奧氏體或鐵素體鋼的難度大, 控制要求高。目前, 雙相鋼低要求應采用或進行精煉的。

2)鑄造?；谂c冶煉同樣的道理, 鑄造難度也大于一般奧氏體和鐵素體鋼材, 而且難度比冶煉更大。除此之外, 由于兩相組織的原因, 在澆鑄時還要采取有效的措施, 以避免比奧氏體鋼更容易出現(xiàn)的鑄造裂紋兩相凝固差別的原因、氣孔加氮的原因等問題。

3)熱變形加工。雙相鋼具有的兩相組織使其熱變形加工的難度要遠大于奧氏體不銹鋼。冷變形加工。雙相鋼的冷變形加工的難度要遠大于奧氏體不銹鋼。

4)機加工。就常用的工程材料而言, 都不存在較大的加工難度, 雙相鋼也不例外。熱處理。熱處理對雙相鋼性能還有一些特殊影響。①不同的熱處理參數, 可得到不同的相比例, 直接影響鋼材性能②通過熱處理, 可以改變加工過程中的元素分配比例, 改善甚至消除加工過程中次生相帶來的不利影響, 從而影響到鋼材的終機械性能和耐腐蝕性能等③熱處理過程也會使鋼材產生新的次生相, 也會導致元素在各相中的重新分配。因此, 不恰當的熱處理會使鋼材的性能惡化

早限制雙相鋼應用的主要原因就是焊接問題, 而工程上又往往不可避免焊接過程。

雙相鋼焊接的難點就在于其焊接接頭是否仍能獲得與母材相同或相近的兩相組織, 這也是保證焊接接頭是否具有與母材同樣性能(包括力學性能和耐腐蝕性能)等的關鍵所在。這里所說的焊接接頭包括焊縫熔合區(qū)、高溫熱影響區(qū)(HTHAZ)和低溫熱影響區(qū)(LTHAZ)。

1)焊縫熔合區(qū)。該區(qū)域的兩相組織相對容易控制 即通過選擇合適的焊接材料就能做到.

2)高溫熱影響區(qū)。它是指具有約1250℃熔點這一溫度特征的區(qū)域。這一區(qū)域很窄, 卻是其相組織難控制的一個區(qū)域。因為母材的成分不能因其而有過多的奧氏體形成元素, 而該區(qū)域的溫度特征又使其高溫鐵素體在冷卻過程中部分得不到向奧氏體轉化。應采用較大的焊接線量,使焊縫冷卻速度降低, 使高溫鐵素體有一定的時間向奧氏體轉化, 從而使相組織均衡。

3)低溫熱影響區(qū)。由于該區(qū)域的溫度較低,不足以引起基本相的變化, 但可能會發(fā)生二次相的產生。因此, 采用合適的焊接線量并控制層間溫度是防止低溫熱影響區(qū)性能變壞的主要手段。

值得一提的是, 雙相鋼一般不進行焊后熱處理

雙相不銹鋼的焊接性兼有奧氏體鋼和鐵素體鋼各自的優(yōu)點，并減少了其各自的不足之處。

1) 熱裂紋的敏感性比奧氏體鋼小得多。

2) 冷裂紋的敏感性比一般低合金高強鋼也小得多。

3) 雙相不銹鋼焊接時主要問題不在焊縫，而在熱影響區(qū)，因為在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài)， 冷卻后總是保留更多的鐵素體，從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋（脆化）的敏感性。

4) 雙相不銹鋼焊接接頭有析出%相脆化的可能，δ相是Cr和Fe的金屬間化合物，它的形成溫度范圍600-1000.C，不同鋼種形成δ相的溫度不同， 如00Cr18Ni5Mo3Si2 鋼在800-900.C，而雙相不銹鋼00Cr25Ni7Mo3CuN的在800-900.C，8500.C時敏感。形成%δ相需經一定的時間，一般1-2 min萌生1-2 minδ相增多并長大，因此，焊接時應采用小熱輸入，快速冷卻，消應力處理時應采用較低的溫度，如550-600.C為宜。

    5) 雙相不銹鋼含有50%的鐵素體， 同樣也存在475.C脆性，但不如鐵素體不銹鋼那樣敏感，雙相鋼中的鐵素體在300-525.C之間保溫會析出高鉻α，相，而在475.C敏感，使雙相鋼發(fā)生脆化，由于α，相析出時間較長，故對一般焊接影響不大，但應限制雙相不銹鋼的工作溫度不高于250.C。

雙相不銹鋼的焊接件，由于工藝不當，一旦產生δ相或析出α，相引起475.C脆性，則可采用固溶處理使之消除。

雙相不銹鋼的擴散氫含量不及奧氏體不銹鋼，因此焊材中或周圍環(huán)境中氫的質量濃度較高時，則會在焊接雙相不銹鋼時出現(xiàn)氫致裂紋和脆化。

3.2焊接中可能存在的問題

1）SAF2205雙相鋼的δ相脆化

   在Fe-Cr二元合金中，δ相中含Cr約為25%，形成溫度為520-820℃，有很多合金元素可置換δ相中的Fe和Cr原子，從而使δ相生成于穩(wěn)定的溫度區(qū)間和幾率增大。δ相析出主要在相中進行，如果δ相含有較多的Mo時，即可提高δ穩(wěn)定存在溫度區(qū)，又能加速δ相的析出過程。高鉻雙相不銹鋼容易產生δ相脆化現(xiàn)象。

表3-1 雙相不銹鋼固溶處理及σ相和475.C脆性的溫度范圍

2）焊接接頭的氫脆和氫致裂紋

   雙相不銹鋼凝固結晶為單相鐵素體，但是一般的拘束條件下，焊縫金屬的熱裂紋很小。當δ/γ適當時，冷裂紋敏感性也較低，但雙相不銹鋼中畢竟含有較高的δ相，當拘束度較大及焊縫金屬含氫量較高時，還存在氫致裂紋的危險。通過對模擬焊接熱影響區(qū)的試棒研究了雙相不銹鋼的氫脆與顯微組織之間的關系，并采用斷裂應變評定了氫脆敏感性，結果表明氫脆主要發(fā)生于δ相，而且氫脆的敏感性隨峰值溫度的升高而增加。

3）焊接接頭的應力腐蝕開裂

   從雙相不銹鋼應力與斷裂時間的延遲破壞之間的關系可知，母材的臨界應力達到破壞應力的90%，氫脆應力腐蝕開裂的敏感性很低，焊縫金屬的臨界應力為破壞應力的70%，相當于δ0.2的95%，由于焊縫周圍的殘余應力可以超過δ0.2，因此焊接接頭容易產生腐蝕開裂。

4）焊接接頭的點蝕

   由于冷卻速度對點蝕點位的影響較為顯著，因此，同樣的含N量在冷卻速度不同的條件下點蝕電位相差很大。由此可見，含N量較低的雙相不銹鋼的點蝕電位對冷卻速度很敏感，在焊接含N量較低的雙相不銹鋼時對冷卻速度的控制要求更嚴。

4 2205雙相鋼的焊接工藝

為了取得良好的焊接質量, 焊接人員應掌握雙相鋼的焊接特點和注意事項,另外從腐蝕的角度來看, 焊接接頭總是不銹鋼結構的薄弱環(huán)節(jié),實際上管道終的耐蝕水平是由焊工決定的,為了盡可能的取得良好的結果,焊接操作過程應當遵守一些基本規(guī)則?？偨Y出的SAF2205 DSS一些關鍵技術如下。

1)焊前準備  采用機加工制備試板坡口，用不銹鋼砂輪片打磨坡口及坡口兩側各30mm范圍，并用丙酮清洗，以除去氧化膜、油污。

2) 焊接方法  一般的焊接方法, 如焊條電弧焊、鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊埋弧焊等, 都可用于雙相不銹鋼的焊接。焊條電弧焊時常用的焊接工藝方法，其特點靈活方便，并可實現(xiàn)全位置焊接，因此焊條電弧焊時焊接修復的常用工藝方法。鎢極氬弧焊的特點時焊接質量優(yōu)良，自動化的焊接效率也較高，因此廣泛用于管道的封底焊縫及薄壁管道的焊接。鎢極氬弧焊的保護氣體通常采用純Ar，當進行管道封底焊時，應采用Ar+2%N2 或Ar+5%N2保護氣體，同時還應采用純Ar或高純N進行焊縫背面保護，以防止根部焊道的鐵素體化。熔化極氣體保護焊的特點時較高的熔敷效率，即可采用較靈活的半自動焊，也可實現(xiàn)自動焊。 

3) 焊材的選擇  對于焊條電弧焊，根據耐腐蝕性，接頭韌性的要求即焊接位置，可選用酸性或堿性焊條。采用酸性焊條時，脫渣優(yōu)良，焊縫光滑，接頭成形美觀，但是焊縫金屬的沖擊韌性較低，于此同時，為了防止焊接氣孔及焊接氫致裂紋需嚴格控制焊條中的含氫量。當要求焊縫金屬具有較高的沖擊韌度，并需進行全位置焊接時，應采用堿性焊條。另外，在根部封底焊時，通常采用堿性焊條，當對焊縫金屬的耐腐蝕性能有特殊要求時，還應采用超級雙相鋼成分的堿性焊條。對于實芯氣體保護焊焊絲，在保證焊接金屬具有良好的耐腐蝕性與力學性能的同時，還應注意其焊接工藝性能。對于藥芯焊絲，當要求焊縫光滑，接頭成形美觀時，可采用金紅石型或鈦-鈣型藥芯焊絲。當要求較高的沖擊韌度或在較大的拘束條件下焊接時，宜采用堿度較高的藥芯焊絲。對于埋弧焊焊絲，宜采用直徑較小的焊絲，實現(xiàn)中小焊接規(guī)范下的多層多道焊，以防止焊接熱影響區(qū)的脆化，與此同時，應采用配套的堿性焊劑，以防止焊接氫致裂紋。焊接材料要選用比母材含鎳量高的雙相鋼焊材, 確保焊縫中奧氏體相占優(yōu)勢,焊縫鐵素體含量控制在30%～45%為宜。

4) 焊接工藝參數的選擇 焊接線能量太大或太小都不好, 一般控制在0.5～2.5 kJ/cm范圍,其具體大小要根據焊件厚度選擇。一般焊接時不需要預熱, 但焊件壁厚過大或環(huán)境溫度過低時, 為防止冷速過快造成焊縫和熱影響區(qū)鐵素體含量過高, 必要時要采取預熱措施。為避免冷卻速度過低而引起析出相的產生, 多層/多道焊的層間溫度要控制。

5) 焊接熔池及背面的保護 氣體保護焊時保護氣體中加氮可以提高焊縫的耐蝕性。有效的背面氣體保護是保證焊接質量的前提, 保護氣體的純度應滿足工藝要求, 應采取有效的背面保護工裝,開始焊接時要對焊縫背面的氧含量進行檢測, 滿足工藝要求后才能開始焊接。

6) 定位焊縫 定位焊縫焊接時,如果長度過短,焊接未建立起平衡過程即結束,焊縫冷卻會很快,可能導致鐵素體含量過高、低韌性并因氮化物析出而降低耐腐蝕性能。因此, 如采用定位焊,對定位焊縫的短長度應進行規(guī)定, 且應采用較大熱輸入規(guī)范參數。 

7) 焊接過程材料的保護 材料表面的弧擊和起弧, 是一個瞬間的高溫過程, 冷卻速度很快,表面顯微組織中鐵素體含量很高, 這種組織對裂紋和腐蝕很敏感, 應盡力避免, 如果產生必須用細砂輪打磨去除?，F(xiàn)場焊接過程中材料的保護非常重要, 應避免碳鋼、銅、低熔點金屬或其它雜質對不銹鋼的污染, 可能情況下, 不銹鋼和碳鋼管應分開存放和焊接。焊接和切割過程中應采取措施防止飛濺、弧擊、滲碳、局部過熱等。

5 焊接工藝評定

5.1 SAF2205 雙相不銹鋼管焊接工藝指導書

SAF2205 雙相不銹鋼管焊接工藝指導書

焊接工藝評定報告

5.2 確定SAF2205 雙相不銹鋼管焊接工藝

 SAF2205雙相不銹鋼是現(xiàn)代雙相不銹鋼中的一種,用途廣泛,具有優(yōu)良的力學性能、耐蝕性能,以及良好的焊接性,在石油天然氣輸送、海洋工程、化學工業(yè)等行業(yè)具有廣闊的應用前景。石油和天然氣工業(yè)目前采用雙相不銹鋼材料鋪設的油氣輸送管線長度已超過850km ,絕大部分為2205DSS[1 ] 。西氣東輸某氣源工程由于輸送天然氣介質的腐蝕性強,高壓管道采用2205 雙相不銹鋼材料。雙相不銹鋼優(yōu)良的性能是靠適當比例的兩相組織來保證的,焊接工藝參數對焊縫的組織有很大的影響,合適的焊接工藝參數和一定的技術措施相結合才能保證焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能。鋼管制作焊接是關鍵工序之一;天然氣管道的現(xiàn)場施工,焊接是主要、關鍵的工作之一。本文對D508 ×1519mm 規(guī)格鋼管制管縱縫和現(xiàn)場環(huán)焊縫焊接工藝評定進行介紹。

5.2.1工藝評定試件的焊接

鋼管縱縫和環(huán)縫工藝評定試件分別采用Outo2kumpu 公司(原瑞典Avesta) 生產的1519mm 厚平板和D508 ×1519mm 鋼管,其主要合金元素是Cr 、Ni 、Mo 和N ,其重量百分比分別為: 22 %Cr、5 %Ni 、3 %Mo 和1.5 %N ,其顯微組織為具有大約50 %的鐵素體和大約50 %的奧氏體雙相組織,其主要力學性能值見表5-1。

表5-1 　工藝評定試件母材的力學性能(橫向)

鋼管縱縫焊接在鋼管制造廠進行,工藝評定試件焊接采用雙面埋弧焊方法,采用瑞典Sandvik 公司生產的埋弧焊和焊劑,焊接位置為45°固定,由于鋼管產品焊縫終要進行固溶處理,因此,工藝評定試件也進行相應的焊后固溶處理(加熱1050～1100 ℃,水淬) 。

鋼管環(huán)縫焊接在現(xiàn)場進行,工藝評定試件焊接采用單面焊, 采用鎢極氬弧焊( TIG) 打底+ 焊條電弧焊(SMAW) 填充和蓋面方法,使用瑞典Avesta 公司生產的氬弧焊絲和焊條,焊接位置為45°固定,試件焊后不進行熱處理。焊接規(guī)范采用適中的工藝參數。焊接工藝評定試件焊接主要條件見表5-2。

5.2.2工藝評定性能試驗結果及其分析

工藝評定性能按工程技術條件進行。試驗項目包括常規(guī)的接頭拉伸、導向彎曲和低溫(- 40℃) 夏比沖擊試驗、金相組織檢驗和腐蝕性能試驗。工藝評定主要性能試驗。

與奧氏體不銹鋼相比,2205DSS材料導熱系數線膨脹系數小,又包含兩種組織,因此熱裂傾向和變形小;與低合金高強鋼相比,因組織中含有約50%的奧氏體,因此冷裂紋傾向小。總之,2205DSS 可焊性良好。

雙相不銹鋼優(yōu)良的性能是靠適當比例的兩相組織來保證的。焊接工藝參數對焊縫的組織有很大的影響。焊接過程采用的線能量過低,工件冷卻速度過快,焊縫及熱影響區(qū)會產生過多的鐵素體和氮化物,從而降低焊接接頭的腐蝕抗力和韌性。另一方面,焊接過程采用的線能量過高,工件的冷卻速度過慢,焊縫及熱影響區(qū)可能析出金屬間相,也會使焊接接頭的腐蝕抗力和韌性降低。可見,合適的焊接工藝參數和一定的技術措施相結合才能保證焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能。

表5-2 　焊接工藝評定主要焊接條件

從表5-3 工藝評定試驗結果可以看出,焊接接頭的抗拉強度遠高于母材標準的下限要求( ≥620MPa) ,接頭拉伸性能不存在問題。接頭彎曲180°后受拉面完好,表明接頭的延塑性良好。焊接及熱影響區(qū)在- 40 ℃低溫下的夏比沖擊功,不但滿足一般≥27J 的要求,且滿足ASTMA923 標準≥34J 的要求。按ASTM G48 標準在6 %FeCl3 溶液進行的點蝕試驗表明,焊接接頭具有良好的耐氯離子局部腐蝕性能。焊縫和熱影響區(qū)均為鐵素體和奧氏體雙相組織,近縫區(qū)沒有出現(xiàn)單相鐵素體,也沒有發(fā)現(xiàn)金屬間析出相的產生。焊接熱影響區(qū)近縫區(qū)的鐵素體含量高為65 % ,滿足技術條件要求,可以保證塑韌性和耐蝕性。焊縫和熱影響區(qū)其他部位中的鐵素體含量為35 %～50 %,奧氏體相相對較多,對塑韌性和耐蝕性有利。由此可以看出,擬定的焊接工藝評定工藝規(guī)程正確,焊接工藝參數適當,評定結果滿足相關標準要求, 焊接接頭性能優(yōu)良。

表5-3工藝評定主要性能試驗結果

6   結  論 

2205 雙相不銹鋼具有良好的力學性能和耐腐蝕性能,應用前景廣闊。該材料的焊接有許多特點,掌握材料的焊接性能特點,采用適當的焊接工藝,保證了焊接工藝評定試件的性能。在生產過程中,根據工藝評定結果,通過制定詳細的工藝規(guī)程和工藝紀律,并在焊接施工過程中嚴格執(zhí)行,才能保證工程的焊接質量

(l)奧氏體化元素Ni和N在得到合理兩相比的方面，具有明顯的作用。

(2)合金元素、焊接熱循環(huán)和焊接工藝參數等都會對奧氏體和鐵素體兩相區(qū)產生影響，通過合理控制，可以獲得*的兩相組織。有害析出相通常是形成腐蝕失效的地方，需嚴格控制其析出形成。氫脆決定于焊接熱輸人的峰值溫度和周圍環(huán)境，通過合理控制可減小其發(fā)生的可能性。

(3)Dss焊接接頭的腐蝕性能是其應用的關鍵，與腐蝕電位、兩相比和冷卻速度等因素有關，通過合金元素和工藝參數控制，可以獲得較好的耐腐蝕性能。

總結出焊接此類鋼應注意以下幾點：

（1）合理選擇焊接材料，保證熔敷金屬的化學成分與母材相近，焊接時控制焊接熱輸入，可保證焊接接頭的耐蝕性能不會明顯降低。

（2）采用較小的焊接電流、多層多道焊接，控制焊接熱輸入，獲得的焊接接頭的力學性能與母材相近。

（3）控制道間溫度，焊接前不需要預熱，焊后材料可以不進行熱處理而保證接頭的物理和化學性能。

通過本次畢業(yè)設計,我學會了把很多專業(yè)知識有機統(tǒng)一地結合起來,同時也對我今后的學習和工作起到了很大的幫助和指導作用。

致  謝

由于本人專業(yè)理論知識和能力有限,以及生產實踐的缺乏,在本論文的設計和制作完成中查閱了大量的標準和參考文獻資料。同時也得到了有關老師和一些同學的大力幫助。

首先感謝我的導師吳金杰老師，本課題在選題及研究過程中得到吳金杰老師的悉心指導。吳金杰老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。吳金杰老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時三載，卻給以終生受益無窮之道。對吳金杰老師的感激之情是無法用言語表達的，在這里我向吳老師表示真誠的感謝。

感謝母?！幽蠙C電高等?？茖W校的辛勤培育之恩！感謝材料工程系給我提供的良好學習及實踐環(huán)境，使我學到了許多新的知識，掌握了一定的操作技能。

感謝蘇州米加尼克焊接技術有限公司,在我畢業(yè)實習期間,給我提供了大量的技術資料及實踐機會,使我把學校中的理論知識在現(xiàn)實生產中得以應用。

后，我非常慶幸在三年的的學習、生活中認識了很多可敬的老師和可親的同學，并感激師友的教誨和幫助！

參考文獻

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[7] 陸世英等不銹鋼[M] . 北京：原子能出版社.2002

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