现代奥氏体铁素体双相不锈钢的焊接__

1、现 代 焊 接 现代焊接新技术、新设备、新工艺、新成果 现代奥氏体铁素体 双相不锈钢的焊接（二） 摘 The welding of modern austenite ferrite duplex phase stainless steel ( 珠海固得焊接自动化设备有限公司 陈裕川 要： 本文详细介绍了现代奥氏体铁素体双相不锈钢的基本特性，深入探讨了这种钢的焊接性和焊缝金属及热影 响区的组织变化，讨论了适用于双相不锈钢的焊接工艺方法，系统论述了各种焊接材料的选配和焊接工艺细则，列举 了典型工程应用实例。 关键词：奥氏体铁素体；双相不锈钢；焊接性；焊接工艺 （续上期） 这导致焊缝金属的低温冲击韧

2、度降低。 因此，对于要求较高冲击性韧度的焊 件，应选用碱性药皮焊条，其缺点是 脱渣性较差。在厚壁多层焊缝的焊接 中，应特别注意层间清渣。 双相不锈钢焊条电弧焊原则上应 采用直流反接。虽然钛型药皮焊条也 可采用交流电焊接，但其焊接性能总 不如直流反接。焊接过程中应采取短 弧操作，这不仅可使电弧保持稳定， 而且降低氮的吸收，防止气孔的形成。 焊） 焊的工艺特点是低电流下电弧 十分稳定，焊缝成形良好，焊接熔池 易于控制，易于实现单面焊双面成形， 但焊接效率较低。因此，焊主要用 于以下的薄壁接头和小直径薄壁 管的焊接。在厚壁接头中，焊常用 于根部焊道的封底焊。对于水平固定 管对接接头，手工和自动焊可以

3、焊 制出质量最优的焊缝。 双相不锈钢焊时应特别注意保 护气体的选择。因现代双相不锈钢大 双相不锈钢的钨极氩弧焊（ 多数氮的含量较高，如使用纯氩作保 护气体，钢中的氮将被烧损，故在氩 气中加入适量的氮气可以补偿氮的烧 损，但过量的氮气将引起焊接熔池沸 腾，并形成气孔。 在纯氩气中加入一定数量的氦， 可提高电弧的能量，加快焊接速度， 但过量的氦气会降低电弧的稳定性， 难以控制焊接熔池。 当采用单面焊双面成形工艺时， 焊缝背面需通成形气体。这种气体可 以是纯氩或高纯度氮气（）， 或者加入氢或氮的混合气体。在双相 不锈钢焊接时，在成形气体中加入氢 应特别注意焊缝金属因铁素体含量较 高，氢可能导致脆变。

4、保护气体成分 的控制详见下节。 双相不锈钢的熔化极气体保护焊 （焊） 焊是指保护气体为惰性气体 （如氩或氩氦混合气体）的熔化极气 体保护焊。双相不锈钢焊时因焊 缝成形不良，很少得到实际的应用。目 前大多数采用或 适用的焊接工艺方法 现代奥氏体铁素体双相不锈钢由 于具有较好的焊接性，所有传统的焊 接方法，包括焊条电弧焊、焊、 焊，埋弧焊、等离子弧焊等 都适用于双相不锈钢的焊接。某些先 进的焊接工艺方法，如激光焊和激光 复合焊等已开始用于双相不锈钢。 双相不锈钢的焊条电弧焊 在双相不锈钢的焊接中，焊条电 弧焊是应用最广的焊接方法，其特点 是机动灵活，并适应各种位置的焊接。 目前已为各种双相不锈钢配

5、制了品种 齐全的，并满足各种施工要求的焊条 （详见下节）。其中钛型药皮焊条具 有良好的工艺性，可在各种焊接位置， 包括向下立焊位置进行焊接。由于采 用这种焊条焊接的焊缝金属氧、硅含 量较高，电弧较柔且脱渣性优良。但 作者简介： 陈裕川（），男，浙江余姚人，高级焊接 工程师。主要从事焊接工艺与设备的研究及设计工作。曾主 编现代焊接生产实用手册（机械工业出版社年月 出版）、焊工手册：埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、等离 子弧焊（第版）（机械工业出版社年月出版）。 现代焊接 年第期 总第期 现代焊接 混合气体的焊。加入氧化性气 体后，可大大改善焊接熔池润湿性。 焊的特点是效率较高，焊接 过程的稳定性取决

6、于熔滴过渡的形式。 直流喷射过渡的电弧较稳定，但熔化 率较高、焊接熔池尺寸较大，焊接位 置受限制。改用直流脉冲电流可使电 弧更加稳，熔滴过渡更平静可控。大 大改善了焊的工艺适应性，可在 各种焊接位置，包括向下立焊进行焊 接。因此对质量要求高的双相不锈钢 接头，最好选用脉冲焊。 目前已为常用双相不锈钢配制了 相应的焊焊丝，其焊缝金属 的性能达到了与母材相当的水平。对 于现代化焊接生产来说，焊 更适用于焊接机器人和各种自动化焊 接装备。 双相不锈钢的药芯焊丝气体保护 焊（焊） 药芯焊丝气体保护焊是采用特殊 方法制造的药芯焊丝代替实心焊丝的一 种熔化极气体保护焊。其优点是熔敷率 比实心焊丝焊更高，电

7、弧更稳 定，熔滴过渡平静，可使用成本较低的 纯或混合气体作保护气体。 药芯焊丝内药粉由造渣剂、脱氧剂、稳 弧剂和合金粉末等组成。因此药芯焊丝 犹如药皮焊条，对焊接电弧和焊接熔池 提供了良好的保护，并可通过调整药粉 配方更易控制焊缝金属的成分。药芯 焊丝的另外一个优点是在焊缝表面会 形成一层薄的熔渣 ， 改善了焊缝表面 成形，并能适应各种位置的焊接。 药芯焊丝按药粉的类型可分三种， 第一种是需外加气体保护，第二种是 药粉的主要成分为金属粉末，第三种 是无需外加气体保护的自保护药芯焊 丝。双相不锈钢焊接时采用第一种药 芯焊丝。由于熔渣和气体的双重保护， 焊缝金属的性能得到了可靠的保证。 药芯焊丝气

8、体保护焊的适用范围 较广，可以焊接以上的各种对 接接头和角接接头。目前世界上已有 不少焊材生产厂商定型生产双相不锈 钢药芯焊丝，并已投放市场。为推广 应用这种高效优质的焊接工艺方法创 造了条件。 双相不锈钢的埋弧焊 埋弧焊是一种高效优质的焊接方 法，尤其是焊缝表面美观，已广泛应 用于厚度在以上的各种双相不锈 钢接头。埋弧焊另一优点是工作环境 比其他焊接方法好得多，烟尘和弧光 辐射很少。埋弧焊的缺点是只适用于 平焊位置，焊接热输入较大，焊缝金 属铁素体含量波动较大。必须选用特 种的碱性烧结焊剂（详见下节）。 双相不锈钢埋弧焊时，如焊接工 艺参数选择不当，或坡口设计不合理， 焊缝金属可能产生结晶裂

9、纹，如图 图 双相不锈钢埋弧焊焊缝金属中的结晶裂纹 焊条电弧焊；焊；焊；焊；药芯焊丝气体保护焊；埋弧焊 图 采用各种焊接方法焊接的焊缝金属化学成分对比 图 采用各种焊接方法焊接的焊缝金属力学性能对比 现代焊接 年第期 总第期 现代焊接 表 双相不锈钢焊条全焊缝金属标准化学成分（按） 化学成分（质量分数） 焊条型号 表 双相不锈钢焊条全焊缝金属力学 性能要求（按：） 焊条型号 抗拉强度 伸长率 热处理 （） （） 不规定 不规定 不规定 表 焊条商品牌号 × 双相不锈钢商品焊条焊缝金属的典型化学成分 化学成分（质量分数，） 焊条标准型号 （） （改进型） 母材 埋弧焊（碱性焊剂） 手弧

10、焊（碱性焊条） 手弧焊 埋弧焊（酸性焊剂） 手弧焊（钛型焊条） 温度（） 注：表列数据引自，公司最新公司样本。 图 双相不锈钢母材和各种焊缝金属的 冲击韧度与温度的关系 所示。因此双相不锈钢埋弧焊时，正 确设计坡口型式和尺寸，选定合理的 焊接工艺参数对保证接头的质量起着 决定性的作用。 合焊 高效的激光焊和激光复 合焊很适用于双相不锈钢。对于中等厚 度的接头，激光复合焊具有更大的 推广价值。这种方法利用了激光束的锁 孔效应产生深熔，焊填充焊丝使焊 缝具有足够的宽度，这样，可以低的热 输入进行较大壁厚接头的焊接，使焊缝 金属保持双相不锈钢应有的各种性能。 在激光复合焊中，下列工艺 参数对于保证焊

11、缝质量是重要的：焊 枪倾向、偏移量、焊丝伸出长度、工 作间距和焦距。为稳定电弧通常采用 喷射电弧或脉冲电弧焊。 比较 各种焊接方法焊接的双相不锈钢 各种焊接方法焊缝金属性能的 双相不锈钢的激光焊和激光复 焊缝金属的化学成 分和力学性能实测 数据分别列于图 和图。从中可见， 除碳和氮，其余合 金元素的含量在各 种焊接方法焊接的 焊缝金属中有很大 的差别，并促使焊 缝金属的力学性能 产生较大的波动。 图对比了母 材采用各种焊接方 法焊接的焊缝金属 缺口冲击韧度。图 示曲线清楚表明， 焊焊缝金属的缺 口冲击韧度最高， 而焊条电弧焊焊缝 表 双相不锈钢商品焊条焊缝金属的典型力学性能 屈服强度 抗拉强度

12、 伸长率 型缺口冲击 （） （） （） 试验温度 冲击功 × 焊条商品牌号 金属的冲击功最低。另外，采用碱性 焊剂和碱性焊条焊接的埋弧焊和焊条 电弧焊焊缝金属的冲击功大大高于酸 性焊剂和酸性药皮焊条焊接的焊缝金 属。因此，对于要求较高冲击韧度的 双相不锈钢焊件应优先选用碱性焊剂 现代焊接 年第期 总第期 现代焊接 表 焊条商品牌号 焊条标准型号 双相不锈钢商品焊条主要特性和用途 用 途 主 要 特 性 焊缝金属组织奥氏体铁素体，具有较高的 用于焊接双相不锈钢 强度和耐蚀性，交直流两用 焊缝金属组织和性能同×焊条。工艺性优良， 用于焊接双相不锈钢，特别适用于薄壁管 （） 可全

13、位置焊，直流反接 焊缝金属组织奥氏体铁素体，交直流两用，直 径焊条可全位置焊 焊缝金属组织奥氏体铁素体，交直流两用，直 径及以下焊条可全位置焊 焊缝金属组织奥氏体铁素体在含氯化物介质中 具有很高抗点蚀和应力腐蚀裂纹性能 交直流两用，直径及以下焊条可全位置焊 焊缝金属组织奥氏体铁素体，在含氯化物的介 质总具有相当好的耐蚀性，抗点蚀和晶间腐蚀性能， 交直流两用，可全位置焊 焊缝金属组织：奥氏体铁素体在含氯化物的介 用于双相不锈钢的焊接 用于双相不锈钢的焊接 用于双相不锈钢的焊接 用于双相不锈钢的焊接，特别适用于大直 径管安装焊缝的全位置焊 用于双相不锈钢的焊接 质总具有很好的耐点蚀和应力腐蚀裂纹性

14、能 直流反接，可全位置焊 焊缝金属组织：奥氏体铁素体点蚀指数 钛型药皮焊条，交直流两用，具有很好的操作特性， 可全位置焊 焊缝金属组织：奥氏体铁素体点蚀指数 碱性药皮焊条，直流反接，具有很好的操作性能， 可全位置焊 焊缝金属组织：奥氏体铁素体点蚀指数 碱性药皮焊条，直流反接，可全位置焊 焊缝金属组织：奥氏体铁素体临界点蚀温 度约 钛型药皮焊条，直流反接，直径及以下的焊条 可全位置焊 焊缝金属组织：奥氏体铁素体临界点蚀温度 钛型酸性药皮焊条，直流反接，全位置焊操作性能良好 焊缝金属组织：奥氏体铁素体临界点蚀温度 薄药皮焊条，直流反接，全位置焊操作性能良好 临界点蚀温度 钛型碱性药皮焊条，交直流两

15、用，可全位置焊 焊缝金属铁素体含量 焊缝金属组织：奥氏体 铁素体，临界点蚀温度 碱性药皮焊条，直流反接，可全位置焊 焊缝金属点蚀指数 碱性药皮焊条，直流反接，可全位置焊 用于、双相不锈钢的焊接，主要应 用领域海洋建筑工程和化工设备 用于、双相不锈钢的焊接，特别适 用于厚壁高拘束度接头和低温焊接结构 用于超级双相不锈钢的焊接，特别适用于 海上结构的焊接 （改进型） 用于超级双相不锈钢的焊接 用于超级双相不锈钢的焊接 用于、超级双相不锈钢的焊接，特 别适用于管道安装焊接 用于超级不锈钢的焊接 用于超级双相不锈钢的焊接，特别适用于 厚壁接头的焊接 用于、等超级双相不锈钢的焊接 埋弧焊或碱性药皮焊条电

16、弧焊。 这些焊接材料均已纳入下列美国 焊接材料标准最新版： ：“不锈钢 焊条标准”； ：“不锈钢 光焊丝和焊棒标准”； ：“不锈 钢药芯焊丝标准”。 双相不锈钢焊条 在 “不锈钢焊条 标准”中规定了三种双相不锈钢焊条， 即、和， 焊缝金属的标准化学成分和力学性能 要求分别列于表和表。焊条药皮类 焊接材料的选配 正如前节所述，现代双相不锈钢 可以采用各种传统的焊接方法进行焊 接，因此焊接材料的品种包括焊条、 实心焊丝、药芯焊丝和埋弧焊焊剂。 现代焊接 年第期 总第期 现代焊接 型主要分钛型、钛钙型和碱性。 由于双相不锈钢在焊接结构中应 用的发展速度相当快，上表所列三种 双相不锈钢焊条已不能满足实

17、际需要。 为解决这一问题，近年来，世界各著 名焊材生产厂商研制并定型生产多种 非标准双相不锈钢焊条。表列出若干 种已投放市场的标准型和非标准型双 相不锈钢焊条的商品牌号及其典型的 焊缝金属化学成分。焊缝金属典型的 力学性能数据见表 。 这些焊条的主 要特性和用途列于表。 双相不锈钢实心光焊丝 在美国：不 锈钢光焊丝和焊棒标准中列出了三 种双相不锈钢实心光焊丝，即， 和。其标准的化学成分 列于表。焊缝金属的力学性能应符 合：不锈钢焊条 表 焊条商品牌号 × 焊丝标准型号 规格 表 焊丝型号 双相不锈钢实心光焊丝标准化学成分（按：） 化学成分（质量分数） 表 焊条商品牌号 标准型号 双相

18、不锈钢实心光焊丝以不同方法焊接时焊缝金属的典型化学成分 焊接方法 焊丝成分 焊（） 化学成分（质量分数，） 埋弧焊（焊剂：） 焊丝成分 或（） 埋弧焊（焊剂：） 表 焊丝商品牌号 及标准型号 双相不锈钢实心光焊丝各种焊缝金属的典型力学性能 屈服强度 （） 焊接方法 ， 埋弧焊 埋弧焊 抗拉强度 （） 伸长率 （） 冲击性能 试验温度 冲击功 硬度 市售双相不锈钢实心焊丝的主要特性及用途 主 要 特 性 用 途 用于双相不锈钢的、 和埋弧焊 用于双相不锈钢的、 和埋弧焊 用于双相不锈钢的、 和埋弧焊 焊缝金属组织：奥氏体铁素体，具有较高的 强度和耐蚀性。焊可采用短路过渡，喷射过渡和脉 冲电弧方式

19、。埋弧焊最大电流 焊缝金属组织：奥氏体铁素体，在硝酸溶液 中具有很高的耐点蚀和应力腐蚀裂纹性能，焊可采 用喷射过渡和脉冲电弧方式 焊缝金属组织：奥氏体铁素体，在含氯化物 的介质中具有相当好的耐点蚀和耐应力腐蚀性能， 焊可采用短路过渡、喷射过渡和脉冲电弧方式 焊缝金属组织：奥氏体铁素体，点蚀指数。 焊保护气体：或 焊保护气体： 埋弧焊焊剂：型碱性烧结焊剂 焊缝金属组织：奥氏体铁素体，临界点蚀温 用于、双相不锈钢的、 和埋弧焊 度高于，焊可采用短路过渡，喷射过渡和脉冲 电弧方式 焊缝金属组织：奥氏体铁素体，临界点蚀温度高 于，在或氯化物介质中具有很高的抗应力腐蚀 能力 焊缝金属组织：奥氏体铁素体，

20、焊采用 脉冲电弧 焊缝金属组织：奥氏体铁素体，在介质中耐应 力腐蚀裂纹 焊可采用短路过渡，喷射过渡和脉冲电弧方式 用于、超级双相不锈钢、 和埋弧焊 用于、等超级双相不锈钢 、和埋弧焊 用于、等超级双相不锈钢 、焊 用于双相不锈钢、 和埋弧焊 现代焊接 年第期 总第期 现代焊接 表 焊丝型号 ） 双相不锈钢药芯焊丝熔敷金属标准化学成分（按 ） 化学成分（质量分数，） 一定的差异。由于气体保护焊均使用 惰性气体，或加极少量或的混合 气体，埋弧焊则使用碱性烧结焊剂， 从而保证焊缝金属的化学成分和力学 性能均在标准规定的范围之内。表 列出两种双相不锈钢实心焊丝以不同 焊接方法焊接时焊缝金属典型的化学

21、成分。其实测的力学性能数据见表。 各种市售双相不锈钢实心焊丝的主要 特性和用途列于表。 注：）为典型化学成分 表 焊丝型号 双相不锈钢药芯焊丝熔敷金属 力学性能要求 热处理 屈服强度 抗拉强度 伸长率 标准对应型号焊条的规定。这些焊 丝同时适用于焊、焊、等 离子弧焊和埋弧焊。但焊缝金属的化 学成分和力学性能取决于各种焊接方 法的保护介质和冶金过程，可能会有 状态 （） （） （） 不规定 不规定 不规定 表 焊丝商品牌号 市售双相不锈钢药芯焊丝熔敷金属典型化学成分 焊丝标准型号 化学成分（质量分数，） 双相不锈钢药芯焊丝 在不锈钢药芯 焊丝国家标准中列出了两种双相不锈 钢药芯焊丝，即， 。在即

22、将颁布的新标准中将增加 。这三种标准双相不锈钢 药芯焊丝熔敷金属的标准化学成分和 力学性能要求分别列于表和表。 某些市售标准型和非标准型双相 不锈钢药芯焊丝熔敷金属的典型化学 成分和力学性能分别列于表和表， 这些药芯焊丝的主要特性和用途详见 表。 双相不锈钢焊接用保护气体 焊用保护气体 双相不锈钢焊通常采用纯氩作 保护气体。在气中加入，可大 大提高焊缝金属的耐蚀性，特别是抗 点蚀能力。但过量的可能引起焊缝 中产生气孔。 在保护气体中加入，可明 显提高电弧的能量，由此可加快焊接 速度，但不推荐加入，因 为双相不锈钢铁素体含量较高，可能 促使氢脆。 单面焊根部焊道焊接时，焊缝背 面应通成形气体，可

23、以采用纯氩，也 可使用。试验证明，在 注：未列数据引自，和公司最新产品样本。 表 焊丝商品牌号 市售双相不锈钢药芯焊丝熔敷金属典型力学性能 冲击性能 硬度 屈服强度 抗拉强度 伸长率（） 试验温度/ 冲击功 注：表列数据引自，和公司最新产品样本。 现代焊接 年第期 总第期 现代焊接 表 焊丝商品牌号 焊丝标准型号 市售双相不锈钢药芯焊丝主要特性和用途 用 途 主 要 特 性 焊缝金属组织，奥氏体铁素体，具有较高的强度和耐蚀性；保护气体 用于双相不锈钢的 推荐成分： 流量；适用焊接位置：平、横 。 焊缝金属组织和性能同；适用的保护气体： 焊接 用于双相不锈钢的 焊接 流量；适用焊接位置：平、横、

24、立向上、向下、仰。 焊缝金属组织：奥氏体铁素体。在硝酸溶液中具有很好的耐点蚀和抗 用于双相不锈钢的 应力腐蚀裂纹性能；推荐的保护气体成分： 气体流量： 焊接 ；适用焊接位置：平、横。 焊缝金属组织和性能同；推荐的保护气体： 流量 用于双相不锈钢的 焊接 ；适用的焊接位置：平、横、立向下、向下、仰。 焊缝金属组织：奥氏体铁素体在含氯化物介质中，具有相当高的耐点 用于双相不锈钢的 蚀和抗应力腐蚀裂纹的性能；推荐的保护气体： 流量： 焊接 ；适用的焊接位置：平、横、立向上。 焊缝金属组织和性能同；推荐保护气体： 流量 用于双相不锈钢的 焊接 ；适用的焊接位置：平、横、立向上、向下、仰。 焊缝金属组织

25、，奥氏体铁素体，具有相当好的耐晶间腐蚀，点蚀和抗应 用于等双相不锈钢 力腐蚀性能；推荐的保护气体：；适用的焊接位置：平、横、立、仰 的焊接 焊缝金属组织：奥氏体铁素体；点蚀指数大于；推荐的保护气体： 用于，双相 流量；适用的焊接位置：平、横 不锈钢的焊接 焊缝金属组织，奥氏体铁素体，具相当高的耐点蚀、晶间腐蚀和应力腐 用于焊接， 蚀裂纹性能；推荐的保护气体：混合气体；焊接位置：平、横、立、仰 双相不锈钢 焊缝金属组织，奥氏体铁素体。点蚀指数。临界点蚀温度 用于焊接， 推荐的保护气体： 流量；适用焊接位置：平、横、 等超级双相不锈钢 立、仰 焊缝金属组织：奥氏体铁素体；推荐保护气体：混合气体；适

26、 用于焊接， 等超级双相不锈钢 用焊接位置：平、横、立、仰 焊缝金属组织：奥氏体铁素体；推荐的保护气体： ；流 用于焊接、 等双相不锈钢 量；适用焊接位置：平、横 焊缝金属组织：奥氏体铁素体；推荐的保护气体： ；流 用于焊接、 等双相不锈钢 量；适用焊接位置：平、横、立、仰。 成形气体中加入，对焊缝金属的性 能未产生有害的影响。 气体 双相不锈钢熔化极气体保护焊可 以采用纯作保护气体，即焊。 但因焊缝成形不良，目前极大多数改 用或 混合气体，即焊。 其中和的比例应为。过量 的和将使焊缝表面氧化强烈。图 示出保护气体的成分对焊缝表面氧 化色和熔透形状的影响，从中可见， 在气中加入，已使焊缝表面

27、氧化较为严重。同时试验证明，焊缝 金属的塑性和韧性亦有所下降。 双相不锈钢焊保护 大量的试验结果表明，采用 四元保护气 体和脉冲电弧可以获得最佳的效果， 不仅电弧十分稳定，熔池金属流动性 改善，而且电弧能量提高，焊接速度 增加。 护气体 双相不锈钢药芯焊丝电弧焊通常 使用作保护气体，也 可使用作保护气体，但电弧 稳定性和焊缝成形较差，与混合气体 相比熔深略有增加。在纯气体保护 下焊接时，电弧电压应比混合气体调 高，以改善焊缝的成形。 双相不锈钢药芯焊丝电弧焊保 双相不锈钢等离子弧焊和激光 双相不锈钢等离子弧焊通常采用 焊保护气体 纯氩或。这两种气体 既可作离子气，亦可作保护气体。在 气中加入可提高焊缝金属 的耐蚀性。 激光焊可采用纯氩、氮、氦或其 混合气体进行。当使用激光器或固 体激光器焊接时，为保证焊缝的高质 量，还需加保护气体。因为激光束与 保护气体的相互作用影响热量向工