雙相不銹鋼焊接實(shí)踐

雙相不銹鋼焊接實(shí)踐摘要：針對(duì)雙相不銹鋼焊接的工藝，采用合適的焊接工藝，優(yōu)化焊接接頭的微觀組織和化學(xué)成分達(dá)到雙相不銹鋼的使用性能。關(guān)鍵詞：雙相不銹鋼；焊接工藝1.0導(dǎo)言?shī)W氏體-鐵素體雙相不銹鋼（DSS）是它的金相微觀組織中同時(shí)具奧氏體和鐵素體的不銹鋼，理論上這兩相分別各占50%，當(dāng)然實(shí)際上，其中的一個(gè)相的組分不低于35%，也是可以接受的。由于具有這種微觀組織和相應(yīng)的化學(xué)成分，奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼和鐵素氏體不銹鋼相比，具有較高的機(jī)械性能和優(yōu)良的抗腐蝕能力。所以，近年來(lái)它被廣泛用于石油天然氣、食品和飲料加工、生物醫(yī)藥、海水淡化、紙漿及造紙等行業(yè)的設(shè)備制造和管線工程中。在使用這種鋼材的過程中，必然包含焊接工序，如何保證此種鋼材的焊接接頭（包括焊縫金屬和熱影響區(qū)）仍然具有與母材相同的機(jī)械性能和優(yōu)良的耐蝕能力是焊接工作者面臨的重要問題。只有通過采用合適的焊接工藝，優(yōu)化焊接接頭的微觀組織和化學(xué)成分才能達(dá)到上述的要求。在石油和煉油工業(yè)的許多工程應(yīng)用中，雙相不銹鋼（DSS）是首選材料，它結(jié)合了鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼（SS）在正確焊接時(shí)的特性。如果焊接不當(dāng)，形成有害金屬間相的可能性會(huì)急劇增加，這可能導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。當(dāng)比較（DSS）和不銹鋼時(shí)，DSS比奧氏體不銹鋼更耐應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）；此外，（DSS）韌性通常優(yōu)于鐵素體不銹鋼，但不如奧氏體不銹鋼。DSS是基于鐵-鉻-鎳（Fe-Cr-Ni）體系的兩相合金。這些材料的微觀結(jié)構(gòu)中通常包含大約等量的體心立方（bcc）鐵素體相和面心立方（fcc）奧氏體相。有充分的證據(jù)表明，當(dāng)鐵素體與奧氏體的相平衡為50:50時(shí)，整個(gè)DSS焊件的耐蝕性和機(jī)械性能得以實(shí)現(xiàn)。然而，由于金屬化學(xué)、焊接工藝和鋼的熱循環(huán)過程等諸多因素的作用，在焊接件中實(shí)現(xiàn)鐵素體與奧氏體（a鐵素體fY奧氏體）的50:50相平衡已被證明是困難的。經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)表明，當(dāng)整個(gè)焊接件中保持35%至60%的鐵素體含量時(shí)，DSS具有最佳的耐腐蝕性和機(jī)械性能。2.0焊縫金屬DSS對(duì)合金元素成分的變化非常敏感，特別是那些控制相平衡的元素，例如，控制鐵素體形成元素的鉻和鉬；控制奧氏體形成元素的鐐和氮。DSS有三個(gè)基本類別：根據(jù)它們的抗點(diǎn)蝕當(dāng)量（PREN）進(jìn)行分組，可分為低合金、中合金和高合金或超雙相不銹鋼（SDSS）等級(jí)，最廣泛使用的雙相不銹鋼是：2205+和SDSS等級(jí)的2507。DSS優(yōu)良的耐蝕性和機(jī)械性能歸因于它含有足夠的鉻、鎳、鉬和氮，使得形成了鐵素體與奧氏體的雙相組織。DSS與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的鎳含量相對(duì)較少，DSS依靠高鉻和高鉬的結(jié)合而獲得良好的抗氯化物點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能，這是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。3.0最佳的相平衡在進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮附訒r(shí)，DSS的最終鐵素體含量將決定焊件是否能滿足工程對(duì)耐腐蝕性和機(jī)械性能的要求。鐵素體的存在賦予DSS具有優(yōu)越的抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂性（CSCC）和高的機(jī)械強(qiáng)度。隨著DSS中奧氏體含量的增加，機(jī)械強(qiáng)度將降低，耐蝕性和抗CSCC能力將提高。因此，鐵素體含量的寬限值應(yīng)規(guī)定在合理范圍內(nèi)，并應(yīng)作為很重要的控制指標(biāo)。當(dāng)需要低溫沖擊性能時(shí)，必須小心控制鐵素體含量。當(dāng)鐵素體含量超過約60%時(shí)，韌性和抗點(diǎn)蝕性能將顯著降低。很多試驗(yàn)證明，鐵素體含量低于35%時(shí)，可能會(huì)對(duì)韌性行為產(chǎn)生負(fù)面影響，并且由于凝固模式的改變，導(dǎo)致金屬間相的偏析和析出，而令抗應(yīng)力腐蝕能力降低。雙相不銹鋼初始凝固時(shí)完全為鐵素體，在隨后冷卻過程中，部分鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體，如果冷卻速度足夠慢，則奧氏體得到充分轉(zhuǎn)變，就可以達(dá)到理想的相平衡。同樣重要的是，要在700-980°C的中間溫度范圍內(nèi)足夠快地冷卻，以避免形成金屬間相，例如Sigma等。盡管由成分確定的填充金屬的鐵素體百分比很重要，但在確定焊縫中的最終相平衡時(shí)，還有許多其他因素具有相同或更大的影響。只關(guān)注填充金屬中的鐵素體含量還是不夠的。其他需要考慮的因素包括不正確的冷卻速度、母材稀釋（這可能會(huì)提高鐵素體百分比）、不正確的弧長(zhǎng)，或極低的熱量輸入（這會(huì)導(dǎo)致快速冷卻和極高的鐵素體含量）。因此，進(jìn)行焊接工藝評(píng)定以找出最適合實(shí)際工況的焊接參數(shù)是得到最佳相平衡的最重要的措施。近來(lái)氮在焊縫金屬中的含量被認(rèn)為影響焊縫金屬相平衡的重要因素，它促進(jìn)了奧氏體的形成。在雙相不銹鋼中，氮含量通常在0.15到0.18%之間，在超級(jí)雙相不銹鋼中，氮含量通常在0.22到0.28%之間。用氫氣促護(hù)氣體進(jìn)行GTAW焊接時(shí)，氮會(huì)從熔池中流失，而使產(chǎn)生鐵素體含量較多的鐵素體，使焊接接頭的耐蝕性能下降。所以，我們建議使用保護(hù)氣體進(jìn)行焊接的工藝，在保護(hù)氣體中注入適量的氮?dú)?。雖然母材和焊縫金屬中通常會(huì)出現(xiàn)30-65%的鐵素體，熱影響區(qū)中也會(huì)出現(xiàn)30-70%的鐵素體，但經(jīng)驗(yàn)表明，35-60%的鐵素體可提供最佳結(jié)果。圖1說明鐵素體含量如何影響DSS材料的理論圖。點(diǎn)劃虛線表示在含氯化物的溶液中腐蝕速率與材料中鐵素體百分比的關(guān)系。鐵素體含量低于35%后，腐蝕速率顯著上升，高于35%時(shí)腐蝕速率相對(duì)下降，鐵素體含量在35飛5%之間時(shí)，腐蝕速率可以接受，在50%時(shí)腐蝕速率最低。藍(lán)色實(shí)心曲線表示在環(huán)境溫度下沖擊能量與DSS中鐵素體百分比的關(guān)系。沖擊能量在較低的鐵素體水平達(dá)到最大值，直到含有約60%的鐵素體時(shí)，沖擊能量開始顯著降低。1fl10 ?3?4?umgoHWP*re*ntFtrrit*%一言.flEWW 》(?■*，花：yc0?ot。。圖1:雙相不銹鋼的腐蝕速率及沖擊能量與它的鐵素體含量百分比的關(guān)系（點(diǎn)劃慮線是腐蝕速率曲線；藍(lán)色線是沖擊能量曲線）4.0析出的機(jī)理DSS合金在大約1425°C開始，主要以鐵素體的形式凝固，并通過固態(tài)反應(yīng)在較低溫度下部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。如果冷卻速度很快，不少鐵素體來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，從而在室溫下產(chǎn)生過多的鐵素體相。因此，雙相不銹鋼焊縫的冷卻速度必須足夠慢，以允許約50%的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然而，冷卻速度也須達(dá)到一定的程度，以防止形成金屬間相和有害的顯微組織或者奧氏體相含量過高，使得機(jī)械性能下降，所以合適地控制冷卻速率是很重要的。焊接不同截面尺寸或具有非常低熱量輸入的重型截面時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不需要的相。高合金含量和鐵素體基體的存在使得DSS容易脆化，并且由于在高溫下長(zhǎng)時(shí)間暴露而喪失機(jī)械性能，特別是韌性。適當(dāng)水平的氮會(huì)延遲Sigma的形成，但不能阻止它。研究表明，對(duì)于氮含量在0.14%到0.20%之間的2205合金，在870C的可用溫度下，大約有五分鐘的暴露時(shí)間。形成的Sigma后會(huì)導(dǎo)致韌性和耐腐蝕性的顯著損失。

2010erysl&l5tgregation：flip-flop(-CL^QajolidiLicatiQiiprji呻ryca阿段$專Eramsfoimaboan2010erysl&l5tgregation：flip-flop(-CL^QajolidiLicatiQiiprji呻ryca阿段$專Eramsfoimaboannilridss(CrNrCr3N)Bph?i斡X-phatcsajwdajycarbides<e-phase(Cu)ot>precipitation(47&6C-enibrit1lenien|)rssidusJsiressescausedbyduplexmiiMslfuctur&10 wt-%Cr2D wt，％Ni圖2含鐵量約為70%的Pseudo-binaryFe-Cr-Ni相圖Alpha-prime是一種脆化相，在鉻含量超過16%的鐵素體不銹鋼中形成，也在DSS的鐵素體相中形成，當(dāng)暴露在400°C至500°C的溫度下，峰值脆化發(fā)生在475°C。這種現(xiàn)象通常被稱為475C脆化，并導(dǎo)致室溫延展性和韌性的嚴(yán)重?fù)p失。在475C下脆化的時(shí)間可以從含低氮量和大量鐵素體的DSS的幾分鐘到含低鐵素體和高氮量的合金的幾小時(shí)不等。對(duì)于AlphaPrimer脆性而言，ASME規(guī)范將DSS限制在315C的工作溫度上限，而其他標(biāo)準(zhǔn)（如一些歐洲規(guī)范）將焊接合金2205限制在溫度為250C以下使用。中國(guó)承壓設(shè)備有關(guān)規(guī)范亦規(guī)定雙相不銹鋼只能在250C以下使用。需要注意的是：合金化程度較高的雙相不銹鋼，即超級(jí)雙相不銹鋼，如2507它析出的風(fēng)險(xiǎn)更高。Pseudo-Binary相圖（圖2）是DSS金相特性的路線圖，可用于推斷發(fā)生析出反應(yīng)和其他特征與溫度的關(guān)系（見表1）。表1：雙相不銹鋼（DSS）典型的析出溫度范圍雙相不銹鋼（DSS）

相變階段溫度。。凝固溫度范圍1445-1385在空氣中開始起氧化層的溫度1000Sigma相析出溫度700-975碳化物析出溫度450-800475°C脆性轉(zhuǎn)變溫度350-5255.0雙相不銹鋼的焊接雙相不銹鋼很很容易通過所有普通的電弧焊接方法進(jìn)行焊接。理想情況下，焊接雙相不銹鋼的目的是使焊接金屬和熱影響區(qū)具有與母材相同的機(jī)械性能和耐腐蝕性。通常，首先要確保所訂購(gòu)和接收的雙相不銹鋼母材具有合符標(biāo)準(zhǔn)要求的化學(xué)成分，并處于正常的供貨狀態(tài)。如果所接收的母材含氮量低或含有少量的有害相，則可能無(wú)法對(duì)其進(jìn)行焊接并獲得令人滿意的機(jī)械性能和耐腐蝕能力。另外，如果鉻的氮化物和金屬間化合物在焊件的熱影響區(qū)過份析出，焊接熱影響區(qū)性能則顯著劣化，則不可能用焊后熱處理方法去除這些氮化物和金屬間化合物，唯一的補(bǔ)救措施是只能切去焊縫和熱影響區(qū)，并重新焊接。因此建議對(duì)每種焊接工況都進(jìn)行包括最終鐵素體含量測(cè)定、沖擊功及耐腐蝕試驗(yàn)的焊接工藝評(píng)定，以得到合格的工藝評(píng)定報(bào)告，采用合適的焊接坡口、填充金屬、焊接輸入熱、層間溫度、保護(hù)氣體組成等焊接參數(shù)指導(dǎo)實(shí)際焊接施工。5.1焊接接頭焊接接頭設(shè)計(jì)的選擇應(yīng)符合以下準(zhǔn)則：與316L鋼相比，雙相不銹鋼流動(dòng)性差，其焊接溶深小，這會(huì)降低焊接速度，所以它需要有較大的坡口角度，稍大的根部間隙和較小的鈍邊高度。它應(yīng)該很容易實(shí)現(xiàn)充分焊透。應(yīng)方便于焊工觀察熔渣形成和熔池狀況。應(yīng)提供足夠的背襯氣體保護(hù)，以避免對(duì)耐腐蝕性或機(jī)械性能有害的根部缺陷。應(yīng)避免過度的橫向擺動(dòng)和較寬的熔池，以防止過高的熱輸入和高應(yīng)力。應(yīng)避免極低的熱輸入和快速淬火，以防止熱影響區(qū)中鐵素體含量過高。盡量用機(jī)械方法制備焊接坡口，如果用等離子或激光切割方式制造坡口，則應(yīng)用機(jī)械方式把進(jìn)行焊接的表面磨削掉2mm。5.2選用合適的填充金屬為保證焊縫的金相組織得到理想比例的奧氏體相，選用的焊接填充金屬的化學(xué)成分一般要求與母材相似，且要求鎳含量要比母材的鎳含量要高3-5%。但鎳含量亦不能太高，以防止雙相不銹鋼熔敷金屬中奧氏體相含量過高，而鐵素體含量偏低，致降低了它的機(jī)械性能。此外，填充金屬中含有氮是有好處的，氮是奧氏體形成元素，希望在雙相不銹鋼熔敷金屬中含有0.14-O.20%的氮。5.3保護(hù)氣體為了補(bǔ)充氣體保護(hù)焊的熔池中氮的流失，建議在保護(hù)氣體中加入氮?dú)?。?yīng)注意的是：焊接DSS和SDSS的保護(hù)氣體中的氮含量與母材中的氮含量是不同的、對(duì)于含有0.16%氮的DSS，其焊接保護(hù)氣體應(yīng)含有1.0-1.2%的氮?dú)?；?duì)于含有0.25%氮的SDSS，其焊接保護(hù)氣體應(yīng)含有2.0-2.5%的氮?dú)?。但是也需注意的是，如果保護(hù)氣體中的氮?dú)獗壤^建議值，則保護(hù)氣體中的氮?dú)夥謮撼^熔池中的分壓，熔池中的氮?dú)馑綄⑸?，這將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生富含奧氏體的焊縫金屬，會(huì)降低了焊縫金屬的機(jī)械強(qiáng)度。另外，如果液態(tài)焊接熔池中的氮含量超過氮在固化焊縫金屬中的溶解度的極限，則“多余”的氮將試圖在固化時(shí)從熔池中逸出，這可能是在保護(hù)氣體含氮量大于2%的情況下，對(duì)雙相不銹鋼進(jìn)行GTAW焊接時(shí)觀察到有氣孔的實(shí)際原因。在保護(hù)氣體中加入一定比例的氦氣，可通過增加電弧電壓以產(chǎn)生更熱的電弧保護(hù)氣體中氦氣的最佳比例為20-40%，從而可以提高焊速約20%，實(shí)則上變成提高了焊接生產(chǎn)力。5.4輸入熱和層間溫度輸入熱顯著影響冷卻速率，從而導(dǎo)致導(dǎo)決定最終的焊縫金相組織。過低的熱量輸入通常做成快速冷卻，會(huì)導(dǎo)致焊縫主要為鐵素體，或者會(huì)做成不能完全焊透。通常，適度低預(yù)熱（低于75°C）結(jié)合適當(dāng)?shù)妮斎霟峥梢詫?shí)現(xiàn)最佳的相平衡，而不會(huì)形成過多的鐵素體。相反，高熱量輸入會(huì)導(dǎo)致緩慢的冷卻速度，又會(huì)讓HAZ暴露在815-925C的臨界溫度范圍內(nèi)，從而增加在焊縫和HAZ中形成金屬間化合物等析出物的風(fēng)險(xiǎn)。選擇具有適當(dāng)中間冷卻速率的熱輸入，該冷卻速率有利于高溫下奧氏體的再形成，并延緩低溫下Sigma的形成。對(duì)于DSS，在0.5-2.5kj/inm范圍內(nèi)的相對(duì)較低的熱輸入，以及對(duì)于SDSS，0.2-1.5kj/mm范圍內(nèi)的輸入熱已被實(shí)踐證明是恰當(dāng)?shù)?。?dāng)然，輸入熱本身并不能完全決定冷卻速度，還要考慮焊件的厚度及層間溫度等其他因素。層間溫度是后續(xù)焊道（焊條或焊槍的每個(gè)通道）沉積的溫度。對(duì)于雙相不銹鋼合金，層間溫度的適當(dāng)控制限制了焊件的熱循環(huán)，并控制了焊縫金屬的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展。在某些情況下冷卻到120°C以下，可防止過熱，從而形成金屬間相。雙相鋼的等級(jí)越高（例如，超級(jí)雙相鋼），其對(duì)焊接過程中的熱輸入越敏感。在關(guān)鍵路徑焊縫上，保持較窄的范圍（較高的起始溫度和較低的層間溫度）可導(dǎo)致更均勻的微觀結(jié)構(gòu)，并將多焊道焊縫引起的晶粒結(jié)構(gòu)問題降至最低。在整個(gè)焊接操作過程中，DSS合金的最大建議層間溫度不應(yīng)超過200C,SDSS合金的最大建議層間溫度不應(yīng)超過150°C。過高的層間溫度會(huì)導(dǎo)致根部區(qū)域的脆化和低沖擊值。表2推薦的熱輸入值DSS級(jí)別熱輸入值LeanDSS,例如：23040.5-2.0Kj/mm標(biāo)準(zhǔn)DSS,例如：22050.5-2.5Kj/mm超級(jí)SDSS,例如：25070.3-1.5Kj/mm表3推薦的最高層間溫度（C）焊件厚標(biāo)準(zhǔn)級(jí)超級(jí)雙

圖3超級(jí)雙相不銹鋼S32750的CCT圖圖3突出顯示不同冷卻速度對(duì)有害的金屬中間相析出的影響；藍(lán)線是快速冷卻曲線；紅線是慢速冷卻曲線。太高的輸入熱將會(huì)做成太低的冷卻速率，這樣析出有害相的風(fēng)險(xiǎn)就較高；而太高低的輸入熱將會(huì)做成太高的冷卻速率，這樣金屬組織中的鐵素體含量又過高，使得耐蝕能力下降，并且與含鐵素體的不銹鋼一樣，低溫脆性的問題又趨于嚴(yán)重。因此必須對(duì)高的輸入熱和最高層間溫度加以控制。5.5熱影響區(qū)（HAZ）和它性能劣化的原因熱影響區(qū)是焊接接頭的一部分，在焊接過程中它受到多次熱循環(huán)的作用，它的金相組織及性能因而發(fā)生了改變。當(dāng)然都希望熱影響區(qū)的性能可以與焊縫組織或母材相一致。但是對(duì)雙相不銹鋼的焊接接頭來(lái)說，熱影響區(qū)是最薄弱的區(qū)域，它的性能劣化的可能性相對(duì)較高。對(duì)于焊縫金屬，可以通過使用鐐含量比母材鐐含量多3-5的填充金屬，和在保護(hù)氣體中加入2%左右的氦氣的措施，以及采用合適的輸入熱和層間溫度，使焊縫金屬達(dá)到較好的相平衡狀態(tài)。而使填充金屬達(dá)到與母材一致的性能。但是對(duì)熱影響區(qū)來(lái)說，情況就復(fù)雜得多。其一是：當(dāng)熔合線附近的熱影響區(qū)被加熱到接近熔點(diǎn)的溫度時(shí)，其組織的鐵素體含量接近100%，如果這時(shí)被急速冷卻的話，奧氏體相只有很少。氮化物不能充分溶于鐵素體中，氮化物就析出于熔合線附近；其二是：在過大的輸入熱或過高的層間溫度施焊時(shí)，由于冷卻速度過小，很多時(shí)會(huì)在離熔合線稍遠(yuǎn)的700-1000°C的區(qū)域（即低溫?zé)嵊绊憛^(qū)段）產(chǎn)生以Sigma相為主的金屬間相的析出，這都造成熱影響區(qū)性能劣化為了抑制鉻氮化物和金屬間相的析出，應(yīng)該針對(duì)每一個(gè)焊接工況進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，要求對(duì)焊評(píng)試樣必須進(jìn)行以下幾項(xiàng)的試驗(yàn)：鐵素體