2205雙相不銹鋼管的焊接性研究分析

  浙江至德鋼業(yè)有限公司綜述了國內(nèi)外對(duì)2205雙相不銹鋼管的焊接性研究進(jìn)展及采用的研究方法和取得的成果。結(jié)果表明,焊接過程中的熱輸入和冷卻速率強(qiáng)烈影響鐵素體和奧氏體的相平衡,當(dāng)采用很低的熱輸入時(shí),由于快速冷卻仍使得焊接熱影響區(qū)的鐵素體含量偏高,對(duì)沖擊韌性不利;但是過高的熱輸入會(huì)由于冷卻太慢而使得氮在鐵素體中析出,同樣對(duì)沖擊韌性不利。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中通過調(diào)整焊接熱輸入可以得到最佳的焊接熱影響區(qū)性能。

 雙相不銹鋼管已成為一種重要的工程材料,廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工等領(lǐng)域的大型容器、管道以及造紙、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的控制設(shè)備等工業(yè)之中,有望成為奧氏體不銹鋼管的替代產(chǎn)品。雙相不銹鋼管具有優(yōu)良的綜合性能,如高強(qiáng)度、高抗疲勞強(qiáng)度、低溫高韌性、耐孔蝕性、對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋不敏感等,在-50~280℃范圍內(nèi)常常具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能和有競爭力的價(jià)格。雙相不銹鋼管無論在生產(chǎn)還是加工方面都逐漸成熟,不僅鋼種和產(chǎn)品種類齊全,而且質(zhì)量也很高。但是雙相不銹鋼管的使用溫度有限,只能在300℃以下使用，這是由于其具有一定的脆化傾向。

 全世界雙相不銹鋼管產(chǎn)量的80%是2205雙相不銹鋼管。隨著2205雙相不銹鋼管在我國的大量使用,例如在西氣東輸工程的部分重要管道工程中采用了2205雙相不銹鋼管,總結(jié)和探討國內(nèi)外對(duì)2205不銹鋼管焊接性的研究成果,對(duì)于2205雙相不銹鋼管的推廣使用具有重要的工程實(shí)用意義。

一、2205雙相不銹鋼管

 2205雙相不銹鋼管是一種鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%的雙相不銹鋼管，其力學(xué)性能與鋼板的回火溫度有關(guān),回火溫度越高,強(qiáng)度越低?；鼗饻囟葹?00℃時(shí),屈服強(qiáng)度為400MPa,抗拉強(qiáng)度為650MPa。雙相不銹鋼管的金相組織由鐵素體(黑色)和奧氏體(白色)二相組成,具有體積分?jǐn)?shù)大體相等的特征。因此,雙相不銹鋼管兼有奧氏體不銹鋼管與鐵素體不銹鋼管的雙重特征。與鐵素體不銹鋼管相比,其韌性高,韌脆轉(zhuǎn)變溫度低,耐晶間腐蝕性能和焊接性能顯著提高,同時(shí)保留了鐵素體不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小、具有超塑性等特性。而與奧氏體不銹鋼管相比,屈服強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度顯著提高,約為奧氏體不銹鋼管的2倍,且耐晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等性能有明顯改善。

 氮在強(qiáng)化2205雙相不銹鋼管中起著重要的作用,但當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.2%時(shí),由于氮的間隙固溶強(qiáng)化使得奧氏體的強(qiáng)度大于鐵素體。增加鐵素體的含量,會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性降低,也導(dǎo)致氮在鐵素體中的析出,生成氮化鉻,因?yàn)榈阼F素體中比在奧氏體中的溶解度低。冷加工能降低2205雙相不銹鋼管的沖擊韌性,提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度。而在280~350℃區(qū)間過渡時(shí)效也會(huì)導(dǎo)致韌性降低。

二、焊接性與工藝研究

  焊接熱循環(huán)的最高溫度和快速冷卻可促使雙相不銹鋼管組織鐵素體化,由于鐵素體含量的增加導(dǎo)致了沖擊韌性和耐蝕性降低,因此可以采用增加氮含量以穩(wěn)定奧氏體組織和促使從鐵素體中析出奧氏體的方法,來改善雙相不銹鋼管的焊接性。2205雙相不銹鋼管在焊接過程中,最為突出的問題也是熱循環(huán)對(duì)焊接接頭微觀組織及其塑韌性和抗腐蝕性的影響。

 與奧氏體不銹鋼管的焊接相比,2205雙相不銹鋼管的焊接對(duì)污染更敏感,特別是對(duì)濕氣和水分。任何類型的油污、油脂和水分等污染會(huì)影響材料的抗腐蝕性及力學(xué)性能,因此在焊接前要對(duì)材料嚴(yán)格清理。雙相不銹鋼的焊接接頭形式應(yīng)預(yù)先經(jīng)過很好的準(zhǔn)備,焊接坡口最好采用機(jī)械加工,不宜采用砂輪打磨的方法,要避免坡口表面粗糙與間隙不均勻。通常情況下,雙相不銹鋼管的焊接不采用預(yù)熱,因?yàn)轭A(yù)熱會(huì)降低焊接熱影響區(qū)的冷卻速度。當(dāng)然,預(yù)熱對(duì)于降低鋼材表面的濕氣是有益的,當(dāng)采用預(yù)熱的方法降低濕氣時(shí),首先必須清理焊接表面,然后均勻地加熱到95℃。如果焊縫的冷卻速度太快,使得焊接熱影響區(qū)的鐵素體含量增加太大時(shí),采用預(yù)熱是有意義的。例如,將薄板焊接到厚板上、容器上焊接襯墊等情況下冷卻速度是很快的,可以考慮預(yù)熱。

 與奧氏體鋼管相比,雙相不銹鋼管具有導(dǎo)熱性好,熱膨脹系數(shù)低的特點(diǎn),因此不會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力,具有更高的抵抗熱裂紋的能力,故雙相不繡鋼管可以采用大線能量焊接,最大的層間溫度在150℃。在實(shí)際焊接中,必須保證層間溫度不高于工藝試驗(yàn)設(shè)定的層間溫度。當(dāng)焊接量很大時(shí),應(yīng)合理地安排焊接順序以保證焊層之間有足夠的時(shí)間冷卻,這樣既能保證層間溫度,又能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。焊接工藝評(píng)定的試板尺寸會(huì)影響冷卻速度和層間溫度,要注意焊接工藝評(píng)定確定的層間溫度應(yīng)比實(shí)際焊接時(shí)低。因此,工藝評(píng)定不能預(yù)測由于在實(shí)際中采用較高的層間溫度而導(dǎo)致冷卻速度降低的程度。

 焊后不必?zé)崽幚?因?yàn)殡p相不銹鋼對(duì)300~1000℃的溫度很敏感。在300~700℃進(jìn)行消除應(yīng)力處理會(huì)導(dǎo)致A相析出而產(chǎn)生475℃脆化現(xiàn)象,引起韌性和抗腐蝕性降低。在700~1000℃進(jìn)行應(yīng)力消除處理,會(huì)導(dǎo)致金屬間化合物的析出,也會(huì)引起韌性和抗腐蝕性的降低。

 浙江至德鋼業(yè)有限公司在研究現(xiàn)代雙相不銹鋼管的發(fā)展及有關(guān)焊接方面若干問題的基礎(chǔ)上,對(duì)2205雙相不銹鋼管進(jìn)行了MIG焊接試驗(yàn),研究了熱輸入量對(duì)焊縫的金相組織、鐵素體含量、硬度及沖擊韌性的影響,以及混合保護(hù)氣體對(duì)焊縫成型及性能的影響。研究結(jié)果表明,2205雙相不銹鋼管具有良好的可焊性,采用MIG焊在不同的規(guī)范下均可以獲得性能優(yōu)異的焊縫,混合保護(hù)氣較純氬保護(hù)時(shí)可以獲得更大的熔深和更好的焊縫形狀。熔敷金屬中鐵素體含量與母材相近,沖擊韌性值亦較高,但其硬度較母材會(huì)有所提高。熱輸入量的增加會(huì)引起熔敷金屬及熱影響區(qū)的晶粒粗大,硬度降低,熔敷金屬中鐵素體的含量亦隨之減小。沖擊韌性值僅在-100℃時(shí)才有明顯的下降?；旌蠚怏w比純氬可獲得更大的溶深和更好的焊縫成型。文獻(xiàn)比較了兩種焊接方法(GTAW和MMA)在焊接SAF2205雙相不銹鋼管道時(shí)的焊接接頭組織、力學(xué)性能和斷裂韌性。研究結(jié)果表明,焊接工藝線能量的大小對(duì)焊接接頭中兩相比例影響較大。具有較高線能量和使用含氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體的GTAW焊接接頭具有比MMA焊接接頭更優(yōu)異的兩相比例。盡管GTAW焊接接頭與MMA焊接接頭的抗拉強(qiáng)度相近,但塑性、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性前者都優(yōu)于后者。至德鋼業(yè)針對(duì)SAF2205雙相不銹鋼管的焊接問題,通過一系列焊接試驗(yàn),找到了一套合適的焊接工藝,解決了手工鎢極氬弧焊時(shí)雙相比例不易控制的難題。

三、組織預(yù)測與數(shù)值模擬

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用熱模擬的方法研究了雙相不銹鋼管的晶粒長大規(guī)律。研究表明,雙相不銹鋼管中奧氏體晶粒的長大可以用下式表述。雙相不銹鋼管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其各種性能較之奧氏體鋼有了很大的改善,特別是良好的導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)接近于一般的低碳鋼,這也給結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了很大的好處。這種新型材料的焊接問題,特別是焊接冶金及焊接工藝等也受到了很大的關(guān)注。至德鋼業(yè)研究人員揭示了雙相不銹鋼不同于一般奧氏體鋼的結(jié)晶模式,精確地測定了各合金元素的當(dāng)量值,在此基礎(chǔ)上對(duì)相圖提出了修訂,使之能適合雙相不銹鋼管顯微組織的預(yù)測。

 至德鋼業(yè)利用以熱彈塑性理論為基礎(chǔ)的有限元數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)SAF2205雙相不銹鋼管道環(huán)焊縫接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬,研究對(duì)象是壁厚為6mm和20mm、內(nèi)徑為180mm的管道,采用610J/mm和840J/mm兩種線能量來焊接,焊接速度為3mm/s。模擬中假設(shè)焊接熱源為高速移動(dòng)熱源,在焊接時(shí)可認(rèn)為整個(gè)環(huán)焊縫是同時(shí)焊接,因此熱傳導(dǎo)是在管壁平面內(nèi)由焊縫中心向兩側(cè)進(jìn)行。分析計(jì)算中假設(shè)焊件受到內(nèi)部熱源的作用,焊接熱源是通過假設(shè)焊縫所在單元具有內(nèi)部熱生成來模擬。不同的焊接線能量下,在管道外表面焊縫中心線和離開焊縫一定距離處所受的焊接熱循環(huán)不同。由于熱輸入不同,在管道外表面焊縫中心所達(dá)到的最高溫度和隨后的冷卻速度有所差別,焊接熱輸入越高,加熱的峰值溫度越高,冷卻速度越小。兩種熱輸入的峰值溫度分別為1574.9℃和1868.3℃從800℃冷卻到500℃所用時(shí)間為7.5秒和12秒。焊接應(yīng)力場的計(jì)算結(jié)果表明,在管道的焊縫及近縫區(qū),內(nèi)表面軸向殘余應(yīng)力是拉伸應(yīng)力,外表面軸向殘余應(yīng)力是壓縮應(yīng)力,而內(nèi)外表面環(huán)向殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力。試驗(yàn)研究了不同的焊接線能量、管道內(nèi)徑與壁厚比值和多層焊對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明,殘余應(yīng)力受焊接線能量變化的影響不大,外表面殘余應(yīng)力和內(nèi)表面軸向殘余應(yīng)力都隨著壁厚增大而增大,多層焊的殘余應(yīng)力有不同程度降低。

四、雙相不銹鋼的點(diǎn)蝕

  隨著能源、化工及海洋工程的發(fā)展,在世界范圍內(nèi)對(duì)不銹鋼的需求不僅在產(chǎn)量方面迅速增加,而且對(duì)耐腐蝕性能方面的要求也在不斷提高,尤其對(duì)不銹鋼焊接接頭在含氯離子介質(zhì)中抗點(diǎn)蝕能力的要求越來越高。為滿足這種需要,西方工業(yè)國家一方面大力開發(fā)新鋼種,一方面積極開展焊接性能研究。

 浙江至德鋼業(yè)有限公司技術(shù)人員研究表明,R相的存在降低了SAF2205雙相不銹鋼管在10%硫酸和3.5%氯化鈉溶液中的腐蝕電位。只有當(dāng)R相超過21%時(shí),腐蝕電位才能顯著增大。在研究雙相不銹鋼管的選擇性腐蝕中得出: 在0.01mol/L的氯化鈉溶液中,A相的電位比C相高。根據(jù)母材臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT)的試驗(yàn)結(jié)果,利用小試樣的腐蝕實(shí)驗(yàn)方法研究了雙相不銹鋼焊接接頭的耐點(diǎn)蝕性能。結(jié)果表明,手工電弧焊工藝過程對(duì)雙相不銹鋼材料的耐點(diǎn)蝕性能具有顯著的影響,點(diǎn)蝕首先發(fā)生在焊縫金屬或焊接熱影響區(qū)(HAZ)中。雙相不銹鋼材料的耐點(diǎn)蝕性能與材料本身奧氏體相和鐵素體相比例有關(guān)。腐蝕試樣的表面狀態(tài)(粗糙度)對(duì)母材金屬的耐點(diǎn)蝕性能有明顯的影響,表面越粗糙,耐點(diǎn)蝕性能越差,臨界點(diǎn)蝕溫度越低。

 至德鋼業(yè)研究了鎳元素及不同模擬焊后熱影響區(qū)組織對(duì)2205雙相不銹鋼管孔蝕性質(zhì)的影響。雙相不銹鋼HAZ組織主要蝕孔發(fā)生位置,一般分布在較疏松的析出相周圍,析出位置不固定,可能在A相或C相中。但是在A相中,蝕孔數(shù)量相當(dāng)密集,且直徑大部分小于1Lm,與Cr2N析出有關(guān)。

 至德鋼業(yè)技術(shù)人員對(duì)00Cr18Ni5Mo3Si2雙相不銹鋼熱軋鋼板在950~1080℃溫度范圍內(nèi)的固溶處理對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。采用氬氧脫炭爐(AOD)精煉鑄錠,經(jīng)開坯并軋制成板厚為4.5mm的熱軋板卷。在板卷上切取試樣,并在試驗(yàn)室作固溶處理,控溫精度為±3℃, 按標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法6完成。隨著固溶溫度的增高,鋼中鐵素體含量增加。在950~1080℃之間固溶處理,無論是空冷還是水冷都表明雙相不銹鋼管的強(qiáng)度和塑性值是比較高的。在950~1080℃溫度范圍內(nèi)不同溫度和冷卻方式的固溶處理對(duì)力學(xué)性能沒有明顯影響?？梢?該雙相不銹鋼℃具有良好的穩(wěn)定性。

 研究了SAF2205雙相不銹鋼管和尿素級(jí)316不銹鋼管對(duì)接焊熱影響區(qū)在工業(yè)尿素合成介質(zhì)中的耐蝕性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)的耐蝕性有很大影響,腐蝕最重處是在距離熔合線3~6mm區(qū)域,局部腐蝕深度隨線能量的增加而增大。SAF2205不銹鋼管焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)腐蝕的敏感程度比316L不銹鋼管大。至德鋼業(yè)通過條件試驗(yàn)確定了腐蝕量化試驗(yàn)的方法,使得2205雙相不銹鋼管的點(diǎn)蝕試驗(yàn)符合材料的基本特性,避免了反復(fù)試驗(yàn)而不能用數(shù)據(jù)量化的情況,特別是焊接材料及熔敷金屬的試驗(yàn),使得此方法具有良好的通用性。

五、相比例的確定

 很多的研究結(jié)果都表明,雙相不銹鋼管焊縫中鐵素體和奧氏體含量的平衡,對(duì)焊縫的力學(xué)性能和抗蝕性能有著重要的影響。因此,為了評(píng)估結(jié)構(gòu)的工作性能,需要測定焊縫的兩相含量。除傳統(tǒng)的計(jì)點(diǎn)法外,近年來發(fā)展了一種擴(kuò)展鐵素體數(shù)(EFN)的測定系統(tǒng)，使磁性法測量也可以適用于現(xiàn)代雙相不銹鋼管。另外,還提出了一種包含有結(jié)晶模式界線的預(yù)測圖,可以預(yù)測0~100FN(約65%)的鐵素體含量。

 提到,GB6401)1986中采用了標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比法測定雙相比,其缺點(diǎn)是誤差大(±2.5%),判定含量范圍小(35%~75%),對(duì)于不規(guī)則金相組織難以判定,無法滿足此反應(yīng)器檢驗(yàn)要求。為獲得更精確的數(shù)值,采用網(wǎng)格交點(diǎn)記數(shù)法測定SAF2205不銹鋼管中的各相含量,采用網(wǎng)格目鏡進(jìn)行觀察,利用網(wǎng)格交點(diǎn)落在視場中的不同位置進(jìn)行定量測量。通過對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和誤差分析,最終得出標(biāo)準(zhǔn)誤差和試樣相含量范圍,并以此范圍作為判斷相含量合格與否的依據(jù)。

六、結(jié)束語

 雙相不銹鋼管的焊接性主要取決于焊接熱影響區(qū)(HAZ)的性能,焊接熱循環(huán)會(huì)對(duì)基體的組織和性能產(chǎn)生很大的影響。熱影響區(qū)的硬度和熱輸入有關(guān),冷卻速率增加,硬度增大;冷卻速率影響熱影響區(qū)的沖擊韌性,存在一個(gè)臨界的冷卻速率,超過和小于此冷卻速率,沖擊韌性都將降低;冷卻速度增加(快速冷卻)導(dǎo)致高溫和低溫的沖擊韌性降低,是因?yàn)殍F素體含量增加以及氮在鐵素體中的析出。熱影響區(qū)的臨界點(diǎn)蝕溫度和冷卻速率有關(guān),冷卻速率小導(dǎo)致點(diǎn)蝕阻力增大。焊接過程中的熱輸入和冷卻速率強(qiáng)烈影響鐵素體和奧氏體的相平衡,當(dāng)采用很低的熱輸入時(shí),由于快速冷卻使得焊接熱影響區(qū)的鐵素體含量偏高,對(duì)沖擊韌性不利;但是過高的熱輸入會(huì)由于冷卻太慢而使得氮在鐵素體中的析出,同樣對(duì)沖擊韌性不利。因此,通過調(diào)整焊接熱輸入可以得到最佳的焊接熱影響區(qū)性能。