雙相不銹鋼焊接

1、關于雙相不銹鋼的焊接第1頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 30年代：法國最先研制出雙相不銹鋼，呈鐵素體和奧氏體雙相組織狀態(tài)，具有獨特的耐腐蝕性和較好的力學性能。但雙相不銹鋼的相組成比例難以控制及焊接困難，工業(yè)應用受到限制。 40年代：美國開發(fā)出第一代雙相不銹鋼329鋼，耐腐蝕性能好，但含碳量較高（0.1%），含鉬和鉻都較高，焊接性不好； 50年代：蘇聯(lián)開發(fā)含穩(wěn)定元素鈦的雙相不銹鋼，德、法、英、日等國也相繼開發(fā)出雙相不銹鋼； 60年代：瑞典開發(fā)出最具代表性的第一代雙相不銹鋼超低碳（0.03%）雙相不銹鋼，3RE60鋼，使焊接接頭塑性、韌性和耐腐蝕性顯著改善。 2.1 雙相不

2、銹鋼的發(fā)展概況第2頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 70年代：開發(fā)出第二代雙相不銹鋼，即在超低碳的基礎上含氮雙相不銹鋼，并含有鉬、銅、硅等耐蝕性元素。包括18Cr型、22Cr型及25Cr型，如瑞典開發(fā)的SAF2205等。 80年代：研發(fā)的超級雙相不銹鋼（SuperDSS）為第三代雙相不銹鋼，含碳量低（c0.010.02%）、高鉬（Mo4%）、高氮（N0.3%），鋼中鐵素體含量4045%，耐點蝕系數大于40。成功解決了Cr-Ni奧氏不銹鋼容易出現(xiàn)的孔蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞等問題。第3頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四雙相不銹鋼的發(fā)展歷程可概括為“產量低、

3、增速快”。2002年全球雙相不銹鋼年產量約占不銹鋼總產量的1%，但到了2009年這一比例上升到了15%，這種高增長的原因在于：一是質量具備可靠性；二是成本具備經濟性。目前雙相不銹鋼被廣泛應用于工業(yè)設備制造和工程項目建設。如：煉油行業(yè)中的催化裂化裝置、加氫處理裝置、油氣輸送管線；化工行業(yè)中的氯乙烯生產裝置；運輸行業(yè)中的海上化學品船；造紙行業(yè)中的漂白設備、建筑行業(yè)中的結構件；核電行業(yè)等。第4頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四雙相不銹鋼的主要應用領域(1)中性氯化物環(huán)境 雙相不銹鋼在中性氯化物環(huán)境中應用廣泛，在加工制造過程中，通常使用少量的含有氯離子的溶液作為冷卻水，從而導致普通

4、的奧氏體不銹鋼(例如 AISI 304/316)有產生應力腐蝕的傾向，而雙相不銹鋼可以很好的解決這一問題，尤其適用于由孔蝕引起的應力腐蝕開裂的環(huán)境。衡量耐腐蝕性的好壞通常用孔蝕當量指數 PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%表示，其中雙相不銹鋼 PRE 值大于 24，而奧氏體 PRE 小于 20。(2)石油和天然氣工業(yè) 20 世紀 80 年代以來，雙相不銹鋼在酸性氣和油的生產中用量逐漸增多，主要用作生產管襯里、熱交換器以及岸上和近海的管道系統(tǒng)等。尤其在石油和天然氣的生產中，雙相不銹鋼多數面臨的主要是酸性環(huán)境，即含有大量 Cl, CO2和一些 H2S 的環(huán)境。在含 Cl的濕 CO惡性環(huán)境中，雙相

5、不銹鋼是一種理想材料的首選，可耐高流速的磨損腐蝕，比加緩蝕劑的碳素鋼及不銹鋼更能抵抗高流速的磨損腐蝕，并用于井上管道系統(tǒng)，可以減少大量的材料重量。第5頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四(3)海水環(huán)境 海水是自然環(huán)境中腐蝕性最強的一種介質，尤其在金屬表面粘附著微生物薄膜時將產生腐蝕電位增加，同時也增加了孔蝕和縫隙腐蝕的傾向。就熱海水而言，目前大多使用超級雙相不銹鋼，例如，用 SAF2507 超級雙相不銹鋼制造的海水交換器，使用 3 年未發(fā)現(xiàn)腐蝕，而鈦管由于不耐 F腐蝕，只能用 3 個月。(4)紙漿和造紙工業(yè) 雙相不銹鋼在紙漿和造紙工業(yè)中的發(fā)展應用中已經有 40 多年的歷史了，

6、3RE60雙向不銹鋼最早就是在這一領域起步應用的。除 3RE60 鋼外，其它雙相不銹鋼如UR45N (SAF2205)、UR47N (00Cr25Ni6.5Mo3N)、UR52N+(00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN )等都應用在各工業(yè)領域。由于雙相不銹鋼具有優(yōu)秀的力學性能，以及耐磨損腐蝕、耐應力腐蝕以及耐疲勞腐蝕性能好等特長，所以在制造紙漿和工業(yè)用的造紙木屑預蒸器、造紙壓力滾筒、連續(xù)式和間歇式紙漿蒸煮器和回收設備中都取得了良好的應用效果。第6頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四(5)化肥工業(yè) 尿素工業(yè)也是最早使用雙相不銹鋼的部門之一，其裝置中含氯離子水的熱交換設備使用得

7、較多，例如尿素裝置中 CO2壓縮機三段冷卻器原先使用 304L 奧氏體不銹鋼管束，l 個月后即因應力腐蝕破裂而導致泄漏，而雙相不銹鋼可用 5 年以上，隨后一、二段冷卻器也都換用了 185Mo 或 SAF2205 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，很適合用于制造尿素生產的關鍵設備甲按泵泵體。國產的 00Cr25Ni6Mo2N 雙向不銹鋼能夠通過 Huey 法的晶間腐蝕傾向的檢驗，已用于洞庭氮肥廠（五柱塞式）、黑龍江化肥廠等大型化肥廠。國內中一些小化肥廠的甲按泵泵體基本上采用 185Mo 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 JI

8、S 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優(yōu)惠。此外，采用國產 0Cr25Ni6Mo3CuN 時效強化雙相不銹鋼，利用其優(yōu)異的耐磨損腐蝕性能，用于加工多種規(guī)格的尿素裝置主工藝管路高壓截止閥的內件等，能起到不錯的效果。第7頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四(6)運輸業(yè) 最近幾年海上化學品運輸船行業(yè)是國外最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，要求船艙材料既能耐腐蝕，又有較高的強度和優(yōu)良的塑性。目前，SAF2205 雙相不銹鋼已取代 316L和 317L 等奧氏體不銹鋼，成為

9、海上化學品船的首選材料。我國在這方面起步較晚，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 SAF2205 鋼板，自行制造成功第一艘 18500t 化學品船，鋼板消耗量大約 1200t，已出口比利時。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。第8頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 2.2.1 主要成分：Cr、Ni、Mo、N。其中， Cr、Mo鐵素體形成元素 Ni、N 奧氏體形成元素 N主要固溶強化元素 Cr、Mo、N提高耐氯化物點蝕性能 耐點蝕當量：PREN=(Cr)+3.3 (Mo)+ 16 (N) 正常含Mo雙相不銹鋼： PREN=30

10、36 超級雙相不銹鋼： PREN402.2 雙相不銹鋼的成分、組織和性能第9頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四根據成分和PREN值分類： 低合金型，23%Cr無Mo雙相不銹鋼：Cr:23% Ni:4% N:0.1-0.2% PREN=2425 中合金型，22%Cr標準雙相不銹鋼：Cr:22% Ni:5-5.5% Mo:3% N:0.14-0.17% PREN=3036 高合金型，25%Cr+(0-2.5%)Cu雙相不銹鋼：Cr:25-27% Ni:4-7% Mo:1.5-3.3% N:0.15-0.25% PREN=3240 25%Cr超級雙相不銹鋼：Cr:25-26% N

11、i:6-7% Mo:3.5-4% N:0.25-0.28% PREN40第10頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四不銹鋼的PREN值的比較第11頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 2.2.2 組織 相（鐵素體）+相（奧氏體）雙相組織，其中相與相的體積分數之比（/）約各占50%。其中：鐵素體提供高的屈服強度、耐氯化物應力腐蝕性能； 奧氏體提供好的韌性和耐全腐蝕性能。 相含量過高引起脆化； 相含量過高降低耐應力腐蝕性能。 2.2.3 性能 1)具有良好的耐氯化物應力腐蝕的能力； 2)具有良好的抗點蝕和縫隙腐蝕性能，優(yōu)于奧氏體不銹鋼； 3)有良好的耐腐蝕疲勞和耐

12、磨損腐蝕性能；第12頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 4)綜合力學性能好。有較高的強度（包括疲勞強度），屈服強度是普通Cr-Ni奧氏體不銹鋼的2倍； 5)焊接性好，熱裂傾向小。一般不需要焊前預熱和焊后熱處理，可與18-8型奧氏體不銹鋼及碳鋼進行異種鋼焊接； 6)低鉻（Cr18%）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，高鉻（Cr25%）的雙相不銹鋼熱加工比18-8型奧氏體不銹鋼困難； 7)雙相不銹鋼比18-8型奧氏體不銹鋼加工硬化效應大； 8)與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的熱導率大，線脹系數小； 9)仍有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆化傾向，不宜在高于3

13、00C的溫度下使用。若含鉻量較低，脆性相析出危害性較小。第13頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四第14頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四第15頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的性能主要受鐵素體和奧氏體比例的影響，奧氏體和鐵素體各占50%時，具有良好的耐腐蝕性和焊接性。在平衡狀態(tài)下，兩相的比例主要由鋼中的合金元素，即鉻當量和鎳當量來決定。 Creq=Cr+Mo+1.5Si Nieq=Ni+30C+N+0.5Mn第16頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 2.3.1 焊縫凝固與奧氏體形成 母材組

14、織：(50%)V相+(50%)V相，其中相呈長條狀分布在相基體中。 焊縫組織：焊接熔化后形成鑄態(tài)組織。2.3 雙相不銹鋼的焊接冶金第17頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四Fe-Cr-Ni偽二元相圖： 液態(tài)下凝固：L 冷卻到1300： 在固態(tài)下在晶粒邊界形核和生長。 冷卻到室溫：+ 其中，相的形態(tài)和數量：化學成分 冷卻速度 基于TTT圖：冷卻速度增加相含量減少。 在焊縫快速冷卻條件下形成的相，一般呈魏氏組織形態(tài)。第18頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四第19頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四第20頁，共72頁，2022年，5月20日，7

15、點5分，星期四第21頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四合金元素的作用： 合金元素直接影響焊縫金屬的組成，Creq越大，Nieq越小，焊縫中奧氏體含量越少。 合金元素在鐵素體和奧氏體所占的比例也不一樣。焊接參數的作用： 由于焊接參數影響到冷卻速度，即影響到合金元素的擴散，所以，也影響到合金元素在兩相中的分配，焊接線能量越大，冷卻速度越慢，由于擴散比較充分，鐵素體向奧氏體轉變進行的就比較充分，奧氏體含量增加，合金元素在兩相中的含量差別也會拉大。析出相的問題： 析出相會影響到焊縫金屬中的力學性能及耐腐蝕性。第22頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 A.當焊縫成

16、分與母材相同時：降低焊縫的冷卻速度。 冷卻速度過快時，焊縫中相含量不足，而相含量可超過80%，導致焊縫韌性下降，氫脆敏感性增加。 B.當焊縫的冷卻速度難以降低時，提高焊縫中Ni、Mn、N等奧氏體形成元素含量，其中N的作用最為顯著。 通過焊縫過合金化，促使相增加，使焊縫獲得與母材同樣的組織。 N對轉變的作用：（由TTT圖） 例如：焊縫和母材為獲得60%+40%的雙相組織：要求焊縫0.219%N，而母材只需0.141%N。 注：焊縫中相體積分數一般推薦為22-70%。為獲得足夠的耐腐蝕性并避免氫致裂紋，相最大含量應限制在60%。第23頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四焊縫室溫組

17、織預測： Schaeffler圖：鐵素體含量的精度4% DeLong圖：鐵素體含量的精度2% WRC1992組織圖美國焊接研究委員會推薦 第24頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0. 5Mn%舍夫勒組織圖 第25頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0. 5Mn%德龍圖第26頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 2.3.2 熱影響區(qū)的組織轉變 早期雙相不銹鋼：焊后

18、HAZ中相含量過高，甚至接近單相組織（60%時，+雙相的點蝕電位處于純相與純相之間； Fe60%時， +雙相的點蝕電位與純相和純相基本相同。 注：Fe增加時，對應的Cr、Ni相應減少。第60頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 組織對點蝕的影響 隨著相含量的增加，點蝕電位開始時增加較快，當相達到40%后則基本不變。 注：Fe含量降低時，即合金含量提高時，點蝕電位降低。A：低鐵系列合金（Fe50%）B：高鐵系列合金（Fe=68-70%）第61頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 冷卻速度對點蝕的影響 隨著含N量增加，點蝕電位提高，但與冷速有關。 N=0.13%

19、時，冷速對SCE影響顯著。冷卻快：析出大量Cr2N，SCE低；冷卻慢：基本沒有析出Cr2N，SCE高。 N=0.25%時，冷速快慢Cr2N基本沒有析出，故對SCE沒有影響。結論：含N量較低的雙相鋼，其點蝕電位（SCE）對冷卻速度很敏感， 因此焊接含N量較低的雙相不銹鋼時，要嚴格控制冷卻速度。第62頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 思考題：分析在不同的冷卻速度條件下，雙相不銹鋼的含N量對相和Cr2N析出相體積分數的影響規(guī)律。第63頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 為了獲得滿意的/比，以及最佳的力學性能與耐腐蝕性能的組合，通常需要控制兩個因素： 因素1：

20、焊縫化學成分填充金屬，保護氣體，母材稀釋率等 因素2：接頭冷卻速度熱輸入量，層間溫度，材料厚度等 2.5.1 焊接方法的選擇 無填充金屬的TIG焊 A.純Ar氣體保護時： 含N量較低(0.130%N)： 相90% 含N量較高(0.396%N)： 相43% 注：合適的體積分數為20-60%。2.5 雙相不銹鋼焊接工藝特點第64頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 B.Ar+N2混合氣體保護時： 可通過保護氣體使焊縫增N，以獲得合適的含量。 焊接含N量0.16%的一般雙相鋼：應在Ar中加1.0-1.2%N； 焊接含N量0.25%的超級雙相鋼：應在Ar中加2.0-2.5%N。 注：焊接單面焊的根部焊道時，建議采用Ar+N2混合氣體TIG焊。第65頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 無填充金屬的電子束焊 不能通過氣體向焊縫增N，只能焊接含N量高(0.4%N)的雙相鋼。第66頁，共72頁，2022年，5月20日，7點5分，星期四 2.5.2 填充材料的選擇 在不加填充材料的TIG、電子束焊接過程中，N元素的損失無法通過填充金屬進行補充，引起焊縫中相嚴重不足而使組織和性能惡化，因此，通常采用有填充材料的焊接方法。 A.填充材料選擇原則： 為保證焊態(tài)下焊縫組織具有合適的 /比，應選擇比母材具有