不锈钢的焊接工艺的研究

安徽机电职业技术学院1前言进入20世纪90年代以来，我国不锈钢的消费量增长很快。1997年我国不锈钢的表观消费量超过了100万1，2001年达到220万T，居世界第一位。以后逐年大幅度增长，2005年达到522万T。连续5年成为世界上最大的不锈钢消费国家。不锈钢由于其优良的耐腐蚀性能，在我国的经济建设中占有举足轻重的地位，被广泛应用于船舶、车辆、汽车、宇航、桥梁、建筑、压力容器、贮罐、建筑机械、管线及家电设备等行业。在不锈钢加工工艺中，焊接是最主要的必不可少的加工技术。焊接件的数量、品种、规格在不断地增加，对焊接工艺和质量的要求也越来越高。而且随着技术的引进，国外的不少不锈钢的品种和牌号、新焊接材料、新焊接技术、新焊接工艺在国内市场所占的比重逐步增加，因此对国内的焊接技术人员也提出了许多新的问题。焊接性是指同种金属材料或异种金属材料在焊接加工条件下，能够形成具备一定使用性能的焊接接头的特性。焊接性应包括两个方面的意义一是结合性，即一定的金属材料在指定的焊接工艺条件下，对煶接缺陷的敏感性，即工艺焊接性；二是使用性能，是金属材料在指定的焊接条件下所形成的焊接接头适用使用条件的程度，也称使用焊接性。焊接性与材料、工艺、结构和使用条件等因素都有密切的关系，不能脱离开这些因素而单纯从材料本身的性能来评价焊接性。与国外相比，我国的不锈钢焊接技术水平存在一定的差距，主要表现在焊接设备（国内目前无一家具有自主知识产权的先进设备生产厂家，高端焊机完全依赖进口，中低端焊机厂家之间竞争激烈，在技术研发方面投入少）、焊接工艺（大部分焊接工程技术人员及焊工不熟悉不锈钢的焊接）和焊接材料焊材研发能力弱，优质焊材主要靠进口）等方面。另外,我国执行的标准同国外相比，也比较落后，因此，迫切需要我们加强不锈钢焊接工艺与材料的研究工作，致力于产品质量的提高，保证产品质量的稳定，迅速缩小与国外先进水平的差距。同时加强对高品质特种不锈钢焊材的研制开发与生产，适应市场的需求，降低成本，增强自身的竞争能力，为我国的经济建设做贡献。安徽机电职业技术学院2目录前言1第一章奥氏体不锈钢4第一节奥氏体不锈钢的牌号、成分与力学性能4第二节奥氏体不锈钢焊接工艺要点5一、焊前准备5二、焊接方法选择6三、焊接材料选择6四、焊接工艺要点7五、焊后清理7第三节奥氏体不锈钢焊接常见问题7一、焊接热裂纹7二、焊接接头的晶间腐蚀9三、应力腐蚀开裂（SCC）12第二章双相不锈钢14第一节双相不锈钢的性能特点14第二节2205双相不锈钢成分与力学性能15第三节2205双相不锈钢焊接性能与工艺研究16一、2205双相不锈钢焊接性能16二、焊接工艺参数16三、焊接接头的力学性能17四、焊缝和热影响区的金相组织17五、焊接工艺中应注意的几个因素18第三章铁素体不锈钢焊接性能研究19安徽机电职业技术学院3第一节铁素体不锈钢的介绍19一、铁素体不锈钢的组成和种类19二、普通商铬铁素体不锈钢存在的主要问题21第二节试验材料和方法22一、试验材料化学成分22二、试验方法22三、焊接工艺装备22四、焊接工艺参数23第三节试验结果及分析23一、焊接接头的无损检测23二、焊接接头的机械性能测试23三、焊接接头宏观检查24四、焊接接头的耐晶间腐蚀试验24五、焊接接头微观组织25六、小结25第四章马氏体不锈钢26第一节马氏体不锈钢的化学组成及分类26第二节马氏体不锈钢的焊接工艺28一、焊接性28二、焊接工艺29三、焊接材料的选用29第三节焊接工艺措施30第四节铬系马氏体不锈钢的焊接性30参考文献32致谢333安徽机电职业技术学院4第一章奥氏体不锈钢第一节奥氏体不锈钢的牌号、成分与力学性能奥氏体钢以铬镍为主要合金元素。一般奥氏体钢的含铬量为WCR18，进一步增加含铬量可提高其对一般酸的耐腐蚀能力。奥氏体不锈钢主要靠镍来完成奥氏体化，在此基础上，有时用少量锰与氮部分取代镍。在奥氏体钢中可通过加入钛或铌，或把含碳量WC降至003及以下，达到碳的稳定化，以防止出现晶间腐蚀。加入钼可以提高铬镍奥氏体不锈钢的抗点状腐蚀和缝隙腐蚀能力。常用奥氏体钢的牌号与成分见表11。力学性能见表12。表11常用奥氏体钢的牌号与化学成分W（）牌号CSIMNPSNICR其他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安徽机电职业技术学院5表12常用奥氏体钢的热处理制度及力学性能牌号热处理02MPABMPAS0CR18NI9固溶10101150快冷205520406000CR19NI11固溶10101150快R18NI12MO3TI固溶10001100快冷20553040550CR18NI11TI固溶9801150快冷20552040500CR19NI9N固溶10101150快冷27555035502CR21NI12N固溶10101150快冷时效750800空冷43082026200CR25NI20固溶10301150快冷205520405000CR18NI14MO2CU2固溶10101150快冷1774000406000CR18NI10N固溶10101150快冷24555040501CR18NI9固溶10101150快冷20552040603CR18MN12SI2N固溶11001150快冷39068035450CR23NI13固溶10301180快冷2055204060第二节奥氏体不锈钢焊接工艺要点一、焊前准备1、下料方法的选择奥氏体不锈钢中有较多的铬，用一般的氧乙炔切割有困难，可用机械切割、等离子弧切割及碳弧气刨等方法进行下料或坡口加工。2、坡口的制备在设计奥氏体不锈钢焊件坡口形状和尺寸时，应充分考虑奥氏体不锈钢的线膨胀系数会加剧接头的变形，应适当减少V形坡口角度。当板厚大于10MM时，应尽量选用焊缝截面较小的U形坡口。3、焊前清理为了保证焊接质量，焊前应将坡口两侧2030MM范围内的焊件表面清理干净，如有油污，可用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭。对表面质量要求特别高的焊件，应在适当范围内涂上用白粉调制的糊桨，以防飞溅金属损伤表面。4、表面防护安徽机电职业技术学院6在搬运、坡口制备、装配及定位焊过程中，应注意避免损伤钢材表面，以免使产品的耐蚀性降低。如不允许用利器划伤钢材表面，不允许随意到处引弧等。二、焊接方法选择奥氏体不锈钢具有较好的焊接性，可以采用焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等进行焊接。1、焊条电弧焊焊条电弧焊是最常用的焊接方法，具有操作灵活、方便等优点。为提高焊缝金属抗裂纹能力，宜选择碱性药皮的焊条；对于耐蚀性要求高、表面成形要求好的焊缝，宜选用工艺性良好的钛钙型药皮的焊条。2、氩弧焊氩弧焊是焊接奥氏体不锈钢的理想方法，焊接过程中合金元素烧损很小，焊缝表面洁净无渣，焊缝成形好。此外，由于焊接热输入较低，特别适宜对过热敏感的奥氏体不锈钢的焊接。3、埋弧焊埋弧焊是一种高效的焊接方法，特别是热输入大，熔池尺寸较大，冷却速度和凝固速度慢，因此焊接热裂纹敏感性增大。埋弧焊对母材稀释率变化范围大（1075），这就会对焊缝金属成分产生重大影响，关系到焊缝组织中铁素体含量的控制。4、等离子弧焊等离子弧焊属于惰性气体保护的熔化焊方法，由于等离子弧能量集中、焊件加热范围小、焊接速度快、热能利用率高及热影响区窄等特点，对提高接头的耐蚀性，改善接头组织非常有利。三、焊接材料选择奥氏体不锈钢焊接材料的选用原则，应使焊缝金属的合金成分与母材成分基本相同，并尽量降低焊缝金属中碳含量和S、P等杂质的含量。对于工作在高温条件下的奥氏体不锈钢，填充材料选择的原则是无裂纹的前提下保证焊缝金属的热强性与母材基本相同，这就要求其选材料成分大致与母材成分相匹配，同时应当考虑焊缝金属中铁素体含量的控制。对于长期在高温条件下运行的奥氏体不锈钢焊接接头，铁素体含量不应超过5，以免出现脆化。在铬镍的质量分数均大于20的奥氏体不锈钢中，为获得抗裂性高的纯奥氏体组织，选用WMN68的焊接材料是一种行之有效且经济的解决方法。对在腐蚀介质中工作的奥氏体不锈钢，主要按腐蚀介质和腐蚀性要求来选择焊接材料，一般选用与母材成分相近或相同的焊接材料。由于含碳量对抗腐蚀性有很大影响，因此熔敷金属中碳的质量分数不能高于母材。腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备，可选用含TI或NB等稳定化元素或超低碳焊接材料；对于安徽机电职业技术学院7要求耐酸腐蚀性能较高的工件，常选用含MO的焊接材料。四、焊接工艺要点根据奥氏体不锈钢对抗裂性和耐蚀性的要求，焊接时要注意以下几点1、焊前不预热由于奥氏体不锈钢具有较好的塑性，冷裂纹倾向较小，因此焊前不必预热。多层焊时要避免道间温度过高，一般应冷却到100以下再焊下一层；否则接头冷却速度慢，将促使产生碳化铬而造成耐晶间腐蚀性下降。在工件钢性极大的情况下，有时为了避免裂纹的产生，不得已进行焊前预热。2、防止接头过热具体措施有焊接电流比焊低碳钢时小1020，短弧快速焊，直线运条，减少起弧、收弧次数，尽量避免重复加热，强制冷却焊缝（加铜垫板，喷水冷却等）。3、要保证焊件表面完好无损焊件表面损伤是产生腐蚀的根源，避免碰撞损伤，尤其避免在焊件表面进行引弧造成局部烧伤等。4、焊后热处理奥氏体不锈钢焊接后，原则上不进行热处理。只有焊接接头产生了脆化或要进一步提高其耐蚀能力时，才根据需要选择固溶处理、稳定化处理或消除应力处理。五、焊后清理不锈钢焊后，焊缝必须进行酸洗、钝化处理。酸洗的目的是去除焊缝及热影响区表面的氧化皮；钝化的目的是使酸洗的表面重新形成一层无色的致密氧化膜，起到耐蚀作用。常用的酸洗方法有两种酸液酸洗。分为浸洗法和刷洗法。浸洗法是将焊件在酸洗槽中浸泡2545MIN，取出后用清水冲净，适用于较小焊件。刷洗法是用刷子或抹布反复刷洗，直到呈白亮色后用清水冲净，适用于大型焊件。酸膏酸洗。适用于大型结构，是将配制好的酸膏敷于结构表面，停留几分钟后，再用清水冲净。酸洗前必须进行表面清理及修补，包括修补表面损伤、彻底清除焊缝表面残渣及焊缝附近表面的飞溅物。钝化在酸洗后进行，用钝化液在部件表面揩一遍，然后用冷水冲洗，再用抹布仔细擦洗，最后用温水冲洗干净并干燥，经钝化处理后的不锈钢制品表面呈白色，具有较好的耐蚀性。第三节奥氏体不锈钢焊接常见问题一、焊接热裂纹单相奥氏体不锈钢焊接时，具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有可能出现热裂纹，最常见的是焊缝凝固裂纹，也可能在热影响区（HAZ）或多层焊道间金属出现液化裂纹。安徽机电职业技术学院81、焊接接头产生热裂纹的原因奥氏体不锈钢具有较大的热裂纹敏感性，主要取决于其化学成分、组织与性能特点（1）化学成分奥氏体不锈钢中合金元素较多，尤其是含有一定数量的镍，它易与硫、磷等杂质形成低熔点共晶，如NIS共晶熔点为645，NIP共晶元素为880，比FES、FEP共晶的熔点更低，危害性也更大。其他一些元素如硅、硼、铌等元素，也能形成有害的易熔晶间层，这些低熔点共晶会促使热裂纹的产生。（2）组织奥氏体不锈钢焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质元素的偏析，从而促使形成连续的晶间液膜，增加了热裂纹的敏感性。（3）性能从奥氏体不锈钢的物理性能看，它具有热导率小、线胀系数大的特点，因而在焊接局部加热和冷却条件下，易产生较大的焊接残余拉应力，进一步促进焊接热裂纹的产生。从上述三个方面看，热裂纹是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的一种缺陷，特别是含铬较高的奥氏体不锈钢更容易产生。因此，奥氏体不锈钢产生热裂纹的倾向要比低碳钢大得多。2、防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施（1）冶金措施严格控制焊缝金属中有害杂质元素的含量。钢中镍含量越高，越应该严格控制硫、磷、硼、硒等有害元素的含量。调整焊缝化学成分。加入铁素体元素，使焊缝金属出现奥氏体铁素体双相组织，能够有效地防止焊缝热裂纹的产生。如188钢焊缝组织中有少量铁素体（）相存在，则抗裂性能大大提高，如图11所示。这是因为相的存在打乱了奥氏体焊缝柱状晶的方向性（如图12所示）、细化了晶粒，低熔点的杂质被铁素体分散和隔开，避免了低熔点杂质呈连续网状分布，从而阻碍热裂纹扩展和延伸；相能溶解较多的硫、磷等微量元素，使其在晶界上的数量大为减少，从而提高焊缝抗热裂纹的能力。常用铁素体化的元素有铬、钼、钒等。图11相对含量对焊缝热裂倾向的影响安徽机电职业技术学院9图12相在奥氏体基体上的分布控制焊缝金属中的铬镍比。对于188型不锈钢来说，当焊接材料的铬镍比小于161时，就易产生热裂纹；而铬镍比达到2332时，就可以防止热裂纹的产生。这一措施的实质也是为保证有一定量的铁素体存在。在焊缝金属中加入少量的铈、锆、钽等微量元素。这些元素可以细化晶粒，也可以减少焊缝对热裂纹的敏感性。上述冶金因素主要是通过选择焊接材料来达到调整焊缝化学成分的目的。目前我国生产的188型不锈钢焊条的熔敷金属，都能获得奥氏体铁素体双相组织。（2）工艺措施焊接时应尽量减小熔池过热程度，以防止形成粗大的柱状晶。为此焊接时宜采用小热输入及小截面的焊道；多层焊时，道间温度不宜过高，以避免焊缝过热；焊接过程中焊条不允许摆动，采用窄焊缝的操作技术。此外，液化裂纹主要出现在2520型奥氏体不锈钢的焊接接头中。为防止液化裂纹的产生，除了严格限制母材中的杂质含量、控制母材的晶粒度以外，在工艺上应尽量采用高能量密度的焊接方法、小热输入和提高接头的冷却速度等措施，以减少母材的过热和避免近缝区晶粒的粗化。二、焊接接头的晶间腐蚀有些奥氏体不锈钢的焊接接头，在腐蚀介质中工作一段时间后可能发生局部沿着晶界的腐蚀，一般称此种腐蚀为晶间腐蚀，0CR18NI9不锈钢晶间腐蚀，如图13所示。根据母材类型和所采用焊接材料与焊接工艺不同，奥氏体不锈钢焊接接头可能发生在焊缝区、HAZ敏化去（6001000）和熔合区，如图14所示。安徽机电职业技术学院10图130CR18NI9不锈钢晶间腐蚀图14奥氏体不锈钢焊接接头A焊缝区BHAZ敏化区C熔合区1、晶间腐蚀（1）产生晶间腐蚀的原因。奥氏体不锈钢焊缝和HAZ敏化区的晶间腐蚀，都与敏化过程使晶界形成贫铬层有关。焊缝产生晶间腐蚀可有两种情况一种是焊态下已有CR23C6析出，如多层焊缝的重复加热区域；另一种为接头在焊态下无贫铬层，但焊后经过敏化温度区间，因而具有晶间腐蚀倾向。奥氏体不锈钢在加热到450850时，对晶间腐蚀最敏感，此温度区间称敏化温度区。这是因为当温度低于450时，碳原子活动能力很弱，CR23C6析出困难不会形成贫铬层；而当温度高于850时,晶粒内部的铬获得了的动能，扩展到晶界，从而使已形成的贫铬层消失；而在450850温度区间内，既有利于CR23C6的析出，晶粒内部的铬原子又不能扩散到晶界，最容易形成贫铬层，对晶间腐蚀最敏感。当然，如果在450850温度区间加热足够长的时间，晶内的铬原子也可以扩散到晶界使贫铬层消失。（2）防止焊接接头产生晶间腐蚀的措施安徽机电职业技术学院11冶金措施使焊缝金属具有奥氏体铁素体双相组织，其铁素体的体积分数应在412范围内，不仅能提高焊缝金属抗晶间腐蚀的能力和抗应力腐蚀的能力，同时还能提高焊缝金属抗热裂纹的能力。在焊缝金属中渗入比铬更容易与碳结合的稳定化元素，如钛、铌、钽和锆等。一般认为认为钛碳比大于5时，能提高抗晶间腐蚀的能力。试验结果证明，钛碳比大于或等于67时才有明显的效果；大于78时，才能彻底地改善晶间腐蚀的倾向。这是由于钛优先地与全部的碳结合，消除了晶间的贫铬地带，从而改善了抗蚀性。超低碳有利于防止晶间腐蚀。最大限度地降低碳在焊缝金属中的含量，达到低于碳在不锈钢中室温溶解极限值以下，使碳不可能与铬生成CR23C6，从根本上消除晶界的贫铬区。碳的质量分数在焊缝金属中小于003时，就能提高焊缝金属的抗晶间腐蚀能力。如上所述，为了使焊缝金属中含有恰当的合金元素种类和数量，只有从焊接材料着手，选择满足上述冶金因素条件的焊条、焊剂及焊丝，才能使焊缝金属达到不产生晶间腐蚀的目的。工艺措施选择合适的焊接方法，即选择热输入最小的焊接方法，让焊接接头尽可能地缩短在敏化温度区间停留的时间。对于薄件、小型规则的焊接接头，应选用能量集中的真空电子束焊、等离子弧焊、钨极氩弧焊；对于中等厚度的板材的焊缝，可采用熔化极气体保护焊；而大厚度的板材的焊接，选用埋弧焊、焊条电弧焊为常用的焊接方法，气焊不宜采用。焊接参数应在保证焊缝质量的前提下，采用小的焊接电流，最快的焊接速度。在操作上尽量采用窄焊缝，多道多层焊，并注意每焊完一道焊缝后要等焊接处冷却至室温再进行下一道焊缝的焊接。在施焊过程中，不允许焊条或焊丝摆动；焊接管子采用氩弧焊打底时，可以不加填充材料进行熔焊，在可能的条件下，管内通氩气保护。其作用是保护熔池不易氧化，加快焊缝的冷却速度，有利于背面焊缝的成形。对于接触腐蚀介质的焊缝，在有条件的情况下一定要最后施焊，以减少接触介质焊缝的受热次数。强制焊接区的快速冷却。对于有的规则的焊缝，在可能的条件下焊缝背面可用纯铜垫，在铜垫上通水或通保护气体等方式进行强迫冷却，有利于防止焊接接头的晶间腐蚀，因为快速冷却可以防止贫铬层的形成。进行固溶处理或稳定化处理。奥氏体不锈钢的热处理方法有固溶处理和稳定化处理。固溶处理是把钢加热到10501150，得到成分均匀的单相奥氏体组织，然后快冷，使高温过饱和固溶体组织状态保持到室温。固溶处理后，奥氏体不锈钢具有最低的强度和硬度，最好的耐蚀性，是防止晶间腐蚀的重要手段。出现敏化现象的奥氏体不锈钢可再次用固溶处理来消除。稳定化处理是针对含稳定剂的奥氏体不锈钢而设计的一种热处理工艺。奥氏体不锈钢中加稳定剂（TI或NB）的目的是让钢中的碳与TI或NB形成稳定的TIC或NBC，而不形成CR23C6,从而防止晶间腐蚀。稳定化处理加热温度高于CR23C6的溶解温度，低于TIC或NBC的溶解温度，一般在850900，并保温2安徽机电职业技术学院124H。稳定化处理也可用于消除因敏化加热而产生的晶间腐蚀倾向。2、刀状腐蚀产生的原因刀状腐蚀简称刀蚀，它是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，只发生在含有TI、NB等稳定化元素的奥氏体不锈钢焊接接头中。腐蚀部位沿熔合线发展，处于HAZ的过热区，由于区域很窄（电弧焊一般为1015MM），形状有如刀削切口，故称为刀状腐蚀。高温过热和中温敏化是导致焊接接头过热区产生刀蚀的重要条件。刀蚀产生的原因也与CR23C6析出沉淀造成贫铬层有关。含有稳定剂的奥氏体不锈钢，钢中的大部分碳与TI、NB形成TIC、NBC。焊接时在温度超过1200的过热区，钛和铌的碳化物溶入固溶体中。在高温的作用下，由于碳的扩散能力强，故溶解的碳能迅速向晶界处迁移，冷却后偏聚在晶界附近呈过饱和状态，而钛和铌则因扩散能力低而留于晶内。如果焊接接头在敏化温度区间再次加热时，过饱和的碳将在奥氏体晶界以CR23C6形式析出，而TI、NB由于在奥氏体相里的扩散速度非常慢，很难迁移到晶界与碳再次结合，这样TI、NB就失去了稳定化元素的作用，使晶界形成贫铬层，在腐蚀介质的作用下就会产生刀蚀。3、防止刀蚀的措施降低母材的含碳量。这是防止刀蚀的有效措施，如超低碳奥氏体不锈钢的焊接接头就不会产生刀蚀。采用合理的焊接工艺。在保证焊缝质量的前提下，尽量选择较小的热输入，以减小过热区在高温停留时间，并注意避免在焊接过程中产生“中温敏化”的效果；双面焊时，与腐蚀介质接触的焊缝应尽量最后施焊，如不能实施，则应调整焊接参数及焊缝形状，尽量避免与腐蚀介质接触的过热区再次受到敏化加热，如图15所示；焊接过程中或焊后采用强制冷却的方法，使焊缝快速冷却；焊后矫正时应采用冷矫正方法进行；对腐蚀性能要求较高的焊件，必要时要进行焊后的稳定化处理或固溶处理。图15第二面焊缝的敏化区对刀蚀的影响A图敏化区与腐蚀介质不接触B图敏化区与腐蚀介质接触三、应力腐蚀开裂（SCC）1、应力腐蚀开裂产生原因安徽机电职业技术学院13应力腐蚀开裂是在拉应力和特定腐蚀介质共同作用下而发生的一种破坏形式。随着拉应力的不断加大，发生破坏的时间缩短；当拉应力减小时，腐蚀量也随之减小，甚至不发生破坏。应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢非常敏感且经常发生的腐蚀破坏形式。据有关统计资料表明应力腐蚀开裂引起的事故占整个腐蚀破坏事故的60以上。奥氏体不锈钢由于导热性差、线胀系数大、屈服点低，焊接时很容易变形，当焊接变形受到限制时，焊接接头中必然会残留较大的焊接残余拉应力，加速腐蚀介质的作用。因此，奥氏体不锈钢焊接接头容易出现应力腐蚀开裂，这是焊接奥氏体不锈钢时最不易解决的问题之一，特别是在化工设备中，应力腐蚀开裂现象经常出现。应力腐蚀开裂的表面特征是裂纹均发生在焊缝表面上；裂纹多平行且近似垂直焊接方向；裂纹细长并曲折，常常贯穿有黑色点蚀的部位。从表面开始向内部扩展，点蚀往往是裂纹的根源，裂纹通常表现为穿晶扩展，裂纹尖端常出现分枝，裂纹整体为树枝状。严重的裂纹可穿过熔合区进入热影响区。2、防止应力腐蚀开裂的措施（1）合理地设计焊接接头。避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除焊接接头应力集中。（2）消除或降低焊接接头的残余应力。焊后进行消除应力处理是常用工艺措施，加热温度在850900之间才可得到比较理想的消除应力效果；采用机械方法，如表面抛光、喷丸和锤击来造成表面压应力；结构设计时要尽量采用对接接头，避免十字交叉焊缝，单V形坡口改用Y形坡口等。（3）正确选用材料。选用母材和焊接材料时，应根据介质的特性选用对应力腐蚀开裂敏感性低的材料。安徽机电职业技术学院14第二章双相不锈钢所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，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1828，NI含量在310。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。双相不锈钢已成为一种重要的工程材料，广泛应用于石油、天然气和化工等领域，80年代以来已成为和马氏体型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。第一节双相不锈钢的性能特点含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。一般188型奥氏体不锈钢在60以上中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀断裂，在微量氯化物及硫化氢工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等设备都存在着产生应力腐蚀断裂的倾向，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀抗力当量值（PRECR33MO16N）时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。双相不锈钢与奥氏体不锈钢耐孔蚀性能与AISI316L目当。含25CR的，尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISI316L。具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。在某些腐蚀介质的条件下，适用于制作泵、阀等动力设备。综合力学性能好。有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是188型奥氏体不锈钢的2倍。固溶态的延伸率达到25，韧性值AK（V型槽口）在100J以上。可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后不需热处理，可与188型奥氏体不锈钢或碳钢等异种焊接。含低铬（18CR）的双相不锈钢热加工温度范围比188型奥氏体不锈钢宽，抗力小，可不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。含高铬（25CR）的双相不锈钢热加工比奥氏体不锈钢略显困难，可以生产板、管和丝等产品。冷加工时比188型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承受变形初期，需施加较大应力才能变形。与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作设备的衬里和生产复合板。也适合制作热交换器的管芯，换热效率比奥氏体不锈钢高。仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于300的工作条件。双相不锈钢中含铬量愈低，等脆性相的危害性也愈小。双相不锈钢（DUPLEXSTAINLESSSTEEL，简称DSS），指铁素体与奥氏体各约占50，般较少相的含量最少也需要达到30的不锈钢。双相不锈钢从20世纪40年代在美国诞生以来，已经发展到第三代。它的主要特点是屈服强度可达400550MPA，是普通不锈钢的2倍，因此可以节约用材，降低设备制造成本。在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水，氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏体不锈钢媲美。安徽机电职业技术学院15双相不锈钢具有良好的焊接性能，与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比，它既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区，由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低，也不像奥氏体不锈钢那样，对焊接热裂紋比较敏感。双相不锈钢由于其特珠的优点，广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理。双相不锈钢无论在生产还是加工方面都逐渐成熟。不仅钢种和产品种类齐全、质量高而且有价格竞争力，有望成为奥氏体不锈钢的替代产品。但是双相不锈钢的使用温度有限。只能在300以下使用，这是由于其具有一定的脆化倾向。全世界双相不锈钢产量的80是2205双相不锈钢。随着2205双相不锈钢在我国的大量推广使用，越来越多的化工反应器、换热器、储存容器和管道等都用其制造。由于该钢的抗拉强度下限标准值达540MPA，可用来制造三类压力容器。对它的制造、检验和使用国家都有严格的标准法规。焊接是压力容器制造最重要的工序。因此，对2205双相不锈钢的焊接工艺进行研究具有十分重要的意义。第二节2205双相不锈钢成分与力学性能2205双相不锈钢是一种含N的不锈钢，其合金元素主要为CR、NI、MO，化学成分见表21。2205属高强不锈钢，其力学性能见表22。表212205双相不锈钢化学成分（）CSPSIMNCRNIMON00300020003010020021023045652535008020表222205双相不锈钢的力学性能屈服强度MPA抗拉强度MPA断后延伸率450620252205双相不锈钢力学性能与钢材的回火温度有关，回火温度越高，强度越低。回火温度为600，屈服强为400MPA,抗拉强度为650MPA。与铁素体不锈钢相比，其韧性高，韧脆转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时保留了铁素体不锈钢导热系数高、膨胀系数小、具有超塑性等特性；而与奥氏体不锈钢相比较，屈服强度和抗疲劳强度显著提高，约为奥氏体不锈钢的2倍，且耐晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等性能有明显改善2。氮在强化2205双相不锈钢中起着重要的作用，但当氮的质量分数超过02时，氮的间隙固溶强化使得奥氏体的强度大于铁素体。增加铁素体的含量，会导致冲击韧性降低，也导致氮在铁素体中的析出，生成氮化铬，因为氮在铁素体中比在奥氏体中的溶解度低。而280350区间过渡时效也会导致韧性降低。安徽机电职业技术学院16第三节2205双相不锈钢焊接性能与工艺研究一、2205双相不锈钢焊接性能焊接是一个冶金过程，2205双相不锈钢的焊接质量，决定于其焊缝和热影响区的铁素体和奥氏体含量的平衡和两相组织的均匀性。在焊接过程中，金属从熔融到冷却，从凝固点到1200为铁素体组织；1200800奥氏体从铁素体中析出；800475将可能有中间相（相、碳化物、氮化物）析出。因此，焊接线能量的输入大小，直接影响着焊缝和热影响区中铁素体的含量。线能量太小，不利于奥氏体析出；线能量太大，则会引起合金元素CR、NI、MO的烧损，导致材料的耐腐蚀性能下降、机械性能劣化，不能得到良好的相组织，更容易析出中间相。焊接热循环的最高温度和快速冷却可促使双相不锈钢组织铁素体化，由于铁素体含量的增加导致了冲击韧性和耐蚀性降低。因此，选择合适的焊接工艺参数十分重要。与奥氏体不锈钢的焊接相比，2205双相不锈钢的焊接对污染更敏感，特别是对湿气和水分。任何类型的油污、油脂和水分等污染物都会影响材料的抗腐蚀性及力学性能，因此在焊接前要对材料严格清理。双相不锈钢的焊接接头形式应预先经过充分地准备，如采用热加工方法切割坡口，应将坡口表面打磨至露出金属光泽，并对坡口表面进行渗透检测，焊接坡口最好采用机械加工。通常情况下，双相不锈钢的焊接不采用预热，因为预热会降低焊接热影响区的冷却速度。当然，预热对于降低钢材表面的湿气是有益的，当采用预热的方法降低湿气时，首先必须清理焊接表面，然后均匀地加热到95。如果焊缝的冷却速度太快，使得焊接热影响区的铁素体含量增加太大时，采用预热是有意义的。例如，将薄板焊接到厚板上和容器上焊接衬垫等情况下冷却速度是很快的，可以考虑预热。与奥氏体钢相比，双相不锈钢具有导热性好和热膨胀系数低的特点，因此不会产生很大的残余应力，具有更高的抵抗热裂纹的能力，故双相不锈钢可以采用较大线能量焊接，最大的层间温度为150。在实际焊接中，必须保证层间温度不高于工艺试验设定的层间温度。当焊接量很大时，应合理地安排焊接顺序以保证焊缝层间有足够的冷却时间，这样既能保证层间温度，又能提高劳动生产率。焊接工艺评定的试板尺寸会影响冷却速度和层间温度，要注意焊接工艺评定确定的层间温度应比实际焊接时低。因此，工艺评定不能预测由于在实际中采用较高的层间温度而导致冷却速度降低的程度。焊后不必热处理，双相不锈钢在3001000对温度很敏感在300700进行消除应力处理会导致相析出而产生475脆化现象，引起韧性和抗腐蚀性降低；在7001000进行应力消除处理，会导致金属间化合物的析出，也会引起韧性和抗腐蚀性的降低。二、焊接工艺参数试板材料SAF2205，瑞典生产。焊接材料2205PW，瑞典AVESTA公司生产。焊接试板尺寸为400MM125MM6MM对接焊缝，坡口V形，焊接位置平焊，焊接温度23（室温），层间度小于150。焊接设备为ZX5400硅整流焊机，直流反接。2205试样化学成分见表23,2205试样力学性能见表24。安徽机电职业技术学院17表232205试板母材化学成分CSPSIMNCRNIMON002900010021056102228537301013表242205试板母材力学性能屈服强度MPA抗拉强度MPA断后延伸率660815330焊接时采用多层单道焊，共3层，直径325MM焊条1层，直径4MM焊条2层。焊接工艺参数见表25。表25焊接工艺参数焊材直径（MM）焊接方法焊接电流（A）焊接电压（V）焊接速度（M/MIN）线能量（KJ/CM）325SMAW100120222615020088944SMAW1301502428150200124126焊接完成后进行外观检查，不存在咬边、气孔、裂纹和夹渣等缺陷。焊缝余高08MM，按JB47302005标准无损检测，照相质量AB级，级合格。三、焊接接头的力学性能根据JB470782000压力容器焊接工艺评定标准加工试样，进行力学性能试验。拉伸试样2件，面弯、背弯各2件，焊缝和热影响区冲击试样各3件。焊接接头的力学性能试验数据见表26。表26焊接接头的力学性能实验数据材料BMPA断裂位置弯曲试验180，D24AKV（20）JSAF2205805HAZ面弯背弯焊缝HAZ6合格合格48/47/5052/53/58四、焊缝和热影响区的金相组织很多的研究结果都表明，双相不锈钢焊缝中铁素体和奥氏体含量的平衡，对焊缝的力学性能和抗蚀性能有着重要的影响。因此，为了评估结构的工作性能，需要测定焊缝的两相含量。采用铁素体检测仪检测了焊缝、母材、热影响区的铁素体含量见表27。表27焊缝、母材和热影响区的铁素体含量测试位置第1点第2点第3点焊缝470446471母材498492521热影响区487485496安徽机电职业技术学院18采用PME3金相显微镜，对焊接接头的焊缝区、热影响区和母材取样进行金相分析。对试样进行机械抛光，采用5三氯化铁盐酸水溶液浸蚀。其显微组织分别如图21，22，23所示。图212205双相不锈钢金相组织500图22焊缝金相组织500图23焊接热影响区金相组织500五、焊接工艺中应注意的几个因素12205双相不锈钢有很高的强度,其延伸率小于奥氏体不锈钢。因此,在焊缝组对时,应严格控制组对质量,如果强力组对,焊接完成后很难矫形,既使能够矫形,也会产生很大的残余应力,使力学性能劣化,抗腐蚀性能下降。22205双相不锈钢的焊接对污染更敏感,任何类型的油污、油脂和水分均会影响材料的抗腐蚀性及力学性能。因此,焊接前应对焊接区域用丙酮进行清洗,彻底清除油污、泥土、灰尘和水分等污染。3选择合理的焊接线能量非常重要。当采用很小焊接线能量时,由于快速冷却使得焊接热影响区和焊缝的铁素体含量偏高,对耐腐蚀性能和力学性能不利但是过高的焊接线能量会烧损合金元素、冷却太慢而使得中间相析出,引起相组织的不平衡,同样对耐腐蚀性能和力学性能不利。因此,通过调整焊接线能量输入可以得到最佳的焊缝和焊接热影响区性能。4焊接完成后,应对焊缝和焊缝热影响区进行铁素体检测,检验焊接工艺的合理性。当铁素体含量低于30时,2205双相不锈钢会产生脆化。安徽机电职业技术学院19第三章铁素体不锈钢焊接性能研究第一节铁素体不锈钢的介绍焊接性是指同种金属材料或异种金属材料在焊接加工条件下，能够形成具备一定使用性能的焊接接头的特性，焊接性与材料、工艺、结构和使用条件等因素都有密切的关系。在不锈钢加工工艺中，焊接是最主要的必不可少的加工技术之一。焊接件的数量、品种、规格在不断地增加，对焊接工艺和质量的要求也越来越高。不锈钢由于其具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等一系列特点，被广泛应用于化工、石油、冶金、航天、航空、核工业、交通运输、轻工业、纺织、电子等工业部门及日常生活用品，作为耐蚀材料、耐热材料、低温材料、无磁材料、耐磨材料及功能材料等。铁素体不锈钢的焊接工艺性不如奥氏体不锈钢，一般要求焊前预热和焊后热处理。对于可以焊前预热或焊后进行热处理的焊接构件，可选用与母材金属相同化学成分的焊接材料；对于不允许预热或焊后不能进行热处理的焊接构件，应选用奥氏体不锈钢焊接材料，以保证焊缝具有良好的塑性和韧性引。不锈钢是指具有抵抗大气、酸、碱、盐等腐蚀作用的台金钢的总称。按其金相组织可分为五类即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢下面分别介绍。一、铁素体不锈钢的组成和种类铁素体是指铁和其它元素形成的体心立方晶格结构的固溶体。对一般钢而言，通常是指碳和其它元素在A铁中的间隙固溶体（A相）组织，不会发生奥氏体相变。铁素体不锈钢则是指含有大于12铬在A铁中的间隙固溶体。其中还含有相当低的碳和铁素体的形成元素如A1、MO等，以保证钢的组织主要是铁素体。它具有强烈的磁性不能用淬火方法使之硬化。含铬量一般在L23O之间，含碳量大多数低于012。铁素体不锈钢可分为普通类和高纯类；按铬含量又可分为低铬类和高铬类。1、普通铁素体不锈钢（1）1214CR型1214CR钢只有在碳含量很低的情况下，才属于铁素体型不锈钢，如0CRL2、0CRL3等。有的还加有少量铁素体形成元素A1的钢，如0CRL3AL等。低铬铁素体不锈钢综合性能良，但耐蚀性不如高铬类。（2）1618CR型1618CR铬的钢只有在碳含量很低时（一般碳不大于012）。才属于铁素体型不锈钢，例如0CRL7TI、1CRL7MO等钢当铬低碳高时，会有定数量的珠光体如1CRL7钢。碳含量更高时，如7CR17等钢，已属于马氏型不锈钢。总之，CRL7型不锈钢是否属于铁素体型，主要取决于碳含量和添加铁素体形成元素。（3）2530CR型2530CR铬型不锈钢因含铬量很高，均为铁素体组织。在铁素体不锈锕中是耐蚀性能和抗高温氧化性能最好的一类。但因铬含量高，普通铁素体型不锈钢的多种脆性等缺点更加安徽机电职业技术学院20突出和严重。2、高纯高铬铁素体不锈钢1969年美国首次采用CRP法（真空感应炉与电子束联合精炼法）生产出CN00L的EB261钢，即ASTMXM27（我国于1975年试制成功）1979年，日本采用真空感应炉与真空自耗炉双联工艺生产了高纯CRL8MO2钢（我国于1980年采用真空感应炉生产）。这是两类具有代表性的高纯高铬铁素体不锈钢。高纯高铬（163OCR）铁素体不锈钢常含有L4的MO，以改善其耐非氧化性介质和耐点蚀、缝腾L腐蚀等性能，对晶间腐蚀还起到一定的延迟敏化作用。CN总量的最大允许量，随钢种成分和用途要求而异在CN总含量极低时，经焊接或高温固溶淬火后，可以消除晶间腐蚀敏感性然而，由于要求临界含量很低（一般高纯级的CN001O015），在大规模生产上不是难以实现，就是价格昂贵目前除继续采用大型真空感应炉生产外，已采用炉外精炼技术和适当放宽控制含量，并辅以加入稳定化元素（如钛、铌等），发展了超低碳、氮（CN003）和低碳、氮（CN00350045）高铬铁素体不锈钢，在一定程度上能克服普通铁素体不锈钢的某些缺点和不足。表31给出上述各类已列入国家标准的铁素体不锈钢的牌号及化学成分。表31铁素体不锈钢的牌号及化学成分牌号化学成分/CSIMNPSCRMO其他0CR13AL00810010000350030115145AL01003000CR1200310010000350030110013001CR170120751000035003016001800Y1CR1701210012500600150160018001CR17MO012100100003500301600180007512500CR30MO20010040040003000302853200150250N001500CR27MO00100400400030003025002750075150N0015安徽机电职业技术学院21二、普通商铬铁素体不锈钢存在的主要问题1、脆性转变温度和缺口敏感性高铬铁素体不锈钢的韧性一脆性辖变温度，一般都在室温以上。随含铬量的提高或缺口尖锐度的增加，其脆性转变温度也明显升高，当温度升到870时，缺口敏感性才完全消失造成脆性转变温度高和对缺口敏感性大的主要原因是，钢中间隙元素，尤其是碳、氮和氧等含量较高，并与其化合物沉淀有关。这些夹杂物和析出相往往是应力集中处和裂纹起源处。2、475脆性和相脆性（1）475脆性含铬量超过L2的铁素体不锈钢，加热至340540时，经一定时间后，钢的硬度增加，冲击韧性显著降低，尤其是470时，最为严重，故称为475脆性。产生475脆性的基本原因是一种富铬（6183CR）的相的沉淀析出所致。它具有体心立方晶格结构，无磁性。相的析出不仅带来脆性，而且显著降低钢的耐蚀性能。475脆性可以通过将镪加热到600以上温度，并保温一定时间，快速冷却至室温的办法来消除。温度愈高，脆性消脒更加容易，通常是在700800之问处理。（2）相脆性根据FECR相图，当铬含量在1570范围内，于500800时存在相。它是一种金属阃化台物，含铬425O，无磁性，具有四方晶格结构，属高硬度脆性相。相首先产生于晶粒边界，呈链网小岛形状，使钢的硬度提高，却显著降低钢的塑性、缺口韧性及耐蚀性能。添加某些元素，如钼、硅等，可以扩大相区存在范围，使相区向低铬浓度方向移动，有利于相的形成。冷加工也会增大相的析出速度。提高铬含量将显著加速相的形成。相可以通过加热至800以上温度，保温一定时间使其溶解后快速冷却至室温的办法来消除。3、高温脆性普通高铬铁素体不锈钢，加热至9501000以上，急冷至室温，其塑性和缺口韧性显著降低，称为高温脆性。若重新加热至750850，可以恢复其塑性。这种高温脆性十分有害，在进行焊接、950以上等温热处理或铸造过程中，均可能出现这种脆性；同时耐蚀性也显著降低。产生高温脆性的基本原因是与碳、氮等间隙元素的化台物在晶界和晶内位错上析出有关。降低钢中的碳、氮含量，减少甚至避免碳、氮化合物的沉淀析出，可以大大改善高温脆性。4、晶问腐蚀敏感性普通高铬铁素体不锈钢在加热过程中存在着475脆性、相脆性和高温脆性的三个脆化温度区由于富铬的相相或碳、氮化合物的析出等原因，不仅引起脆化，而且带来晶间腐蚀敏感性，使耐蚀性能显著降低。尤其是当温度超过900950以上而后快冷时。具有十分敏感的晶间腐蚀倾向。即使钢中碳、氮含量较低，奶在自来水这样弱的腐蚀条件下。经高温空冷或焊缝区也会发生晶间腐蚀。若重新加热至700850热处理其晶问腐蚀敏感性可以消除。安徽机电职业技术学院22对普通高铬铁素体不锈钢从高温快冷后产生晶间腐蚀倾向机理的解释是由于富铬碳化物的析出造成其附近贫铬引起的。碳、氮在铁索体中的固溶度比在奥氏体中小得多，而铬在铁素体中的扩散速度比在奥氏体中大的多。当高铬铁素体不锈钢加热至950以上，富铬的碳氮化合物溶解于铁索体中但在陕速淬火玲却过程中，由于高度过饱和的间隙固溶体具有强烈析出倾向和在铁素体中碳、氮元素的扩散速度极快（比铬还陕比在奥氏体中快数百倍），经过中温时也难以阻止富铬碳、氮化合物的快速析出当重新加热至700850时，困铬的快速扩散，增加了贫铬区的铬含量虽有晶间析出物存在，但耐晶间腐蚀性能良好