双相不锈钢及其焊接

1、双相不锈钢及其焊接1 材料介绍1.1 双相不锈钢所谓双相不锈钢即铁素体 -奥氏体双相不锈钢。双相不锈钢的相对组成主要取决于化学元素 的含量,根据舍夫勒组织图（详见图 1）估计,其相对组成 30 %70 %为铁素体、70 %30 % 为奥氏体。双相不锈钢中合金含量较高，因而在许多介质中它的耐腐蚀性很强，再加上双相组织阻碍了晶粒的长大，使双相钢的晶粒度较小，从而使双相不锈钢具有极好的力学性能。双相不锈钢 经历了一个较长的发展过程，现如今国内外相继开发了一系列新型双相不锈钢，若干牌号已在生产实践中应用。根据化学元素 Cr 含量的不同，可将双相不锈钢分为 Cr18 型、Cr22 型、 Cr23 型和

2、Cr25 型等。1.3 使用情况双相不锈钢是根据石油化工中强酸强碱造成的局部点蚀、应力腐蚀以及孔穴式腐蚀现象，一般不锈钢难以胜任的容器、管道以及零部件等而研制的，但由于双相不锈钢除具有很强的各类抗 腐蚀性能之外，还具有很好的强度和韧性，为此，在一般民用工程和能源交通方面也逐步得到 越来越多的应用，如桥梁、飞机、船舶、汽车以及沿海城市和化工区的装饰建筑等。Cr18 型（SRE60 ）和 Cr22 型（SA F2205）这两种钢常用于含氯化物的环境，如含氯化 物的水溶液或微咸水作为冷却介质的热交换器，也适用于稀释的硫酸溶液和纯有机酸及其混合液，如石油化工业中脱盐、脱硫等装置。（2）Cr23 型（S

3、AF2304）用于有应力腐蚀及酸性介质的环境（在酸性环境中类似或优于316L）。如石油化工业中带碳钢的管壳式反应器，石油天然气工业中冷凝器、管道、集油管 等。（3）Cr25 型（SAF2507） 是专为氯化物环境而开发的，适用于滨海工业专用的液压和甲醇管 道、地热或盐水条件下的热交换器及其他设备，也可用于尿素汽提塔、反应器、搅拌器等化工 设备。2 双相不锈钢的化学成分和性能2.1 双相钢力学性能及影响因素表 1 双相钢典型钢种的室温力学性能钢种标准 牌号(T0.2/MPa(T b/Mpa5/%AK/JAISI304UNS S30400210515 69045 300AISI430UNS S43

4、00020545020SAF2304UNS S3230440060082025300SAF2205UNS S3180345068088025250SAF2507UNS S32750550800100025230双相钢力学性能的影响因素主要有合金元素、晶粒度以及相比例等。由表二中可以看出： 双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的 23 倍，SAF2507 钢的屈服强度比其他双相不锈钢的高 原因在于氮元素的强化作用。而在奥氏体不锈钢的内部晶粒之间有更多的滑移面，所以它的延伸率明显高于双相不锈钢。在双相钢中的主要合金元素 Cr、Ni、Mo、N 等对钢的各项性能 都起到了很重要的作用。a 化学成分（见表

5、 2）：表 2 部分奥氏体不锈钢和双相不锈钢的典型化学成分对比（约数值）组织钢种化学成分（质量分数）%PRENCCrNiMoN奥氏体308L0.03201020316L0.031812225双相不锈钢22050.0322530.15342550.0325630.203825070.0325740.2542钢的抗点蚀和缝隙腐蚀能力主要由 Cr、Mo 和 Ni 元素含量决定，用来衡量这种抗腐蚀性能的指数就是 PREN 值（抗点蚀当量），PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%。其他合金元素作用此处不再 详述。b 晶粒度的影响双相不锈钢的晶粒度对其屈服强度和韧性起重要作用。细小的晶粒使钢材具有较高的

6、屈服强度和韧性。而晶粒度的增加也会引起脆性转变温度的升高，例如IN-744 钢，当晶粒尺寸由 2pm增加到 25pm 时，脆性转变温度大约由-130C上升至-45C,所以晶粒度的增加会降低钢材的低 温冲击韧性。相比例的影响在这里不再详述。2.2 双相不锈钢接头的耐腐蚀性能双相不锈钢不仅有很好的力学性能，而且还具有十分优异的耐点蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳 等性能。它的接头也有很好的耐点蚀和耐氯化物应力腐蚀开裂性能，晶间腐蚀性能也不低于母材，但抗 H2S 应力腐蚀开裂能力较差。接头耐蚀性最不良的地方是近缝区（HAZ ），主要原因是近缝区析出第二相（铬的氮化物）形成了 “贫铬”层所导致。2.2.1

7、点蚀和缝隙腐蚀抗点蚀当量 PREN 的计算式定量地描述了 Cr、Mo、N 元素对它的影响。公式只考虑了 Cr、 Mo、N的作用，没有考虑组织的不均匀和析出相的影响。选择合适的固溶处理温度使两相分 别具有相当的PREN 值，才能使钢具有最佳的耐点蚀性能。2.2.2 应力腐蚀双相不锈钢的屈服强度比普通不锈钢高，所以产生应力腐蚀开裂（SCC）的临界应力值也高；钢中第二相的存在对裂纹的扩展起机械屏障作用，延长了裂纹的扩展期；在中性氯化物介质中，不锈钢多以点蚀为 SCC 的裂源，而双相不锈钢的成分和组织特点使点蚀不易形成，延长了点 蚀的孕育期。所以抗双相不锈钢抗 SCC 能力很强。各种不锈钢和双相钢的

8、SCC 敏感性还与温 度和氯化物的浓度有关，在较宽的氯离子浓度范围内SCC 是否发生取决于温度。2.2.3 耐腐蚀疲劳腐蚀疲劳是由于腐蚀和循环应力的联合作用而引起的一种腐蚀形态，所受的应力大部分循环应力。当循环应力比较小而腐蚀介质较强时，腐蚀疲劳源往往产生于表面区的非金属夹杂上，这又是产生局部腐蚀的地方，而对于双相不锈钢尤其是高铬双相不锈钢来说，既具备了很高的抗 局部腐蚀的能力又有很高的强度，所以双相不锈钢的抗腐蚀疲劳能力也很强。由于双相不锈钢既有良好的耐腐蚀性又有很高的硬度，所以它的在磨损腐蚀性能也很好。 经过实践许多例子证明双相不锈钢的耐晶间腐蚀、耐均匀腐蚀等方面都有很优异的性能。2.3

9、双相不锈钢使用的局限性与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：a 应用的普遍性和多面性不如不锈钢，并且使用温度必须控制在-50C250C。b 塑性比奥氏体不锈钢低，冷、热加工工艺和成型性能稍差。c 存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接工艺制度，以避免有害相的出现，否则损害性 能。2.3 焊接中可能存在的问题1）SAF2205 双相钢的S相脆化在 Fe-Cr 二元合金中，S相中含 Cr 约为 25%，形成温度为 520-820C，有很多合金元素可置换S相中的 Fe 和 Cr 原子，从而使S相生成于稳定的温度区间和几率增大。S相析出主要在相中 进行，如果S相含有较多的 Mo 时，即可提高S稳

10、定存在温度区，又能加速S相的析出过程。 咼铬双相不锈钢容易产生S相脆化现象。表 3 双相不锈钢固溶处理及（T 相和 475.C 脆性的温度范围内容2205 双相钢及 2507 等超级双相钢 00Cr25Ni7Mo3CuN 等固溶处理温度/。C10401025-1100在空气中加热 起皮温度/。C10001000S相形成温度/。C600-1000600-1000475.C 脆化温度/。C300-525300-5252） 焊接接头的氢脆和氢致裂纹双相不锈钢凝固结晶为单相铁素体，但是一般的拘束条件下，焊缝金属的热裂纹很小。当S/丫适当时，冷裂纹敏感性也较低，但双相不锈钢中毕竟含有较高的S相，当拘束度

11、较大及焊缝金属含氢量较高时，还存在氢致裂纹的危险。通过对模拟焊接热影响区的试棒研究了双相不锈钢 的氢脆与显微组织之间的关系，并采用断裂应变评定了氢脆敏感性，结果表明氢脆主要发生于S相，而且氢脆的敏感性随峰值温度的升高而增加。3） 焊接接头的应力腐蚀开裂从双相不锈钢应力与断裂时间的延迟破坏之间的关系可知，母材的临界应力达到破坏应力的90%,氢脆应力腐蚀开裂的敏感性很低，焊缝金属的临界应力为破坏应力的 70%,相当于S0.2 的 95%，由于焊缝周围的残余应力可以超过S0.2,因此焊接接头容易产生腐蚀开裂。4） 焊接接头的点蚀由于冷却速度对点蚀点位的影响较为显著，因此，同样的含N 量在冷却速度不同

12、的条件下点蚀电位相差很大。由此可见，含N 量较低的双相不锈钢的点蚀电位对冷却速度很敏感，在焊接含 N 量较低的双相不锈钢时对冷却速度的控制要求更严。3 双相不锈钢压力容器制造3.1 成形一般成形应为冷成形，如封头、筒体、弯头等，但也可热成形。对于复合钢板（复层 为双相不锈钢）成形方式还要考虑基层的钢种和使用条件。3.2 机加工因双相不锈钢韧性好、强度高，故机加工比一般奥氏体不锈钢要困难。实践证明，大功率机床配上合适的刀具在较低速度、重进刀量下可加工出高质量的双相不锈钢零件。一般来说，采用碳化钨刀具，粗加工时切削速度比奥氏体不锈钢降低大约40 %,精加工时降低大约 20 %就可满足要求。3.3

13、焊接为了保证双相不锈钢焊缝金属和热影响区的韧性和耐腐蚀性与母材金属一致，要求焊接时热输入既不能太低，也不能太高。3.3.1 双相不锈钢的焊接特点（1）Cr18 型双相不锈钢焊接特点这种类型钢属于 Cr 含量较低的超低碳双相钢，475C脆性和c相脆化倾向较小，双相组 织较为稳定，具有良好的可焊接性，焊前不预热，焊后也无需热处理。采用不锈钢常规制造方 法进行即可。这种钢与同类材料相焊一般选用奥 312 超低碳焊条，与异种钢相焊焊材也可按此 选择。Cr22 型双相不锈钢焊接特点焊接特点与 Cr18 型基本一样，其同种和异种钢焊接一般推荐选择E309MOL 焊条，或选用 221913L R （SAND

14、VIK 焊条），焊丝选择 221813L （SANDVIK 焊丝）。Cr23 型双相不锈钢焊接特点焊接特点与 Cr18 型基本一样，其同种和异种钢焊接一般推荐选用 2511014L R（SAND2VIK 焊条），焊丝选用 2511014L （ SANDVIK 焊丝）。Cr25 型双相不锈钢焊接特点这类钢仍有良好的可焊性，但当含 Mo 时，有明显的 475C脆性倾向,也有c相脆化倾向,所以应严格控制焊接规范。国产焊材一般推荐选择 Cr25Ni20 或镍基焊条、焊丝,国外焊材一 般推荐 221913 L R（ SANDVIK 焊条）,焊丝选用 221813L （SANDVIK 焊丝）。总之，双相不

15、锈钢可焊性较好，一般无需焊前预热和焊后热处理。当其厚度 10mm 时，推 荐焊前预热最高温度为 100C,层间温度控制在 150C200C。若焊后需进行固溶热处理, 就不要求限制层间温度。3.3.2 双相钢焊接工艺 1）焊前准备采用机加工制备试板坡口，用不锈钢专用砂轮片打磨坡口及坡口两侧各 30mm 范围, 并用丙酮清洗，以除去氧化膜、油污。2） 焊接方法一般的焊接方法，如焊条电弧焊、钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊埋弧焊等，都可 用于双相不锈钢的焊接。焊条电弧焊时最常用的焊接工艺方法，其特点灵活方便，并可实现全位置焊接，因此焊条电弧焊时焊接修复的常用工艺方法。钨极氩弧焊的特点时焊接质量优良， 自

16、动化的焊接效率也较高，因此广泛用于管道的封底焊缝及薄壁管道的焊接。钨极氩弧焊的保 护气体通常采用纯 Ar，当进行管道封底焊时，应采用 A 叶 2%N2 或 A 叶 5%N2 保护气体，同时 还应采用纯 Ar 或高纯 N 进行焊缝背面保护，以防止根部焊道的铁素体化。熔化极气体保护焊 的特点时较高的熔敷效率，即可采用较灵活的半自动焊，也可实现自动焊。3） 焊材的选择对焊后要直接使用的双相不锈钢管，使用焊接材料的化学成分通常与母材略有不 同,要求焊材中的 Ni 含量要高于母材（约高 2%4% ） , N 含量一般略低于母材,以促进铁素体向 奥氏体的转变,并稳定焊缝中的奥氏体相。另外,由于 00Cr2

17、2Ni5Mo3N 属于超低碳双相不锈钢, 因此在选择焊接材料时，也必须选用超低碳系列，以保证焊接接头的使用性能，确保焊缝的综合 性能与母材匹配。4）焊接工艺参数的选择a 坡口尺寸:采用 60 V 形坡口,钝边 1.0 mm,间隙 3. 0mm; 如右图所示；5）操作要求a 焊接时，不需要对管件进行预热，但应严格控制层间温度和热输入。过高的焊接热输入，虽然有 利于热影响区和焊缝金属的铁素体向奥氏体转变，可以得到足够数量的奥氏体，但容易造成铁素 体晶粒长大,甚至产生有害的金属间相，使韧性下降。因此，在避免形成单一铁素体组织的情况下 尽可能选用低的焊接热输入。b 控制热输入在 515 kJ / cm

18、 范围内，层间温度 150C。同时尽可能选择多道焊，因为后续焊 道对前道焊缝有热处理作用，使焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体，成为奥氏体占优势的 两相组织，同时热影响区中的奥氏体数量也会增多，从而使整个焊接接头的组织和性能得到改善。 焊接过程中,使用新的未被污染的砂轮清理焊道。焊逍焊接方法蹴A4 压/V保护气-*PJItn tn）探护气焊按速度/(an in m.i热输入 fl kJ raiijOTAW99 15010-1111 r L28 -97 7L填充 1130 1701Q11100%Ar6P11me.填充 292 - WI20 - 2610 12WE 391 *1062026g -

19、12g rg填充 4104 115207 百18 - L97 TO諮面SMAW104 - 1U24-2112 IS1013b 焊接工艺参数5) 焊接熔池及背面的保护气体保护焊时保护气体中加氮可以提高焊缝的耐蚀性。有效的背面 气体保护是保证焊接质量的前提，保护气体的纯度应满足工艺要求，应采取有效的背面保护工 装，开始焊接时要对焊缝背面的氧含量进行检测，满足工艺要求后才能开始焊接。6) 定位焊缝定位焊缝焊接时，如果长度过短，焊接未建立起平衡过程即结束，焊缝冷却会很快,可 能导致铁素体含量过高、低韧性并因氮化物析出而降低耐腐蚀性能。因此，如采用定位焊，对定 位焊缝的最短长度应进行规定，且应采用较大热

20、输入规范参数。7) 焊接过程材料的保护材料表面的弧击和起弧，是一个瞬间的高温过程，冷却速度很快，表面 显微组织中铁素体含量很高，这种组织对裂纹和腐蚀很敏感，应尽力避免，如果产生必须用细 砂轮打磨去除。现场焊接过程中材料的保护非常重要，应避免碳钢、铜、低熔点金属或其它杂 质对不锈钢的污染，可能情况下，不锈钢和碳钢管应分开存放和焊接。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击、渗碳、局部过热等。333 双相不锈钢换热管与 3 1 6L 管板焊接a 焊接方法钨极氩弧焊具有热量集中、保护效果好、溶池体积易于控制以及焊缝和近缝区均不易过热， 可 有效地防止热裂纹和渗透裂纹的特点。因此，本试验当中的 3161 管板与 S31803 换热管之间 米用钨极氩弧焊方法。b 焊前准备用不锈钢丝刷将待焊部位的表面及附近清理干净至出现不锈钢金属光泽，然后用丙酮液清洗。换热管管板焊接接头型式见图 I。焊丝材料采用符合美国标准 AWS A5 . 9 9 的 ER2209 焊丝，直径 2mm,采用直流正接，保护 气体为氩气，其体积流量控制在 1318 L/ rain。c 焊接参数焊道焊接电流 A焊接电压 V气体流量 L/min层