用特殊焊接工艺解决双相不锈钢焊接问题？

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1.概述

双向不锈钢是指金相组织具有铁素体与奥氏体双相组织的不锈钢种，在固溶组织中铁素体与奥氏体各占约50%的比例，一般较少相的含量也在30%以上。金相组织决定了铁素体-奥氏体双相不锈钢的性能介于铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢之间，兼具两种不锈钢的优点，不仅具有良好的塑性、韧性、耐腐蚀性和焊接性，而且具有更强于其他种类不锈钢的抗晶间腐蚀能力，因此在能源、化工、制药、造纸、海水淡化等领域有着广泛的应用。中电建核电沙特吉赞项目面对业主阿美石油公司的高标准、严要求，将双相不锈钢应用于公用水、消防水系统，使管道系统在服役环境差、抗腐蚀要求高的条件下得以长久工作。

2.S32205的焊接工艺

根据项目施工需求，依据ASME IX和ASME B31.3要求制定了S32205双相不锈钢的焊接工艺，工艺评定焊接接头尺寸如图1所示。

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图1   S32205 双相不锈钢焊接接头示意

注：a=70˚    b=3.91mm     c=4.0mm     d=0.8mm

（1）母材  

双相不锈钢是在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素，本文介绍的工艺采用UNS S32205钢管，厚度3.91mm，管径2in（1in=25.4mm）。

其化学成分及力学性能根据ASTM A790规定如表1、表2所示。

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S32205双相不锈钢中含碳量低于0.03%属于超低碳不锈钢，超低的碳含量可以提高材料的焊接性，降低碳化物在晶界析出的倾向，使得晶间耐腐蚀性提高。氮元素的加入可以改善焊接后金属抗腐蚀能力，改善焊缝处力学性能，促进形成双相组织，平衡两相的比例，高含量的铬、钼元素可提高钢材抗腐蚀性。

（2）焊材选择   

选取合适的焊材能控制焊后组织铁素体和奥氏体比例，使两相比例合理，且获得力学性能大于等于母材的焊接接头，经过对比焊材采用BOHLER公司ER2594焊丝，直径为1.6〜2.4mm。选用的主要原因是ER2594焊丝化学成分中镍元素含量较母材中含量相对提高，能在焊后快速冷却过程中促进奥氏体形成，稳定两相比例，若只选用与母材成分相同的焊材，则焊缝中铁素体含量较高。焊材化学成分如表3所示。

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（3）预热、热输入与层间温度  

双相不锈钢靠着合理的双相比例而发挥性能，焊后应保证铁素体和奥氏体两相保持合理的比例，焊接一般选用小热输入、快速焊接的方法，容易使得焊缝冷却速度过快，高温铁素体向奥氏体转变时间过短，则焊缝和热影响区域会产生过多的铁素体组织，而奥氏体组织不足，会降低双相不锈钢的抗腐蚀性和焊接接头处的韧性。因此母材预热温度应≥10℃，在沙特吉赞项目常年高温环境下室温即可。若选用较大的热输入量，则冷却速度过慢会使得铁素体晶粒粗大，且会产生金属间相，同样降低接头韧性与抗腐蚀性。

进行多道焊时，应当控制层间温度，层间温度过大会导致热量积累，受热区域增大，热影响区变宽，同时导致晶粒粗大，降低强度与韧性，需控制焊道层间温度不超过58℃。

（4）焊接工艺  

采用气体保护钨极氩弧焊（GTAW），保护气体采用98%Ar与2%N2的混合气体，使用纯氩气保护焊丝熔化产生熔池中的氮元素会形成氮气逸出，前文所述氮元素可以增加奥氏体相含量，平衡铁素体、奥氏体两相比例，加入1%~5%氮气的混合保护气体具有较好的工艺性，特别是根部焊缝，氮气保护尤为重要。当混合气体中氮气含量超过5%时钨极易烧损，造成电弧不稳定。因此选用98%Ar+2%N2混合保护气体钨极氩弧焊。

焊接时保持背部持续充入保护气体，背部充入保护气体后氧气含量应低于0.05%。

采用焊接电流70~110A，电弧电压10~16V，焊接速度40~95mm/min，层间温度＜58℃的工艺进行焊接。焊接接头根部焊道使用ϕ2.4mm的焊丝打底，填充及盖面层焊道使用ϕ1.6〜ϕ2.4mm的焊丝打底。热输入量要小，不得超越工艺规程中热输入量的要求，填充、盖面时的热输入量不得高于打底时的热输入量。

焊接参数如表4所示，焊接完成的焊口如图2所示。

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图2  焊接完成的焊口

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（5）焊缝组织与力学性能  

S32205不锈钢焊后凝固过程，铁素体组织先凝固，后随温度降低，部分铁素体在晶界处开始转变为奥氏体，并向铁素体晶内生长，焊后腐蚀试验组织如图3所示。

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图3  S32205双相不锈钢焊缝腐蚀试验结果焊缝组织

试验结果表明，铁素体相比例为42.5%±7%，组织比例满足要求。焊缝及热影响区处各项力学性能试验结果显示，最小抗拉强度858MPa，弯曲试验结果合格，最大硬度265.2HBW，冲击试验在-20℃下焊缝处KV=35~45J，热影响区KV=48~55J，力学性能都优于母材且符合标准。

3.无损检测特殊要求

（1）打底完成后需要进行PT检测，合格后进行填充层焊接（见图4）。

（2）铁素体含量测定应在已完成的焊缝中心30%~60%内测定（见图5）。

（3）对所有焊后的焊缝取20%进行焊缝区域和热影响区的硬度测试，硬度值不得超过285HBW。

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图4  PT检测

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图5  铁素体含量测定

4.结语

S32205双相不锈钢有着较好的焊接性和力学性能，能适用于电厂服役环境。本文制定了合理的焊接工艺，并提出了施工过程中对双相不锈钢焊接及无损检测的特殊要求，保证了现场焊接施工质量。



作者介绍：徐桂冲等，中国电建核电工程有限公司。

来源《金属加工》