焊接双相不锈钢2205-彭伟雄
2205双相不锈钢焊接工艺的实验研究
一
２１ 化 ３备 石油年 工 卷 ００ 第１ 与 设
２ ０ 双相不锈钢焊接 工艺 的实验研究 ２５
梁晓刚 ，达育清 ，闫科
（． １甘肃省聚合物配混改性成套技术及装备工程技术研 究中心 ，甘肃 兰州 ７ ０ ６ ） ３ ０ ０ （． ２天华化工机械及 自动化研究设计院 ，甘肃 兰 州 ７ ０ ６ ） ３ ０ ０
科 ，工程 师。
第 １ 期 ２
梁晓刚等
２ ０ 双相 不锈钢焊接工艺的实验研 究 ２５
一 ｌ一 ｌ
度 小于 １ ０Ｃ， 同 时施焊 过 程 中焊 条 不 允许 作 横 向 ０￣
摆动 。
（ ） 与 奥 氏体 不 锈 钢 焊 缝 相 反 ，接 触 腐 蚀 ３ 介质 的 焊缝 首先 焊 ， 不接 触 腐 蚀 介质 的焊 缝 最 后 焊 。 目的 是利 用 后 一道 焊 缝 对 前 一道 焊 缝 进 行 一 次 热 处 理 ，使 焊 缝 和 热 影 响 区 的 单 相铁 素 体组 织 转 为 奥 氏体 。如 果 要 求 接 触 介 质 的焊 缝 必 须 最 后 施焊 ， 则在 此 焊 缝 上 需加 一 道 工 艺焊 缝 ，工 艺 焊 缝焊 后必 须清 除掉 。 （ ）气 体 保 护 焊 时保 护气 中加 氮 可 以提 高 焊 ５ 缝 的 耐蚀 性 ，保 护 气 的纯 度 应 满 足 工 艺要 求 。应 采 取 有 效 的背 面 保 护 工 装 ，有 效 的背 面 保 护 是 保 证 焊接 质 量 的前提 。 （ ）双 相 不锈 钢 含 有 ５ ％左右 的铁 素 体 ， 同 ６ ０
样 也存 在４ ５ ７ ℃脆 性 ，但 不如 铁 素 体不 锈钢 那 样敏 感 。焊 接 时 为 了减 少 Ｏ相 脆 化和４ ５ ７ ℃脆 化 ，可 以 进 行 ９ ０ 固溶 处 理 ，获 得奥 氏体 一铁 素 体双 相组 ８℃ 织 的不锈 钢 。
双相不锈钢2205介绍
双相不锈钢2205(00Cr22Ni5Mo3N,S31803)介绍日期：2005-7-10 18:59:32来源: 点击:【推荐】【打印】【关闭】双相不锈钢2205的用途：用于炼油, 化肥,造纸,石油,化工等耐海水耐高温浓硝酸等的热交换器和冷淋器及器件。
双相不锈钢的主要代表牌号DSS一般可分为四类:低合金型--代表牌号是UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N）PREN值24～25中合金型--代表牌号是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N）,PREN 值32～ 33高合金型--标准牌号有UNS S32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N）,PREN 值38～39超级双相不锈钢型--标准牌号有UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N）,PREN值＞40(※ PREN 耐孔蚀指数PREN=Cr%+3.3×Mo%+16×N%)低合金型UNS S32304不含钼, 在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用.中合金型UNS S31803的耐蚀性能介于AISI 316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间.高合金型,一般含25%Cr,还含有钼和氮,有的还含有铜和钨,这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢.超级双相不锈钢型,含高钼和氮,有的也含钨和铜 , 可适用于苛刻的介质条件,具有良好的耐腐蚀与力学综合性能,可与超级奥氏体不锈钢相比美.代表牌号的主要化学成分━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━从表中可以看出: S 32205是由S31803派生出的钢种, 在ASTM A240/240M-99a标准中是在1999年才纳标的,它的Cr、Mo和N元素的区间都比较窄,容易达到相的平衡(即两相约各占一半), 改善了钢的强度,耐腐蚀性和焊接性能,多用于性能要求较高和需要焊接的材料,如油气管线等.4. 双相不锈钢的发展动向值得关注的是低合金含锰双相不锈钢的开发. 近十年来有关国家如美国,南非等研究以锰代镍双相不锈钢的开发,但除铸件外,所开发的新钢种多具有介稳的奥氏体,藉冷变形后马氏体的转变提高强度,很难作焊接件使用,也很难适应某些环境,例如会产生应力腐蚀的环境,这样使用很局限.近年瑞典开发的低锰低镍双相不锈钢则比较成熟,目标明确,为了节镍以取代用途很广的304,甚至可能代替价格与304相当,目前使用并不广的2304双相不锈钢,具有实际推广的价值,值得注意.瑞典Avesta Polarit AB 开发的LDX 2101 双相不锈钢(21.5%Cr, 5%Mn, 1.5%Ni, 0.22%N), 由于提高了钢中的氮,获得了稳定的奥氏体,相的平衡与组织稳定性都较好,对金属间相的析出不敏感,在析出最敏感的温度650℃,保温10h后的冲击值才降至50J，其组织稳定性较2205钢好。
双相不锈钢2205及焊接技术
双相不锈钢2205及焊接技术双相不锈钢2205双相不锈钢2205由瑞典AvestaPolarit公司生产,商业牌号是2205CodePlusTow,已纳入ASTM和ASME的A240和A480中,UNS编号为S32205,属于第二代双相不锈钢。
2205CodePlusTow与UNS编号为S31803的同种双相不锈钢2205有所不同,它提高了氮含量的下限,并通过有害金属相析出测试。
2205CodePlusTow具有更高的强度、耐蚀性和焊后冶金稳定性,焊接接头易于获得平衡的两相组织,高氮含量更有效抑制有害金属相的析出,这对焊接是非常有利的。
1 材料特性1.1 成分特点第二代双相不锈钢一般称为标准双相不锈钢,成分特点是超低碳、含氮,其典型成分为22%Cr+5%Ni+0.17%N(见表1)。
与第一代双相不锈钢相比,2205进一步提高氮含量,增强在氯离子浓度较高的酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点蚀性能。
氮是强烈的奥氏体形成元素,加入到双相不锈钢中,既提高钢的强度且不显著损伤钢的塑韧性,又能抑制碳化物析出和延缓σ相形成。
1.2 组织特点双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半数(双相不锈钢2205铁素体含量应为30%～55%,典型值是45%左右),兼有两相组织特征,见图1。
它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、缝隙及氯化物应力腐蚀的特点;又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。
图1 2205DSS 板材典型显微组织1.3 性能特点在性能上的突出表现是屈服强度高和耐应力腐蚀。
双相不锈钢比奥氏体不锈钢的屈服强度高近1倍,同样的压力等级条件下,可以节约材料。
比奥氏体不锈钢的线性热膨胀系数低,与低碳钢接近。
使得双相不锈钢与碳钢的连接较为合适,这有很大的工程意义。
锻压及冷冲成型性不如奥氏体不锈钢。
双相不锈钢2205的机械性能见表2。
2 焊接性双相不锈钢2205具有良好的焊接性,焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。
2205双相不锈钢焊接工艺及耐腐蚀性能分析
第49卷第1期2021年02月造船技术Zaochuan JishuVol.49No.1Feb.,2021文章编号：10003878(2021)01005705DOI：10.12225%.issn1000-387&2021.0120210113 2205双相不锈钢焊接工艺及耐腐蚀性能分析周弋琳12,陈阿静12,赵德龙12,包孔12,贾晨程12".上海振华重工(集团)股份有限公司，上海200125；2.上海海工装备智能焊接制造工程技术研究中心，上海200125)摘要：采用不同焊接工艺对2205双相不锈钢进行焊接，分析不同焊接工艺对焊接接头力学性能、微观组织及耐腐蚀性能的影响。
结果显示：在晶粒无明显长大时，焊缝及热影响区冲击韧性随奥氏体质量分数的增加而升高；采用熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Weldmg,GMAW)时，保护气体中加入N2可有效提高焊接接头各区域奥氏体质量分数，从而提高焊接接头力学性能及耐腐蚀性能；2205双相不锈钢母材及焊缝腐蚀速率均明显随腐蚀液质量分数的升高而增加。
优化双相不锈钢焊接工艺参数，保证其焊接接头具有良好的综合性能，对于该类材料构件及产品的制造、推广及使用意义重大。
关键词：2205双相不锈钢；GMAW；焊接工艺；耐腐蚀性能中图分类号：U671.83文献标志码：AAnalysis of Welding Technology and Corrosion Resistanceof2205Duplex Stainless SteelZHOU Yiln1-2,CHENAjing2,ZHAO Delong2,BAOKong2,JIA Chencheng12(1.Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd.,Shanghai200125,China； 2.Shanghai EngineeringResearch Center of Marine Equipment Intelligent Welding,Shanghai200125,China)Abstract:2205duplex stainless steel is welded with the different welding technologies,and the influences ofdi f erent weldingtechnologiesonthe mechanicalproperties,microstructure,andcorrosionresistanceofwelding joint are analyzed.The results show that：when the grain does not grow significantly,the impacttoughnessofweldandheat-a f ectedzoneincreaseswiththeincreaseofaustenitemassfraction；whentheGasMetal Arc Welding(GMAW)is used,adding N2into the protective gas can e f ectively increase the austenitemassfractionina l areasofweldingjoint,soastoimprovethemechanicalpropertiesandcorrosionresistanceofweldingjoint；thecorrosionrateofbasematerialandweldof2205duplexstainlesssteelincreasesobviouslywiththeincreaseofcorrosionliquidmassfraction.Itisofgreatsignificanceforthemanufacture,promotionanduseofcomponentsandproductsof2205duplexstainlesssteeltooptimizeitsweldingtechnologyparametersandtoensureitsweldingjointagoodcomprehensiveperformance.Key words:2205duplex stainless steel；GMAW;welding technology；corrosion resistance0引言2205双相不锈钢因具有较高强度、韧性、耐腐蚀性能等而被广泛应用于造船、造纸、石油化工、海工装备制造、海水与废水处理等行业，是目前应用最广泛的双相不锈钢口双相不锈钢中铁素体相"相)与奥氏体相"相)约各占一半，以充分利用奥氏体不锈钢的优良韧性和焊接性，以及铁素体不锈钢的高强度和优良的耐腐蚀性3。
2205双相不锈钢的焊接工艺规程
2205双相不锈钢的焊接工艺规程双相不锈钢的焊接工艺规程随着工业技术的不断发展，奥氏体不锈钢已经不能满足应力腐蚀、点腐蚀和缝隙隧洞式腐蚀的要求。
为此，冶金工作者研制出了双相不锈钢，它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，成为一种可焊接的结构材料。
双相不锈钢的固溶组织中铁素体相和奥氏体相各约占50％，一般量少相的含量也需要达到30%。
在含C较低的情况下，Cr含量在18%-28%，Ni含量在3%-10%。
有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti，N等合金元素。
该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。
与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间副食和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。
双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。
双相不锈钢的应用范围不断扩大，除了在石油化工领域中用于、管道和零部件等，还在一般民用工程和能源交通方面得到广泛应用，如桥梁、飞机、船舶、汽车以及沿海城市和化工区的装饰建筑等。
双相不锈钢的发展经历了三代历程，我国的应用也在逐步增加。
在正确控制化学成分和热处理工艺的基础上，双相不锈钢的焊接工艺规程也得到了不断完善。
1.1.1 石油和天然气工业石油和天然气工业是国外应用双相不锈钢的主要领域之一，目前已铺设了1000公里的油气输送管线。
国内只有南海油田少量使用，且全部进口。
另外，西气东输工程在考虑使用双相不锈钢焊管作为集气管线，国内已有条件生产和制造。
炼油工业是最早使用国产双相不锈钢的部门之一。
在南京、镇海、天津、济南等炼化公司中，多集中使用双相不锈钢于常减压蒸馏塔的塔顶衬里（或复合板）、塔内构件、空冷器和水冷器等，最长的使用时间已达20年。
___是我国最大的炼油基地，加工能力为1600万吨，已进入世界百强，冷凝冷却系统中多套设备使用双相不锈钢。
2205双相不锈钢的研制
2205双相不锈钢的研制2205双相不锈钢是一种低镍、低钼、高氮双相不锈钢，其相比例大概在1：1左右，相比较其他节约型双相不锈钢相平衡较好，力学性能高，室温屈服强是304的2倍左右，耐点蚀性能与普通奥氏体不锈钢304和316L合金相当，在中等腐蚀环境中如石化、造船、建筑、净化水、化工等诸多领域得到较广泛的应用。
但其热加工塑性较差，热加工时在表面及边部易产生裂纹，严重影响了其板面质量。
据一些研究者指出，双相不锈钢的热塑性主要与双相不锈钢的纯净度、Creq/Nieq当量比、相界结合力、组织成分、加热制度、轧制工艺等有关系，通过精确控制这些因素可以生产出质量较好的2205双相不锈钢板材。
1.2205双相不锈钢工艺控制流程工艺流程控制东方特钢2205双相不锈钢生产工艺为：电炉→AOD→LF→连铸→加热→热轧→退火处理→酸洗→包装。
在初研制2205双相不锈钢板卷时边部边裂严重、表面质量差，严重影响了板卷的表面质量和成材率。
通过严格控制冶金成分、Creq/Nieq当量比、微合金元素含量、内部质量、铸坯组织、合理的热加工工艺及退火工艺制度，成功研制出了2205双相不锈钢板卷，表1是2205双相不锈钢主要化学成分。
2. 影响2205双相不锈钢热加工性能的因素2.1严格控制2205双相不锈钢内部质量据很多国内外研究表明严格控制双相不锈钢内部质量有利于热加性能的改善，双相不锈钢内部夹杂主要与硫、氧有关，这两种元素主要以低熔点MnS和Al2O3复合夹杂物存在，由于这些夹杂物的存在导致热加工塑性较差，加工时易在杂质的周围形成应力集中点，进而对2205双相不锈钢的热加工塑性产生不利影响，当硫的含量大于30ppm、氧大于50ppm时双相不锈钢的热加工性能较差，边部及表面易产生裂纹，经工艺改进可以把硫含量控制在10ppm以下，而氧可以控制在30ppm以下。
通过添加稀土、钙和硼元素来提高2205双相不锈钢的热加工塑性，稀土、钙主要和O及S形成CaO和Ce2O3，CaS ，CeS 及LaS 等物质，来提高钢的纯净度、净化晶界、改性杂质、改善杂质的分布、细化组织进而来提高2205双相不锈钢的热加工塑性。
2205双相不锈钢焊接和焊后热处理工艺
2205双相不锈钢焊接和焊后热处理工艺研究摘要：采用了等离子弧焊（PAW）打底+钨极氩弧焊（TIG）盖面和等离子弧焊（PAW）打底+熔化极氩弧焊（MIG）盖面两种焊接工艺焊接2205双相不锈钢，并对焊接接头进行了固溶处理，对采用两种焊接工艺的焊件进行金相组织、铁素体-奥氏体两相比例、力学性能以及耐点腐蚀性检测。
结果表明，两种焊接工艺都可以保证焊接接头的各项性能均能满足技术要求，TIG焊盖面的焊接接头铁素体含量低于MIG 焊盖面，且冲击韧性也于优于MIG焊盖面，而MIG焊盖面的焊接接头的耐点腐蚀性能优于TIG焊盖面。
关键词：2205双相不锈钢TIG焊MIG焊力学性能点腐蚀一、引言双相不锈钢是由奥氏体和铁素体两相组成，当两相比例约为50％时，双相不锈钢将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使其兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点。
2205双相不锈钢是20世纪70年代首先由瑞典研制成功，材料牌号为SAF2205，属于第二代双相不锈钢。
中国在80年代初开始研究相当SAF2205的00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢，它是一种典型的含N、超低碳、双相铁素体—奥氏体不锈钢，它具有较高的屈服强度（为奥氏体不锈钢的二倍）及良好的塑性，有良好的低温冲击性能，优良的耐应力腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀性能；与奥氏体不锈钢相比，具有导热系数大、线膨胀系数小、可焊性好、热裂倾向小、钢中含镍量较小、价格相对便宜等优点，使其广泛应用于化工、石油能源及海洋等领域，是目前应用最普遍的双相不锈钢材料。
本实验分别采用了两种不同焊接方法进行对比，在焊后对焊接接送进行了热处理，研究了焊接和热影响区组织及性能变化和奥氏体-铁素体相比例对其的影响。
二、实验材料和实验方法1、实验材料实验采用太原钢铁公司生的2205双相不锈钢，其化学成分和力学性能如表1和表2所示。
2205双相不锈钢试板的尺寸为160mm×320mm×10mm。
双相不锈钢焊接
2205双相不锈钢焊接1、初步焊接试验为了了解2205双相不锈钢的性能特点，进行了初步焊接试验，对拟采用的GTAW方法打底、SMA W填充并盖面组合焊接方法焊接接头的理化性能进行测试，初步掌握其力学性能水平，同时对这两种焊接方法的工艺性能进行了解，为制定管道现场焊接工艺方案提供依据。
1.1 试验材料试验母材为瑞典Avesta公司生产的12mm板材，焊材为英国曼彻特公司生产的2205双相不锈钢配套焊材ULTRAMET 2205包括氩弧焊焊丝和手弧焊焊条。
1.2 试验过程及结果对试件加工单面V型坡口，坡口角度65°，钝边尺寸0.5～1.0mm，焊前用丙酮对剖口及其两侧进行清洗，然后进行焊接，焊条在焊前进行了烘干处理，试样、焊接记录已给管材所提供。
1.3 试验结论通过试验可以得出如下初步结论：（1）采用的GTA W方法打底、SMA W填充并盖面组合焊接方法得到的焊接接头的强度、塑性、硬度良好，铁素体含量适中（按WRC图计算），韧性不高，略高于ASTM A923要求的34J；（2）化学成分中抗点蚀元素含量较低，与母材不匹配，尤其是N含量较低。
（3）采用的GTA W方法打底、SMAW填充并盖面组合焊接方法，焊接及背面采用纯氩保护，焊接工艺良好，焊缝背面成型质量好，酸性焊条的电弧稳定、脱渣性良好，无气孔产生，这种组合方法可以在管道施工中应用。
（4）采用的GTA W方法打底、SMA W填充并盖面组合焊接方法，如果背面不加气体保护，焊缝背面严重氧化、焊缝金属表面发渣，成型很差。
可见，采用GTAW打底焊，如果背面不采取气体保护，或者保护效果不良，焊缝成型很差，焊缝及热影响区氧化严重，将严重影响其耐蚀性，背面气体有效保护的实施是2205双相不锈钢管道焊接质量的关键。
（5）采用SMAW打底＋SMA W盖面工艺，如果背面不加气体保护，成型较好，但焊缝背面氧化也比较严重。
通过点蚀试验证明，这种氧化色对焊接接头的抗点蚀性能没影响，对背面确实无法通气保护的收口焊缝和焊缝返修可以考虑使用该工艺。
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双相不锈钢2205焊接广东火电工程总公司彭伟雄摘要：文章针对2205双相不锈钢的性能特点，分析了双相不锈钢2205的焊接工艺要点，制定了采用国产焊接材料的焊接工艺,并介绍了现场焊接工艺过程,证明了使用国产焊接材料能达到产品要求。
关键词：双相不锈钢；2205；焊接1.引言广东惠州平海发电有限公司2台1000MW机组配套建设一套海水反渗透（SWRO）系统的海水淡化装置，此装置为广东省首套海水淡化处理装置。
海水淡化系统中反渗透系统高压海水管道、所有阀门及其他与海水相关的附件均采用了价格昂贵的国外进口双相不锈钢材料，其中海水采用#2205双相不锈钢，浓水采用#2507（S32760）超级双相不锈钢，在现场安装过程中，双相不锈钢管道安装需进行现场焊接,规格为Φ273×11.7, Φ325×11.7等。
双相不锈钢2205由瑞典AvestaPolarit公司生产,商业牌号是2205CodePlusTow,已纳入ASTM和ASME的A240和A480中,UNS编号为SS2205,属于第二代双相不锈钢。
2205CodePlusTow与UNS编号为S31803的同种双相不锈钢2205有所不同,它提高了氮含量的下限,并通过有害金属相析出测试。
2205CodePlusTow具有更高的强度、耐蚀性和焊后冶金稳定性,焊接接头易于获得平衡的两相组织,高氮含量更有效抑制有害金属相的析出,这对焊接是非常有利的。
2.材料特性2.1 成分特点第二代双相不锈钢一般称为标准双相不锈钢,成分特点是超低碳、含氮,其典型成分为22%Cr+5%Ni+0.17%N(见表1)。
与第一代双相不锈钢相比,2205进一步提高氮含量,增强在氯离子浓度较高的酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点蚀性能。
氮是强烈的奥氏体形成元素,加入到双相不锈钢中,既提高钢的强度且不显著损伤钢的塑韧性,又能抑制碳化物析出和延缓σ相形成。
进口焊接材料Sandvik22.8.3.L, Avesta2205AC/DC的化学成分亦见表1.国产锦泰焊接材料ER2209焊丝与焊条化学成分为:C:0.01~0.05（%），Si:0.76%, Mn:3.6%,P:0.021%,S :0.26%,Ni:22.94% ,Cr:8.67%, Mo:3.09% N:0.16。
化学成分与进口焊接材料相当。
2.2组织特点双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半数(双相不锈钢2205铁素体含量应为30%～55%,典型值是45%左右),兼有两相组织特征,见图1。
它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、缝隙及氯化物应力腐蚀的特点;又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。
图1 2205DSS 板材典型显微组织2.3 性能特点在性能上的突出表现是屈服强度高和耐应力腐蚀。
双相不锈钢比奥氏体不锈钢的屈服强度高近1倍,同样的压力等级条件下,可以节约材料。
比奥氏体不锈钢的线性热膨胀系数低,与低碳钢接近。
使得双相不锈钢与碳钢的连接较为合适,这有很大的工程意义。
锻压及冷冲成型性不如奥氏体不锈钢。
双相不锈钢2205的机械性能见表2。
3 焊接性双相不锈钢2205具有良好的焊接性,焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。
通常焊前不预热,焊后不热处理。
由于有较高的氮含量,热影响区的单相铁素体化倾向较小,当焊接材料选择合理,焊接线能量控制适当时,焊接接头具有良好的综合性能。
3.1 热裂纹热裂纹的敏感性比奥氏体不锈钢小得多。
这是由于含镍量不高,易形成低熔点共晶的杂质极少,不易产生低熔点液膜。
另外,晶粒在高温下没有急剧长大的危险。
3.2 热影响区脆化双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝,而在热影响区。
因为在焊接热循环作用下,热影响区处于快冷非平衡态,冷却后总是保留更多的铁素体,从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹(脆化)的敏感性。
3.3 铁素体475℃脆化双相不锈钢含有50%左右的铁素体,同样也存在475℃脆性,但不如铁素体不锈钢那样敏感。
4 焊接冶金双相不锈钢焊接过程中,在热循环的作用下,焊缝金属和热影响区的组织发生着一系列的变化。
在高温下,所有的双相不锈钢的金相组织全部由铁素体组成,奥氏体是在冷却过程中析出的。
奥氏体析出的多少受诸多因素的影响。
4.1 相比例要求双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性能取决于焊接接头能否保持适当的相比例,因此,焊接是围绕如何保证其双相组织进行的。
当铁素体和奥氏体量各接近50%时,性能较好,接近母材的性能。
改变这个比例关系,将使双相不锈钢焊接接头的耐蚀性能和力学性能(尤其是韧性)下降。
双相不锈钢2205铁素体含量的最佳值是45%。
过低的铁素体含量(<25%)将导致强度和抗应力腐蚀开裂能力下降;过高的铁素体含量(>75%)也会有损于耐蚀性和降低冲击韧性。
4.2 相比例影响因素焊接接头中铁素体和奥氏体的平衡关系既受到钢中合金元素含量的影响,又受到填充金属、焊接热循环、保护气体的影响。
4.2.1 合金元素的影响根据研究和大量试验发现,母材中含氮是非常重要的。
氮在保证焊缝金属和焊后热影响区内形成足够量的奥氏体方面具有重要作用。
氮和镍一样是形成奥氏体和扩大奥氏体元素,但是,氮的能力远远大于镍。
在高温下,氮稳定奥氏体的能力也比镍大,可防止焊后出现单相铁素体,并能阻止有害金属相的析出。
由于焊接热循环的作用,自熔焊或填充金属成分与母材相同时,焊缝金属的铁素体量急剧增加,甚至出现纯铁素体组织。
为了抑制焊缝中铁素体的过量增加,采用奥氏体占优势的焊缝金属是双相不锈钢的焊接趋势。
一般采取在焊接材料中提高镍或是加氮这两条途径。
通常镍的含量比母材高出2%～4%,例如,2205填充金属的镍含量就高达8%～10%。
用含氮的填充材料比只提高镍的填充材料效果更好,两种元素都可以增加奥氏体相的比例并使其稳定,但加氮不仅能延缓金属间相的析出,而且还可提高焊缝金属的强度和耐蚀性能。
目前,填充材料一般都是在提高镍的基础上,再加入与母材含量相当的氮。
4.2.2 热循环的影响双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头内的组织有影响,无论焊缝还是热影响区都会有相变发生,这对焊接接头的性能有很大影响。
因此,多层多道焊是有益的,后续焊道对前层焊道有热处理作用,焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体,成为以奥氏体占优势的两相组织;毗邻焊缝的热影响区中的奥氏体相也相应增多,且能细化铁素体晶粒,减少碳化物和氮化物从晶内和晶界析出,从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。
也正是由于焊接热循环的影响,双相不锈钢焊接时要求与介质接触的焊道应先焊接,这一点与奥氏体不锈钢焊接顺序的要求恰恰相反。
4.2.3 工艺参数的影响焊接工艺参数即焊接线能量对双相组织的平衡也起着关键的作用。
由于双相不锈钢在高温下是100%的铁素体,若线能量过小,热影响区冷却速度快,奥氏体来不及析出,过量的铁素体就会在室温下过冷保持下来。
若线能量过大,冷却速度太慢,尽管可以获得足量的奥氏体,但也会引起热影响区的铁素体晶粒长大以及σ相等有害金属相的析出,造成接头脆化。
为了避免上述情况的发生,最佳的措施是控制焊接线能量和层间温度,并使用填充金属。
4.2.4 保护气体的影响钨极氩弧焊时,可在氩气中加入2%氮气,防止焊缝表面因扩散而损失氮,有助于铁素体与奥氏体的平衡。
5 焊接工艺5.1焊接材料的选择：由于进口焊接材料Sandvik22.8.3.L, Avesta2205AC/DC价格昂贵，500元/KG，而国产锦泰焊接材料ER2209焊材才100元/KG，因此考虑经济因素，采用国产锦泰焊接材料是满足要求的。
SS2205焊丝采用国产TGS-2209，Φ2mm，焊条TS-2209，Φ3.2mm。
5.2坡口加工：采用坡口机或专用磨光片进行加工；坡口单面角度不得小于35度，焊接时焊缝应留2~3mm左右间隙，焊口钝边1－2mm。
5.3、施焊前将坡口及两侧20mm范围内的污物、油垢、水渍等清除干净。
5.4、双相钢不允许自熔焊，焊接时必须填充焊丝；管道焊接时使用背部保护措施。
背部保护采用99.9%氩气＋2%氮气，保护气体流量在5－15L/min。
5.5、打底焊接采用TIG，填充金属为Φ2mm双相钢焊丝，电流在80A左右，焊接速度50－70 mm/min。
用TIG焊接第二遍时，为防止二次反加热，第二遍焊道一定要饱满，焊接速度不能快。
焊接参数见表3.表3 双相钢2205焊接参数5.6、所有焊缝不能一次成型，每道焊缝必须根据焊材的厚度分3－4层焊接完成。
每层焊接完成后，必须等待焊缝温度下降至100℃以下时方可进行下一层的焊接。
在急的情况下，采取水冷方式如图2。
图2 采取水冷方式冷却5.7、焊缝层与层之间必须清理，清理时采用SS刷子（220目）；所有焊缝必须进行酸洗。
5.8、双相钢管材、管件在焊接前应使用铁素体检测仪进行基础参数检测，以确认本批次双相钢材料的铁素体含量基础参数，供焊接完成后，与焊缝铁素体含量对比。
6 检验结果6.1 焊接工艺评定按JB4708—2000进行焊接工艺评定,平均抗拉强度高达782MPa,塑性断裂在热影响区;4支侧弯试样无裂纹出现。
6.2 相比例评定金相法观察到的组织形貌是白色奥氏体基体上分布有浅灰色条状、块状铁素体。
经评估,焊缝铁素体含量约为30%;热影响区为50%～60%;母材为40%～45%。
采用国产焊接材料，经过严格的工艺措施，使焊缝品质达到了使用要求，而且合格率100%。
图3现场双相钢金相检验7、经济效益分析7.1直接经济效益在整个工程中，使用了380KG焊接材料，采用国产焊接材料替代进口焊接材料，光此一项就节约了380×400=15.2万元.7.2无形经济效益此次海水淡化为广东省首台机组,双相钢也是首次在火电机组中出现,我们通过此次的工艺探索,使我们熟练掌握了双相钢的焊接技术,培养了一批焊接技术人才,同时也为公司在以后的双相不锈钢焊接领域赢得了好的名声,增强了公司的竞争实力。
8.结束语工程实践证明:采用过产ER2209的焊丝和焊条,采取严格的工艺措施，能够与进口焊接材料一样获得平衡的双相组织,达到产品的使用要求。
此次工艺探索的成功，为以后的双相钢焊接积累了丰富的经验。
参考文献：1.许适群，王菁辉．双相不锈钢性能的探讨[J]．石油化工腐蚀与防护，2006，23(5)：21—22.2.杨晔晖，关凯书. 2205双相不锈钢焊接接头裂纹失效机理分析.压力容器. 2007,第24卷第12期.26~28.3.广东火电双相不锈钢焊接工艺评定.。