双相不锈钢焊接的主要问题是“使用焊接性”,因为双相不锈钢对焊接热裂纹、冷裂纹不敏感。但经过焊接之后,热影响区(HAZ)紧邻熔合线的部分,铁素体晶粒急剧长大,奥氏体消失,形成单相铁素体组织,塑性和韧性极低;再加上早期的双相不锈钢碳含量较高,因而在粗大的铁素体晶界容易析出碳化物,导致耐应力腐蚀、点腐蚀和晶间腐蚀性能下降。


 超低碳双相不锈钢的出现,再加上氮作为奥氏体形成元素的发现,促进双相不锈钢焊接接头热影响区,在高温下形成的单相铁素体冷却时,发生逆转变并形成足够的奥氏体,从而既改善了焊接热影响区的塑性、韧性,同时又保持了双相钢的抗应力腐蚀、点腐蚀的优良特性。尽管新型的超低碳含氮的双相不锈钢的焊接性得到了实质性的改善,但是双相钢的供货状态、使用的焊接材料、焊接工艺及参数等仍然是焊接接头耐腐蚀性性能、力学性能,即使用焊接性是关键。



一、双相不锈钢供货状态对焊接性的影响


 双相不锈钢对焊接的适应性,随着化学成分和生产工艺的变化,而发生着显著变化。首先,现代双相不锈钢必定含有足够的氮,以促进焊接热影响区由高温形成的单相铁素体在冷却过程(980℃以上)形成适量的奥氏体,从而改善其使用焊接性。因此,钢中的氮含量是保证热影响区性能的重要因素。第二,供货状态的双相不锈钢,应当严格控制铁素体和奥氏体的相比例。现代双相不锈钢从改善焊接性角度出发,钢中铁素体控制在40%~50%,即铁素体可少于奥氏体或者说不应超过50%.这样就可以防止焊接时热影响区中铁素体过分长大和缩小形成单相铁素体组织的范围。所以说,作为焊接结构用双相不锈钢,供货状态即应保证铁素体的最佳含量。第三,双相不锈钢的生产厂家还要注意,对钢材出厂前进行最终热处理时,要尽可能加速冷却通过980℃~700℃的温度范围;或者水淬前,在此区间板材空冷不要超过1mm深。这样做是为防止焊接过程中,形成有害的。相、X相和碳氮化合物,以保证热影响区的力学性能和耐腐蚀性能。


 此外,实际制造结构用的钢材的化学成分和生产过程的冶金条件应当是相同的,以满足焊接工艺的要求。



二、双相不锈钢的配套焊接材料


 双相不锈钢焊接的目标是使焊缝和热影响区(HAZ)的韧性、塑性和耐蚀性与母材金属相同。由于焊接的特点,焊缝金属凝固和随后的冷却速度很快,焊缝采用与母材相同的化学成分时在高温形成单相的铁素体组织,来不及像母材那样在1050℃~1100℃保温并水淬处理,发生部分铁素体转变为奥氏体的过程。因此,对于焊后直接使用的双相不锈钢结构,使用的焊接材料的化学成分与母材不同,镍含量要高于母材的镍含量。对双相钢2205和超级双相钢2507,如表2-8所示,相应的焊接材料的镍含量分别是8%~9%和9%~10%,提高了镍含量焊材的焊缝在焊后状态即可形成20%以上的奥氏体(F≤80),使焊缝的综合性能可与母材性能匹配。


表 8.jpg


 另一方面,双相不锈钢的焊接结构,在焊后可进行固熔退火的,其焊接材料则可以采用与母材成分相同的焊材,因为在(1050℃~1100℃)固溶退火时焊缝中的铁素体将有部分转变为奥氏体,形成平衡的铁素体+奥氏体双相焊缝,达到与母材匹配的性能。但是,如焊后要对焊件进行1050~1100℃的固溶退火的可能性很小,通常大部分结构是在焊态下使用的,所以要求配套焊材为高氮焊接材料是合理的。部分双相不锈钢焊接材料见表2-8。



三、双相不锈钢的焊接性能


   1. 双相不锈钢焊缝相(铁素体相与奥氏体相)比例


 焊缝在焊后自然冷却条件下,由于相对于母材,熔池体积很小,其冷却速度很快,熔化的焊缝金属沿着热传导方向,向焊缝中心呈柱状、树枝状结晶。这时结晶方向性很明显,并发生合金元素的偏析,组织不稳定,在随后的冷却过程中,容易发生组织转变和析出金属间相。如前所述,双相和超级双相不锈钢焊后直接使用(不进行焊后固溶热处理),配套焊材其镍含量比母材高约2%,故其焊缝组织的奥氏体含量比母材的高(为60%~70%)。


  在正常的焊接参数和焊后自然冷却条件下,配套的焊材的焊缝金属可以达到要求的相比例,(FN=30%~70%),焊缝的力学性能、耐腐蚀性能可以适应双相钢的要求;但是当采用的焊接热输人较小或焊缝截面厚,焊后冷却速度较快,焊缝中的铁素体的转变来不及充分进行,那么焊缝中的铁素体可能会超过70%.另一方面,热输入过大,或者填充的焊接材料较少,就可能加大母材的(熔化)稀释作用,从而降低焊缝金属的镍含量,同样会使焊缝中的铁素体量增高,出现铁素体量过高的现象。较高的铁素体通常表现为,低韧性和耐腐蚀性欠佳。在焊后自然冷却状态下如不能防止焊缝中高铁素体含量时,通常采取固溶(1050℃~1100℃)退火处理,使焊缝像母材一样,通过热处理达到较为理想的相比例。所以焊接双相不锈钢,事先一定要根据板厚和焊接方法选择合适的焊接热输入,以及确定焊后是否进行热处理。


 双相不锈钢的焊接要力求使焊缝金属、热影响区金属与基体金属具有相同的韧性、相同的抗腐蚀性能,焊接时应防止生成过多的铁素体。如果焊接工艺能够保证焊缝金属、热影响区金属的奥氏体、铁素体比例为50/50,就能使产品具有很好的抗蚀性能与机械性能。


  2. 双相不锈钢焊接时,可能会遇到的问题


    a. 铁素体含量过高,从而降低了韧性,导致开裂;


    b. 热影响区晶粒长大;


    c. 相(铁素体相与奥氏体相)形成比例不佳,碳化物析出导致抗腐蚀性降低;


   d. 氮铬化合物析出,导致抗腐蚀性能降低。


  3. 克服上述问题的方法


    a. 选择含镍高的焊材(焊丝);


    b. 控制热量输人速率;


    c. 多层焊时,控制层间温度小于200℃。



四、双相不锈钢的焊接方法及工艺要点


   1. 双相不锈钢的焊接方法


   双相不锈钢的焊接方法与奥氏体不锈钢相似,焊接方法应根据焊件结构厚度及相关条件的经济性来选择。可以选用的焊接方法有:手工焊(SMAW),气体保护钨极电弧焊(GTAW),气体保护金属(熔化)极电弧焊(GMAW),药芯焊丝电弧焊(FCAW),埋弧焊(SAW),等离子电弧焊(PAW)。


   对于不锈钢管焊接常用的焊接方法有:钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极气体保护焊(GMAW)、等离子弧焊(PAW)和埋弧焊(SAW)。


  2. 双相不锈钢的焊接工艺要点


    a. 预热和层间温度


     除了在大拘束度下可能引起高铁素体组织(焊缝、热影响区)开裂(氢致裂纹)之外,双相不锈钢和超级双相不锈钢不需要预热。对于大拘束度焊件推荐预热到150℃。对于23%Cr无Mo双相不锈钢和22%Cr双相不锈钢,层间温度不应超过200℃。对25%Cr双相不锈钢和超级双相不锈钢,层间温度不应超过150℃。为了获得最佳的焊缝金属性能,超级双相不锈钢推荐使用的最高预热温度为100℃。在采用焊后固溶处理的情况下,不要求限制层间温度。


   b. 焊后热处理


     双相不锈钢需要焊后消除应力处理,且进行这样的热处理可能是有害的。因为它可使双相不锈钢析出金属间相,降低韧性和耐蚀性。但如果由于焊件处于高应变状态或存在导致耐腐蚀性降低和塑性降低的有害相变,使焊件质量降低,这样的焊件通常应该进行固溶处理。23%Cr无Mo双相不锈钢和22%Cr双相不锈钢应该在1050℃~1100℃的温度下进行固溶热处理。而25%Cr双相不锈钢和超级双相不锈钢要求固溶处理的温度为1070℃~1120℃。当匹配的焊缝金属的化学成分(Ni=8%~10%)高于焊件化学成分时,应该选择给定的温度上限。加热应该尽可能地快,固溶退火之后立即进行水淬。焊后热处理最有效的加热方法是感应加热。保温时间 5min~30min,应该足以恢复相平衡,包括金属间相(特别是σ和X相)的溶解。


   c. 清理和钝化


     焊后的表面清理及焊缝附近的酸洗钝化处理可采用标准不锈钢的清理作业。


 3. 保持焊后抗腐蚀性能的方法


    a. 控制焊接时焊料的飞溅物、杂质、氧化物的形成,因为这些物质会降低抗点蚀与抗间隙腐蚀的能力。


    b. 如果可能,焊后应清洗焊缝及周围区域;如果不可能清洗,则在焊接时,应控制保护气体的含氧量在10×10-6~25×10-6之间。为了加强熔化极气体保护焊(GMAW)的电弧稳定性及金属渗透性,可在保护气氩气中添加少量的二氧化碳或氧气。双相不锈钢气体保护焊焊接用的保护气体见表2-9。


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   c. 应采取背面保护,焊管则应通入内保护气体。