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2205雙相不銹鋼管的焊接性研究進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,由于快速冷卻仍使得焊接熱影響區(qū)的鐵素體含量偏高,對沖擊韌性不利;但是過高的熱輸入會由于冷卻太慢而使得氮在鐵素體中析出,同樣對沖擊韌性不利。因此,在實際生產(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,如高強度、高抗疲勞強度、低溫高韌性、耐孔蝕性、對應(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2205不銹鋼管焊接性的研究成果,對于2205雙相不銹鋼管的推廣使用具有重要的工程實用意義。

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,強度越低?；鼗饻囟葹?00℃時,屈服強度為400MPa,抗拉強度為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,屈服強度和抗疲勞強度顯著提高,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,由于氮的間隙固溶強化使得奧氏體的強度大于鐵素體。增加鐵素體的含量,會導(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,因為氮在鐵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)間過渡時效也會導(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污染更敏感,特別是對濕氣和水分。任何類型的油污、油脂和水分等污染會影響材料的抗腐蝕性及力學(xué)性能,因此在焊接前要對材料嚴(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,因為預(yù)熱會降低焊接熱影響區(qū)的冷卻速度。當(dāng)然,預(yù)熱對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,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,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,因此不會產(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℃。在實際焊接中,必須保證層間溫度不高于工藝試驗設(shè)定的層間溫度。當(dāng)焊接量很大時,應(yīng)合理地安排焊接順序以保證焊層之間有足夠的時間冷卻,這樣既能保證層間溫度,又能提高勞動生產(chǎn)率。焊接工藝評定的試板尺寸會影響冷卻速度和層間溫度,要注意焊接工藝評定確定的層間溫度應(yīng)比實際焊接時低。因此,工藝評定不能預(yù)測由于在實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?因為雙相不銹鋼對300~1000℃的溫度很敏感。在300~700℃進行消除應(yīng)力處理會導(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℃進行應(yīng)力消除處理,會導(dǎo)致金屬間化合物的析出,也會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2205雙相不銹鋼管進行了MIG焊接試驗,研究了熱輸入量對焊縫的金相組織、鐵素體含量、硬度及沖擊韌性的影響,以及混合保護氣體對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,混合保護氣較純氬保護時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,但其硬度較母材會有所提高。熱輸入量的增加會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。文獻比較了兩種焊接方法(GTAW和MMA)在焊接SAF2205雙相不銹鋼管道時的焊接接頭組織、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氣保護氣體的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焊接接頭的抗拉強度相近,但塑性、抗彎強度、沖擊韌性前者都優(yōu)于后者。至德鋼業(yè)針對SAF2205雙相不銹鋼管的焊接問題,通過一系列焊接試驗,找到了一套合適的焊接工藝,解決了手工鎢極氬弧焊時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SAF2205雙相不銹鋼管道環(huán)焊縫接頭殘余應(yīng)力進行了有限元數(shù)值模擬,研究對象是壁厚為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熱源,在焊接時可認(rèn)為整個環(huán)焊縫是同時焊接,因此熱傳導(dǎo)是在管壁平面內(nèi)由焊縫中心向兩側(cè)進行。分析計算中假設(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℃所用時間為7.5秒和12秒。焊接應(yīng)力場的計算結(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、雙相不銹鋼的點蝕

  隨著能源、化工及海洋工程的發(fā)展,在世界范圍內(nèi)對不銹鋼的需求不僅在產(chǎn)量方面迅速增加,而且對耐腐蝕性能方面的要求也在不斷提高,尤其對不銹鋼焊接接頭在含氯離子介質(zhì)中抗點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,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)母材臨界點蝕溫度(CPT)的試驗結(jié)果,利用小試樣的腐蝕實驗方法研究了雙相不銹鋼焊接接頭的耐點蝕性能。結(jié)果表明,手工電弧焊工藝過程對雙相不銹鋼材料的耐點蝕性能具有顯著的影響,點蝕首先發(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)對母材金屬的耐點蝕性能有明顯的影響,表面越粗糙,耐點蝕性能越差,臨界點蝕溫度越低。

 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)的固溶處理對鋼的力學(xué)性能的影響進行了研究。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力學(xué)性能沒有明顯影響。可見,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316不銹鋼管對接焊熱影響區(qū)在工業(yè)尿素合成介質(zhì)中的耐蝕性。實驗結(jié)果表明,焊接線能量對熱影響區(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)通過條件試驗確定了腐蝕量化試驗的方法,使得2205雙相不銹鋼管的點蝕試驗符合材料的基本特性,避免了反復(fù)試驗而不能用數(shù)據(jù)量化的情況,特別是焊接材料及熔敷金屬的試驗,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)的計點法外,近年來發(fā)展了一種擴展鐵素體數(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)圖譜對比法測定雙相比,其缺點是誤差大(±2.5%),判定含量范圍小(35%~75%),對于不規(guī)則金相組織難以判定,無法滿足此反應(yīng)器檢驗要求。為獲得更精確的數(shù)值,采用網(wǎng)格交點記數(shù)法測定SAF2205不銹鋼管中的各相含量,采用網(wǎng)格目鏡進行觀察,利用網(wǎng)格交點落在視場中的不同位置進行定量測量。通過對測量數(shù)據(jù)進行處理和誤差分析,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)會對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,是因為鐵素體含量增加以及氮在鐵素體中的析出。熱影響區(qū)的臨界點蝕溫度和冷卻速率有關(guān),冷卻速率小導(dǎo)致點蝕阻力增大。焊接過程中的熱輸入和冷卻速率強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,由于快速冷卻使得焊接熱影響區(qū)的鐵素體含量偏高,對沖擊韌性不利;但是過高的熱輸入會由于冷卻太慢而使得氮在鐵素體中的析出,同樣對沖擊韌性不利。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。