奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接

奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接双相不锈钢是在固溶体中铁素体相和奥氏体相各约占一半，一般较少相的含量至少也需要达到30%的不锈钢。这类钢综合了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，具有良好的韧性、强度及优良的耐抓化物应力腐蚀性能。奥氏体一铁素体双相不锈钢的类型1.低台金型双相不锈钢00Cr23Ni4N钢是瑞典级先开发的一种低合金型的双相不锈钢，不含钼、铬和镍的含量也较低。由于钢中Cr含量23%，有很好的耐孔蚀、缝隙腐蚀和均匀腐蚀的性能，可代替308L和316L等常用奥氏体不锈钢。2.中合金型双相不锈钢典型的中合命型不锈钢有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti。这两种钢是为了节镍，分别代替0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti而设计的，但比后者具有更好的力学性能，尤其是强度更高。00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr18Ni5Mo3Si2Nb双相不锈钢是目前合金元素含量最低、焊接性良好的耐应力腐蚀钢种，它在抓化物介质中的耐孔蚀性能同317L相当，耐中性氯化物应力腐蚀性能显著优于普通18-8型奥氏休不锈钢，具有较好的强度-韧性综合性能、冷加工工艺性能及焊接性能，适用作结构材料。OOCr22Ni5Mo3N属于第二代双相不锈钢，钢中加人适量的氮不仅改善了钢的耐孔蚀和耐SCC性能，而且由于奥氏体数量的提高有利于两相组织的稳定，在高温加热或焊接HAZ能确保一定数里的奥氏体存在，从而提高了焊接HAZ的耐蚀和力学性能。这种钢焊接性良好，是目前应用最普遍的双相不锈钢材料。3.高合金双相不锈钢这类双相不锈钢铬的质量分数高达25%，在双相不锈钢系列中出现最早。20世纪70年代以后发展了两相比例更加适宜的超低碳含氮双相不锈钢，除钳以外，有的牌号还加人了铜、钨等进一步提高耐腐蚀性的元素。4.超级双相不锈钢这种类型的双相不锈钢是指PREN。大于40，铬的质量分数为25%和钼含量高、氮含量高的钢。双相不锈钢的耐蚀性1.耐应力腐浊性能与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有强度高，对晶间腐蚀不敏感和较好的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的能力，其中优良的耐应力腐蚀是开发这种钢的主要目的。其耐应力腐蚀机理主要有以下几点:1）双相不锈钢的屈服强度比18-8型不锈钢高，即产生表面滑移所需的应力水平较高，在相同的腐蚀环境中，由于双相不锈钢的表面膜因表面滑移而破坏的应力较大，即应力腐蚀裂纹难以形成。2）双相不锈钢中一般含有较高的铬、铝合金元素，而加人这些元素都可延长孔蚀的孕育期，使不锈钢具有较好的耐点腐蚀性能，不会由于点腐蚀而发展成为应力腐蚀。18-8型不锈钢中不含铝或很少含铝，其含铬量也不是很高，所以其耐点腐蚀能力较差.由点腐蚀扩展成孔蚀。成为应力腐蚀的起始点而导致应力腐蚀裂纹的延伸。3）双相不锈钢的两个相的腐蚀电极电位不同，裂纹在不同相中和在相界的扩展机制不同，其中必有对裂纹扩展起阻止或抑制作用的阶段，此时应力腐蚀裂纹发展极慢。4）双相不锈钢中，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。此外，两个格的晶体形面取向差异，使扩展中的裂纹频繁改变方向，从而大大延长了应力腐蚀裂纹的扩展期。2.耐晶间腐浊性能双相不锈钢与奥氏体不锈钢一样也会发生晶间腐蚀，均与贫铬有关，只是发生晶间腐蚀的情况不同。如00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈钢在650~850℃进行敏化加热处理不会出现晶间腐蚀。当敏化加热到1200~1400℃时，空冷的试样无晶间腐蚀现象，但空冷时则有轻微的晶间腐蚀倾向，这是由于加热到1200℃以上时，铁素体晶粒急剧长大，奥氏体数量随加热温度的升高而迅速减少。到1300℃以上温度时，钢内只有单一的铁素体组织且为过热的粗大晶粒，水冷后，粗大的铁素体晶粒被保留下来，在δ-δ相界面容易析出铬的氮化物，在其周围形成贫铬层，导致晶间腐蚀。3.耐点蚀性能双相不锈钢中含有Cr、Mo、N等元素，可使PI值增大，明显地降低点蚀速率，尤其N的作用更为明显，PI中N的系数可以增大到30。此外，增大焊接热输入，可提高HAZ中的γ相数量，也有利于提高耐点蚀性能。奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接性分析与纯奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢焊后具有较低的热裂倾向；与纯铁素体不锈钢相比，焊后具有较低的脆化倾向，且焊接热影响区粗化程度也较低，因而具有良好的焊接性。但双相不锈钢中因有较大比例铁素体存在，而铁素体钢所固有的脆化倾向。选用合适的焊接材料不会发生焊接热裂纹和冷裂纹。双相不锈钢具有良好的耐应力腐蚀性能、耐点腐蚀性能、耐缝凉腐蚀性能及耐晶间腐蚀性能。双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头组织的影响。无论焊缝或是焊接HAZ都会有相变发生，因此，焊接的关键是要使焊缝金属和焊接热影响区均保持有适量的铁素体和奥氏体的组织。1.双相不锈钢焊接的冶金特性（1）焊缝金属的组织转变事实上所有双相不锈钢从液相凝固后都是完全的铁素体组织，这一组织一直保留至铁素体溶解度曲线的温度，只有在更低的温度下部分铁素体才转变成奥氏体，形成奥氏体一铁素体双相组织。焊后短时固溶处理也可增多一些γ相，这是山于未能充分转变的各还可再进行δ-γ转变。同样，多层焊接热循环、焊后缓冷也会起到一些改善效果。（2）焊接热影响区的组织转变焊接加热过程，使得整个热影响区受到不同峰值温度的作用。最高温度接近钢的固相线。但只有在加热温度超过原固熔处理温度的区间（图4-26中的点d以上的近缝区域），才会发生明显的组织变化。一般情况下，峰值低于固溶处理温度的加热区，无显著的组织变化，δ相虽有些增多，但γ与δ两相比例变化不大。通常下也不会见到析出相，如δ相。超过固溶处理温度的高温区，会发生晶粒长大和γ相数量明显减少，但仍保持轧制态的条状组织形貌。紧邻熔合线的加热区，γ相将全部溶人δ相中，成为粗大的单相等轴δ组织。这种ε相在冷却下来时可转变形成γ相，但已无轧制方向而呈羽毛状，有时具有魏氏体组织特征。因焊接冷却过程造成不平衡的相变，室温所得到的了相数量在近缝区常具有低值。除相图外，还可利用各种线性关系来判定双相不锈钢焊接HAZ和焊缝金属的组织特性口母材成分或Creq、Nieq对HAz能否形成“健全”的δ-γ两相组织有重要影响。所谓“健全”组织是指不存在γ-γ或δ-δ相界。2.双相不锈钢烽接接头的析出现象双相不锈钢焊接时，有可能发生三种类型的析出，即铬的氮化物、二次奥氏体及金属间相。当焊缝金属铁素体数量过多或为纯铁素体组织时，很容易有氮化物的析出，这与在高温时，氮在铁素体中的溶解度高，而快速冷时溶解度又下降有关。尤其是在焊缝近表面，由于氮的损失，使铁素体量增加，氮化物更易析出。焊缝若是健全的两相组织，氮化物的析出量很少。因此，为了增加焊缝金属的奥氏体数量，可在填充金属中提高镍、氮元素的含量。另外，采用大的热输入焊接，也可防止纯铁素体晶粒的生成而引起的氮化物的析出。当热影响区δ/γ相比例失调，致使δ相增多而γ相减少，出现δ-δ相界时，也会在这种相界上有析出相存在，也可能出现σ相。氮化物常居主要地位。在含氮量高的超级双相不锈钢多层焊时会出现二次奥氏体的析出。特别是前道焊缝采用低热输入而后续焊缝采用大热输入焊接时，部分铁素体会转变成细小分散的二次奥氏体，这种γ也和氮化物一样会降低焊缝的耐腐蚀性能，尤其以表面析出影响更大。一般来说，采用较高的热输入和较低的冷却速度有利于奥氏体的转变，减少焊缝金属的铁素体量，但是热愉人过高或冷却速度过馒又会带来金属间相的析出问题。通常双相不锈钢焊缝金属不会发现有σ相析出，但在焊接材料或热输入选用不合理时，也有可能出现σ相。由于含碳量低，以及含氮的原因，双相不锈钢碳化物析出的倾向并不严重。由于含铬量高，贫铬现象也不足以在晶界产生问题。奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接工艺特点1.焊接方法除电渣焊外，基本上所有的熔焊方法都可以用来焊接奥氏体一铁素体双相不锈钢。常用的方法为焊条电弧焊及钨极氢弧焊。药芯焊丝由于熔敷效率高，也已在双相不锈钢焊接领域得到越来越多的应用。埋弧焊可用于双相不锈钢厚板的焊接，但问题是稀释率大，应用不多。2.焊接材料采用奥氏体相占比例大的焊接材料，来提高焊接金属中奥氏体相的比例，对提高焊缝金属的塑性、韧性和耐蚀性均是有益的。对于含氮的双相不锈钢和超级双相不锈钢的焊接材料，通常采用比母材高的镍含量和母材相同的含氮量，以保证焊缝金属有足够的奥氏体量。一般来说，通过调整焊缝化学成分，双相钢均能获得令人满意的焊接性。3.焊接工艺措施（1）控制热输入双相钢要求在焊接时遵守一定的焊接工艺，其目的一方面是为了避免焊后由于冷速过快而在热影响区产生过多的铁素体，另一方面是为了避免冷速过慢在热影响区形成过多粗大的晶粒和氮化铬沉淀。如果通过适当的工艺措施，将焊缝和热影响区不同部位的铁素体含量控制在70%以下，则双相钢焊缝的抗裂性会相当好。但当铁素体含量超过70%时，在焊接应力很大的情况下会出现氢致冷裂纹。为避免焊缝中Ni含量下降过多，必须阻止NI含量低的母材过多稀释。否则，铁素体含量增加会对焊缝腐蚀抗力、韧性和抗裂能力产生不良影响。焊接时，焊缝和热影响区的冷却时间不能太短。应根据材料的厚度，选择合适的冷却速度。焊接厚板时，应采用较高的热输入；焊接薄板时，尤其是板厚小于5mm时，应采用较低的焊接热输入。（2）多层多道焊采用多层多道焊时，后续焊道对前层焊道有热处理作用，焊缝金属中的铁素体进一步转变成奥氏体，成为奥氏体占优势的两相组织，毗邻焊缝的焊接热影响区组织中的奥氏体相也增多，从而使焊接接头的组织和性能得到改善。（3）焊接顺序及工艺焊缝与奥氏体不锈钢焊缝相反，接触腐蚀介质的焊缝要先焊，使最后一道焊缝移至非接触介质的一面。其目的是利用后道焊缝对先焊焊缝进行一次热处理，使先焊焊缝及其热影响区的单相铁素体组织部分转变为奥氏体组织。如果要求接触介质的焊缝必须最后施焊，则可在焊接终了时，在焊缝表面再施以一层工艺焊缝，便可对表面焊缝及其邻近的焊接热影响区进行所谓的热处理。工艺焊缝可在焊后经加工去除。如果附加工艺焊缝有困难，在制定焊接工艺时，尽可能考虑使最后一层焊缝处于非工作介质面上。