雙相不銹鋼焊接的主要問題是“使用焊接性”,因為雙相不銹鋼對焊接熱裂紋、冷裂紋不敏感。但經過焊接之后,熱影響區(HAZ)緊鄰熔合線的部分,鐵素體晶粒急劇長大,奧氏體消失,形成單相鐵素體組織,塑性和韌性極低;再加上早期的雙相不銹鋼碳含量較高,因而在粗大的鐵素體晶界容易析出碳化物,導致耐應力腐蝕、點腐蝕和晶間腐蝕性能下降。


 超低碳雙相不銹鋼的出現,再加上氮作為奧氏體形成元素的發現,促進雙相不銹鋼焊接接頭熱影響區,在高溫下形成的單相鐵素體冷卻時,發生逆轉變并形成足夠的奧氏體,從而既改善了焊接熱影響區的塑性、韌性,同時又保持了雙相鋼的抗應力腐蝕、點腐蝕的優良特性。盡管新型的超低碳含氮的雙相不銹鋼的焊接性得到了實質性的改善,但是雙相鋼的供貨狀態、使用的焊接材料、焊接工藝及參數等仍然是焊接接頭耐腐蝕性性能、力學性能,即使用焊接性是關鍵。



一、雙相不銹鋼供貨狀態對焊接性的影響


 雙相不銹鋼對焊接的適應性,隨著化學成分和生產工藝的變化,而發生著顯著變化。首先,現代雙相不銹鋼必定含有足夠的氮,以促進焊接熱影響區由高溫形成的單相鐵素體在冷卻過程(980℃以上)形成適量的奧氏體,從而改善其使用焊接性。因此,鋼中的氮含量是保證熱影響區性能的重要因素。第二,供貨狀態的雙相不銹鋼,應當嚴格控制鐵素體和奧氏體的相比例?,F代雙相不銹鋼從改善焊接性角度出發,鋼中鐵素體控制在40%~50%,即鐵素體可少于奧氏體或者說不應超過50%.這樣就可以防止焊接時熱影響區中鐵素體過分長大和縮小形成單相鐵素體組織的范圍。所以說,作為焊接結構用雙相不銹鋼,供貨狀態即應保證鐵素體的最佳含量。第三,雙相不銹鋼的生產廠家還要注意,對鋼材出廠前進行最終熱處理時,要盡可能加速冷卻通過980℃~700℃的溫度范圍;或者水淬前,在此區間板材空冷不要超過1mm深。這樣做是為防止焊接過程中,形成有害的。相、X相和碳氮化合物,以保證熱影響區的力學性能和耐腐蝕性能。


 此外,實際制造結構用的鋼材的化學成分和生產過程的冶金條件應當是相同的,以滿足焊接工藝的要求。



二、雙相不銹鋼的配套焊接材料


 雙相不銹鋼焊接的目標是使焊縫和熱影響區(HAZ)的韌性、塑性和耐蝕性與母材金屬相同。由于焊接的特點,焊縫金屬凝固和隨后的冷卻速度很快,焊縫采用與母材相同的化學成分時在高溫形成單相的鐵素體組織,來不及像母材那樣在1050℃~1100℃保溫并水淬處理,發生部分鐵素體轉變為奧氏體的過程。因此,對于焊后直接使用的雙相不銹鋼結構,使用的焊接材料的化學成分與母材不同,鎳含量要高于母材的鎳含量。對雙相鋼2205和超級雙相鋼2507,如表2-8所示,相應的焊接材料的鎳含量分別是8%~9%和9%~10%,提高了鎳含量焊材的焊縫在焊后狀態即可形成20%以上的奧氏體(F≤80),使焊縫的綜合性能可與母材性能匹配。


表 8.jpg


 另一方面,雙相不銹鋼的焊接結構,在焊后可進行固熔退火的,其焊接材料則可以采用與母材成分相同的焊材,因為在(1050℃~1100℃)固溶退火時焊縫中的鐵素體將有部分轉變為奧氏體,形成平衡的鐵素體+奧氏體雙相焊縫,達到與母材匹配的性能。但是,如焊后要對焊件進行1050~1100℃的固溶退火的可能性很小,通常大部分結構是在焊態下使用的,所以要求配套焊材為高氮焊接材料是合理的。部分雙相不銹鋼焊接材料見表2-8。



三、雙相不銹鋼的焊接性能


   1. 雙相不銹鋼焊縫相(鐵素體相與奧氏體相)比例


 焊縫在焊后自然冷卻條件下,由于相對于母材,熔池體積很小,其冷卻速度很快,熔化的焊縫金屬沿著熱傳導方向,向焊縫中心呈柱狀、樹枝狀結晶。這時結晶方向性很明顯,并發生合金元素的偏析,組織不穩定,在隨后的冷卻過程中,容易發生組織轉變和析出金屬間相。如前所述,雙相和超級雙相不銹鋼焊后直接使用(不進行焊后固溶熱處理),配套焊材其鎳含量比母材高約2%,故其焊縫組織的奧氏體含量比母材的高(為60%~70%)。


  在正常的焊接參數和焊后自然冷卻條件下,配套的焊材的焊縫金屬可以達到要求的相比例,(FN=30%~70%),焊縫的力學性能、耐腐蝕性能可以適應雙相鋼的要求;但是當采用的焊接熱輸人較小或焊縫截面厚,焊后冷卻速度較快,焊縫中的鐵素體的轉變來不及充分進行,那么焊縫中的鐵素體可能會超過70%.另一方面,熱輸入過大,或者填充的焊接材料較少,就可能加大母材的(熔化)稀釋作用,從而降低焊縫金屬的鎳含量,同樣會使焊縫中的鐵素體量增高,出現鐵素體量過高的現象。較高的鐵素體通常表現為,低韌性和耐腐蝕性欠佳。在焊后自然冷卻狀態下如不能防止焊縫中高鐵素體含量時,通常采取固溶(1050℃~1100℃)退火處理,使焊縫像母材一樣,通過熱處理達到較為理想的相比例。所以焊接雙相不銹鋼,事先一定要根據板厚和焊接方法選擇合適的焊接熱輸入,以及確定焊后是否進行熱處理。


 雙相不銹鋼的焊接要力求使焊縫金屬、熱影響區金屬與基體金屬具有相同的韌性、相同的抗腐蝕性能,焊接時應防止生成過多的鐵素體。如果焊接工藝能夠保證焊縫金屬、熱影響區金屬的奧氏體、鐵素體比例為50/50,就能使產品具有很好的抗蝕性能與機械性能。


  2. 雙相不銹鋼焊接時,可能會遇到的問題


    a. 鐵素體含量過高,從而降低了韌性,導致開裂;


    b. 熱影響區晶粒長大;


    c. 相(鐵素體相與奧氏體相)形成比例不佳,碳化物析出導致抗腐蝕性降低;


   d. 氮鉻化合物析出,導致抗腐蝕性能降低。


  3. 克服上述問題的方法


    a. 選擇含鎳高的焊材(焊絲);


    b. 控制熱量輸人速率;


    c. 多層焊時,控制層間溫度小于200℃。



四、雙相不銹鋼的焊接方法及工藝要點


   1. 雙相不銹鋼的焊接方法


   雙相不銹鋼的焊接方法與奧氏體不銹鋼相似,焊接方法應根據焊件結構厚度及相關條件的經濟性來選擇??梢赃x用的焊接方法有:手工焊(SMAW),氣體保護鎢極電弧焊(GTAW),氣體保護金屬(熔化)極電弧焊(GMAW),藥芯焊絲電弧焊(FCAW),埋弧焊(SAW),等離子電弧焊(PAW)。


   對于不銹鋼管焊接常用的焊接方法有:鎢極氬弧焊(GTAW)、熔化極氣體保護焊(GMAW)、等離子弧焊(PAW)和埋弧焊(SAW)。


  2. 雙相不銹鋼的焊接工藝要點


    a. 預熱和層間溫度


     除了在大拘束度下可能引起高鐵素體組織(焊縫、熱影響區)開裂(氫致裂紋)之外,雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼不需要預熱。對于大拘束度焊件推薦預熱到150℃。對于23%Cr無Mo雙相不銹鋼和22%Cr雙相不銹鋼,層間溫度不應超過200℃。對25%Cr雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼,層間溫度不應超過150℃。為了獲得最佳的焊縫金屬性能,超級雙相不銹鋼推薦使用的最高預熱溫度為100℃。在采用焊后固溶處理的情況下,不要求限制層間溫度。


   b. 焊后熱處理


     雙相不銹鋼需要焊后消除應力處理,且進行這樣的熱處理可能是有害的。因為它可使雙相不銹鋼析出金屬間相,降低韌性和耐蝕性。但如果由于焊件處于高應變狀態或存在導致耐腐蝕性降低和塑性降低的有害相變,使焊件質量降低,這樣的焊件通常應該進行固溶處理。23%Cr無Mo雙相不銹鋼和22%Cr雙相不銹鋼應該在1050℃~1100℃的溫度下進行固溶熱處理。而25%Cr雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼要求固溶處理的溫度為1070℃~1120℃。當匹配的焊縫金屬的化學成分(Ni=8%~10%)高于焊件化學成分時,應該選擇給定的溫度上限。加熱應該盡可能地快,固溶退火之后立即進行水淬。焊后熱處理最有效的加熱方法是感應加熱。保溫時間 5min~30min,應該足以恢復相平衡,包括金屬間相(特別是σ和X相)的溶解。


   c. 清理和鈍化


     焊后的表面清理及焊縫附近的酸洗鈍化處理可采用標準不銹鋼的清理作業。


 3. 保持焊后抗腐蝕性能的方法


    a. 控制焊接時焊料的飛濺物、雜質、氧化物的形成,因為這些物質會降低抗點蝕與抗間隙腐蝕的能力。


    b. 如果可能,焊后應清洗焊縫及周圍區域;如果不可能清洗,則在焊接時,應控制保護氣體的含氧量在10×10-6~25×10-6之間。為了加強熔化極氣體保護焊(GMAW)的電弧穩定性及金屬滲透性,可在保護氣氬氣中添加少量的二氧化碳或氧氣。雙相不銹鋼氣體保護焊焊接用的保護氣體見表2-9。


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   c. 應采取背面保護,焊管則應通入內保護氣體。