2205雙相不銹鋼的焊接工藝

1. 概述

雙相不銹鋼是目前國(guó)外應(yīng)用朂普遍的鋼種，此鋼種在20世紀(jì)70年代首先由瑞典研制成功，材料牌號(hào)為SAF2205，對(duì)應(yīng)的美國(guó)牌號(hào)為UNSS31803，它是一種典型的含N、超低碳、雙相鐵素體-奧氏體不銹鋼。

由于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼經(jīng)常遇到晶間腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕及應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕的破壞，雙相不銹鋼綜合了奧氏體和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的韌性、強(qiáng)度及優(yōu)良的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能，在-50~280℃之間具有很好的力學(xué)性能。

奧氏體不銹鋼接頭有良好的塑性和韌性，但是導(dǎo)熱性能差，線膨脹系數(shù)大，焊接應(yīng)力和變形都比較大；普通鐵素體不銹鋼熱導(dǎo)性能和線膨脹系數(shù)都小于奧氏體不銹鋼，并且有較高的強(qiáng)度及耐氯離子應(yīng)力腐蝕性能，但是塑性較差，并存在475℃脆化和δ相析出脆化以及高溫晶粒粗化脆化現(xiàn)象。雙相不銹鋼的應(yīng)用正是基于奧氏體和鐵素體的優(yōu)點(diǎn)并更大限度地減少了兩相的缺點(diǎn)。它具有良好的導(dǎo)熱性能，熱膨脹系數(shù)低，因此焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，抵抗熱裂紋的能力優(yōu)于奧氏體鋼，從根本上解決了抗晶間腐蝕問(wèn)題。

2. 雙相不銹鋼的焊接性

雙相不銹鋼具有與奧氏體不銹鋼同樣優(yōu)良的焊接性。與奧氏體不銹鋼焊接相比較，焊縫的熱裂紋傾向?。慌c鐵素體不銹鋼焊接相比，焊前不需要預(yù)熱，焊后不需要熱處理，綜合力學(xué)性能也較鐵素體不銹鋼好，尤其是塑韌性，不像鐵素體不銹鋼那樣對(duì)脆性敏感。但雙相不銹鋼的焊接關(guān)鍵主要表現(xiàn)為通過(guò)選擇填充金屬和焊接參數(shù)，來(lái)控制焊縫金屬和熱影響區(qū)鐵素體和奧氏體的相比例達(dá)到均衡。

（1）焊接方法 常規(guī)的幾種焊接方法均能滿足雙相鋼的焊接要求。本次試驗(yàn)選擇了焊條電弧焊、鎢極氬弧焊兩種常用焊接方法，分別進(jìn)行管-管對(duì)接焊接試驗(yàn)，通過(guò)控制焊接參數(shù)，采取有效工藝措施。

（2）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用的母材為SAF2205（國(guó)內(nèi)牌號(hào)：022Cr23Ni5Mo3N）雙相不銹鋼，其力學(xué)性能和化學(xué)成分如表1和表2所示，將φ159mm×8mm管子單邊開(kāi)30°坡口，鈍邊1mm，管-管對(duì)接。在鎢極氬弧焊中使用純氬作為保護(hù)氣體。

（3）焊接參數(shù)的選擇 雙相不銹鋼焊接的關(guān)鍵是如何選擇焊接參數(shù)，來(lái)保證獲得良好的接頭相比例。焊接熱輸入大小直接影響著焊縫和熱影響區(qū)中鐵素體的含量。熱輸入太小，不利于奧氏體的析出；熱輸入太大，則會(huì)引起合金元素Cr、Ni、Mo的燒損，導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能下降、力學(xué)性能劣化，不能得到良好的相組織。

當(dāng)焊接電流過(guò)大，冷卻速度過(guò)快，會(huì)使得焊接熱影響區(qū)和焊縫的鐵素體含量偏高，對(duì)耐腐蝕性能和力學(xué)性能也是不利因素。然而冷卻速度太慢也會(huì)使中間相析出，引起組織的不平衡，同樣對(duì)耐腐蝕性能和力學(xué)性能不利。因此，通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)以得到更佳熱輸入，獲得更佳的接頭相比例和性能。

（4）焊接工藝 該雙相不銹鋼的焊接對(duì)接頭污染較敏感，任何類型的油污及水分都會(huì)影響材料的鐵素體含量，降低抗腐蝕性能及接頭力學(xué)性能，因此在焊接前要對(duì)坡口兩側(cè)50mm處進(jìn)行嚴(yán)格清理。

通過(guò)合理控制焊縫熱輸入以及層間溫度，可以使得更多的奧氏體析出，保證焊接接頭的鐵素體含量和力學(xué)性能。

3. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）鐵素體含量 雙相不銹鋼焊縫中鐵素體和奧氏體含量的平衡對(duì)焊縫的力學(xué)性能和抗蝕性能有著重要的影響，因此為了評(píng)估結(jié)構(gòu)的工作性能，需要測(cè)定焊縫的兩相含量。采用鐵素體檢測(cè)儀檢測(cè)了母材和熱影響區(qū)的鐵素體含量

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接熱輸入的大小對(duì)焊接接頭兩相比例影響較大。S12-01、S12-04試驗(yàn)冷卻速度過(guò)快，奧氏體不能及時(shí)析出，影響焊接接接頭兩相含量，鐵素體含量較低；S12-15、S12-16兩組試驗(yàn)調(diào)整焊接工藝，減緩冷卻速度，熔池在凝固過(guò)程中有足夠時(shí)間使得焊縫中的有害物質(zhì)析出，朂終能夠達(dá)到良好的兩相比例。

（2）金相組織分析 雙相不銹鋼的金相組織為鐵素體+奧氏體，試驗(yàn)選取S12-15、S12-16對(duì)焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材進(jìn)行金相分析。焊接接頭進(jìn)行取樣、機(jī)械拋光、采用5%FeCl3鹽酸水溶液浸蝕

（3）力學(xué)性能試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)：拉伸試驗(yàn)按照GB/T228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》實(shí)施，測(cè)定焊接接頭拉伸時(shí)的抗拉強(qiáng)度。

彎曲試驗(yàn)：彎曲試驗(yàn)按照GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，試驗(yàn)形式為面彎、背彎，彎曲試驗(yàn)結(jié)果。

沖擊試驗(yàn)：沖擊試驗(yàn)按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。使用工藝評(píng)定試件取5mm×10mm×55mm的小尺寸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，要求一套試樣取自焊縫金屬，另一套試樣取自熱影響區(qū)，每套試樣應(yīng)由三個(gè)試件組成。

4. 結(jié)語(yǔ)

（1）焊接過(guò)程中的熱輸入和冷卻速度對(duì)鐵素體和奧氏體的相比例有一定影響。減緩冷卻速度，熔池在凝固過(guò)程中有足夠時(shí)間使得焊縫中的有害物質(zhì)析出，使得鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，達(dá)到相比例平衡。

（2）如果熔池保護(hù)效果差，容易導(dǎo)致焊縫組織中的氮含量過(guò)多，從而使鐵素體含量降低。熱輸入過(guò)大會(huì)引起熔敷金屬及熱影響區(qū)的晶粒粗大，韌性較差，熔敷金屬中鐵素體的含量亦隨之減小。

（3）在實(shí)際焊接中，必須保證層間溫度不高于工藝試驗(yàn)設(shè)定的層間溫度。當(dāng)焊接量很大時(shí)，應(yīng)合理地安排焊接順序以保證焊縫層間有足夠的冷卻時(shí)間，這樣既能保證層間溫度, 又能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

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