S22053双相不锈钢焊接工艺及应用

引言

S22053双相不锈钢在我公司承接项目中大量使用的材料, 对其焊接性分析、进行工艺评定试验, 掌握该材料的焊接技术, 对项目的推进有着现实的意义。

一、双相不锈钢的焊接分析

1. 双相不锈钢的焊接性能分析:

1) 热裂纹。热裂纹的敏感性比奥氏体不锈钢小得多。易形成低熔点共晶的杂质极少, 不易产生低熔点液膜;2) 热影响区脆化。双相不锈钢焊接的主要问题在热影响区。焊接热循环作用下, 热影响区处于快冷非平衡态, 冷却后总是保留更多的铁素体, 增大了腐蚀倾向和氢致裂纹 (脆化) 的敏感性;3) 铁素体475℃脆化。双相不锈钢含有50%左右的铁素体, 同样也存在475℃脆性, 但不如铁素体不锈钢那样敏感。

2. 焊接冶金

(1) 相比例要求:双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性能取决于焊接接头能否保持适当的相比例。当铁素体和奥氏体量各接近50%时, 似母材的性能, 较好。而比例关系一旦改变, 其耐蚀性能和力学性能就会下降;过低 (<25%) 或过高 (>75%) 的铁素体含量也不利于双相不锈钢焊接。

(2) 相比例影响因素:1) 合金元素的影响。据研究, 母材中含氮是非常重要的。氮的能力远大于镍。在高温下, 氮稳定奥氏体的能力比镍大;加氮能延缓金属间相的析出, 还能提高焊缝金属的强度和耐蚀性能。2) 热循环的影响。双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对接头内组织的影响。因此, 多层多道焊是有益的, 后续焊道对前层焊道有热处理作用, 这样能够显著改善整个焊接接头的组织和性能。3) 工艺参数的影响。焊接工艺参数即焊接线能量对双相组织的平衡起着关键作用。双相不锈钢在高温下是100%的铁素体, 线能量过小过大, 都对热影响区冷却速度有影响。4) 保护气体的影响:钨极氩弧焊时加入氮气, 可防止焊缝表面因扩散而损失氮, 有助于铁素体与奥氏体的平衡。

3. 性能评定

在双相不锈钢的焊接过程中必须注意两个问题:1) 维持适当的相比例, 以防止出现焊缝金属和热影响区中奥氏体相含量不稳定;2) 铁素体相在高温范围内不稳定, 会析出有害物质, 须防止。

上述问题, 一般选用合适的焊接材料及焊接方法、参数来解决。因缺少双相不锈钢的焊接经验和工艺参数, 必须进行焊接试验。

二、提出并确定焊接方法、焊接材料及工艺方案

1. 焊接方法的选择:

根据现场施工及工装设备, 选用焊条电弧焊 (SMAW) 和氩弧焊 (GTAW) 两种焊接方法。

2. 提出并确定焊接材料方案:

焊接材料要与母材化学成分相近, 且比母材含镍量高的双相钢焊材, 确保焊缝中的奥氏体占优势。经对比选择ER2209焊丝、E2209焊条。

3. 提出并确定焊接工艺方案

方案一:GTAW:焊缝正面氩气保护+焊缝背面氩气保护GTAW:+

方案二:GTAW:焊缝正面氩气保护+焊缝背面氮气保护

方案三:对接全焊透。

按上述三方案可验证工艺的可行性。

三、焊接工艺参数的选择

为保证双相组织平衡, 焊接线能量太大或太小都不好, 一般控制在0.5-2.5KJ/cm范围, 焊前不预热, 层间温度控制在150℃以下, 鉴于此, 焊接工艺评定采用的两种焊接方法焊接工艺参数见下表:

四、效果检查

1. 焊接工艺评定, 按NB/T47014-2011进行焊接工艺评定, 采用方案二、方案三, 平均硬度测试值:

HBW275, 拉伸测试平均抗拉强度达880MPa, 塑性断裂在热影响区;侧弯试样无裂纹合格, 方案一存在侧弯试样不合格。

2. 相比例评定, 由方案二、三, 金相法观察到的组织形貌是白色奥氏体基体上分布有浅灰色条状、块状铁素体。

经评估, 焊缝铁素体含量约为55%;热影响区为55%;经各项质量检验, 均满足设计要求, 焊接双相比得到了有效控制。

3. 焊接检验:

在项目施工中, 采用方案二即GTAW:焊缝正面氩气保护+焊缝背面氮气保护的工艺施工, 共完成2205双相不锈钢焊接RT射线探伤303张片子, 其中一次合格303张, 一次合格率为100%, 实践证明工艺效果良好。

五、结语

采用焊条电弧焊以及采用氩弧焊背面冲氮的焊接工艺, 工艺参数适合, S22053双相不锈钢的焊接接头综合机械性能、单位面积双相组织含量是可以达到标准要求的。通过氩弧焊充高纯氮的方式, 提高了焊接接头机械能, 说明氮元素促进了焊接过程的铁素体的奥氏体转化。

摘要：S22053双相不锈钢材料屈服强度高, 不仅具有很强的抗氯化物应力腐蚀能力, 还有良好的综合力学性能。市场应用前景广阔。其焊接工艺较复杂, 其中保证焊缝及热影响区双相组织相比例平衡, 对其焊接性能至关重要。

关键词：双相不锈钢,焊接技术

参考文献

[1] 张菽浪, 00Cr25Ni7Mo4N超级双相不锈钢。特钢技术2009年第2期4-7.

[2] 《承压设备用不锈钢板及钢带》。GB24511-2009.