双相不锈钢的焊接特性

2025-04-06 11:40:49

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回答1：

双相不锈钢具有良好的焊接性能，与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比，它既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区，由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低，也不像奥氏体不锈钢那样，对焊接热裂纹比较敏感。
双相不锈钢由于其特殊的优点，广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域，近些年来也被研究用于桥梁承重结构领域，具有很好的发展前景。
节约型双相钢经常会出现的焊接性能问题。而焊接标准双相钢并不是一个问题，而且不论采用何种工艺，都有适合这些应用的焊材。从金相的角度来看，焊接2101（1.4162）根本就没有问题，实际上它甚至要比标准级的双相钢更加容易焊接，因为这种材料事实上可以采用乙炔焊工艺来进行焊接，而对于标准双相钢材料而言，始终必须避免使用这种工艺。焊接2101所面临的实际问题是熔池的粘度不同，因此可湿性差了一点。这迫使操作人员在焊接的过程中更加多地使用电弧焊，而这正是问题的所在。尽管可以通过选择超合金化焊材加以弥补，但是我们经常希望选择匹配的焊材。
在2101中，也存在低温热影响区和高温热影响区中的显微结构之间的热影响区相互作用，比2304、2205或2507更加有利。在以2101进行试验时，也已经发现由于镍含量较低，因此产生了含有较多氮与锰的不同类型的回火色，而这影响了腐蚀性能。在电弧和熔池中发生的这一成分损失是由于氮与锰的蒸发与熔敷，这对于双相钢等级的材料来说是一个新问题，因此在这次讲课中将作了较多描述。双相不锈钢其焊接特点如下：
双相不锈钢在正常固溶处理(1020℃～1100℃加热并水冷)后,钢中含有大约50%～60%奥氏体和50%～40%铁素体组织。随着加热温度的提高，两相比例变化并不明显。
双相不锈钢具有良好的低温冲击韧性，如20mm厚的板材横向试样在-80℃时冲击吸收功可达100J以上。在大多数介质中其耐均匀腐蚀性能和耐点腐蚀性能均较好，但要注意，该类钢在低于950℃热处理时，由于σ相的析出，其耐应力腐蚀性能将显著变坏。由于该钢Cr当量与Ni当量比值适当，在高温加热后仍保留有较大量的一次奥氏体组织,又可使二次奥氏体在冷却过程中生成,结果钢中奥氏体相总量不低于30%～40%因而使钢具有良好的耐晶间腐蚀性能。
另外，如前所述，在焊接这种钢时裂纹倾向很低，不须预热和焊后热处理。由于母材中含有较高的N，焊接近缝区不会形成单相铁素体区，奥氏体含量一般不低于30%。适用的焊接方法有钨极氩弧焊和焊条电弧焊等，一般为了防止近缝区晶粒粗化，施焊时，应尽量使用低的线能量焊接。影响双相不锈钢焊接质量的因素主要体现在以下几方面：
含N量影响
Gómez de Salazar JM等人研究了保护气体中 N2的不同含量对双相不锈钢性能的影响。结果表明，随着混合气体中 N2分压 PN2的增加，焊缝中氮的质量分数ω(N)开始迅速增加，然后变化很小，焊缝中的铁素体相含量φ(α)随ω(N)增加呈线性下降，但φ(α)对抗拉强度和伸长率的影响与ω(N)的影响刚好相反。同样的铁素体相含量φ(α)，母材的抗拉强度和伸长率均高于焊缝。这是由于显微组织的不同所造成的。双相不锈钢焊缝金属中含 N 量提高后可以改善接头的冲击韧性，这是由于增加了焊缝金属中的γ相含量，以及减少了Cr2N 的析出。
热输入影响
与焊缝区不同，焊接时热影响区的ω(N)是不会发生变化的，它就是母材的ω(N)，所以此时影响组织和性能的主要因素是焊接时的热输入。根据文献，焊接时应选择合适的线能量。焊接时如果热输入太大，焊缝热影响区范围增大，金相组织也趋于晶粒粗大、紊乱，造成脆化，主要表现为焊接接头的塑性指标下降。如焊接热输入太小，造成淬硬组织并易产生裂纹，对HAZ的冲击韧性同样不利。此外，凡影响冷却速度的因素都会影响到 HAZ 的冲击韧性，如板厚、接头形式等。
σ相脆化
国外文献介绍了再热引起的双相不锈钢及其焊缝金属的σ相脆化问题。母材和焊缝金属的再热过程中，先由α相形成细小的二次奥氏体γ*，然后析出σ相。结果表明，脆性开裂都发生于σ相以及基体与σ相的界面处，对母材断口观察表明，在σ相周围区域内都为韧窝，由于α相区宽，大量生成的σ相才会使韧性降低，然而在焊缝中α相区是细小的，断口仍表现为脆性断裂，只要少量的σ相生成就足以引起焊缝金属韧性的降低，因此，焊缝金属中的σ相脆化倾向比母材要大得多。
氢致裂纹
双相不锈钢焊接接头的氢脆通常发生于α相，且氢脆的敏感性随焊接时峰值温度的升高而增加。其微观组织的变化为：峰值温度增加，γ相含量减少，α相含量增加，同时由α相边界和内部析出的Cr2N 量增加，故极易发生氢脆。
应力腐蚀开裂
母材和焊缝金属中的裂纹都起始于α/γ界面的α相一侧，并在α相内扩展。奥氏体（γ）由于其固有的低氢脆敏感性，因此，可起到阻挡裂纹扩展的作用。由于DSS 中含有一定量的奥氏体，所以其应力腐蚀开裂倾向性较小。
点蚀问题
耐点蚀是双相不锈钢的一个重要特性，与其化学成分和微观组织有着密切关系。点蚀一般产生于α/γ界面，因此被认为是产生于γ相和α相之间的γ*相。这意味着γ*相中的含Cr量低于γ相。γ*相与γ相的成分不同，是由于γ* 相中的Cr 和Mo含量低于初始γ相中的Cr、Mo含量。进一步研究表明，含N量较低的钢，其点蚀电位对冷却速度较为敏感。因此，在焊接含 N 量较低的双相不锈钢时，对冷却速度的控制要求更加严格。在双相不锈钢焊接过程中，合理控制焊接线能量是获得高质量双相不锈钢接头的关键。线能量过小，焊缝金属及热影响区的冷却速度过快，奥氏体来不及析出，从而使组织中的铁素体相含量增多；如线能量过大，尽管组织中能形成足量的奥氏体，但也会引起热影响区内的铁素体晶粒长大以及σ相等有害相的析出。一般情况下，焊条电弧焊（Shieded Metal Arc Welding，SMAW）、钨极氩弧焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）、药芯焊丝电弧焊（Flux-Cored WireArc Welding，FCAW）和等离子弧焊（Plasma Arc Welding，PAW）等焊接方法均可用于双相不锈钢的焊接，且在焊前一般不需要采取预热措施，焊后也不需进行热处理。 1 合金元素和冷却速度
实验和理论计算表明：临界区加热后获得双相组织所需的临界冷却速率与钢中锰含量具有一定关系。其根钢中存在的合金元素，就可估算获得双相组织所需要的临界冷却速率，为热处理双相钢生产时，选择适当的冷却方法提供依据。
当钢的化学成分一定时，应在保证获得双相组织的前提下，尽可能采用较低的冷却速度，使铁素体中的碳有充分的时间扩散到奥氏体中，从而降低双相钢的屈服强度，提高双相钢的延性。如果钢中合金元素含量较4，临界冷却速度过高，冷却后铁素体中含有较高的固溶碳，不利于获得优良性能的双相钢，这时应改变钢的化学成分，增加钢中的合金元素含量，从而降低临界冷却速度，或者在双相钢的生产工艺中，加入补充回火工序，降低铁素体中的固溶碳，改善双相钢的性能。如果钢中含有强的碳化物形成元素，当估算临界冷却速率时，应考虑到这些元素对临界区加热时所形的奥氏体淬透性和有利影响，V和Ti的碳化物粒子可以通过相界面的钉扎作用提高奥氏体的淬透性，降低临界冷却速度.
2.两阶段冷却工艺
当钢中合金元素含量较低时，冷却速度较慢会得到铁素体加珠光体组织；冷却速度较快时，则铁素体中保留固溶碳较高，不利于降低屈服强度和提高延性。采用两阶段冷却可以改善双相钢的性能，即从临界区加热温度缓冷到某一温度，然后快冷。缓冷可以使铁素体中的碳向未转变的奥氏体富聚。而快冷则可以避免未转变的奥氏体等温分解，保证获得所需的双相组织和性能。例如0.08%C-1.4%Mn钢，从800℃;加热到水冷的力学性能为：σ0.2=365PMa，σb=700MPa，σ0.2/σb=0.52，eu=18%，et=21%。如采用两阶段冷却工艺，即在800℃;加热后，空冷到600℃;，然后水冷，其性能为：σ0.2=280MPa，σb=600MPa，σ0.2/σb=0.47，eu=21%，et=29%。两阶段冷却使双相钢的屈服强度降低，延性提高。
3.双相钢板热轧后盘卷温度的影响
对于一个给定成分的钢，临界区加热时奥氏体的淬透性可以通过钢板热轧后高温卷来修正。高温盘卷可使碳、锰等合金元素在第二组（珠光体或贝氏体）中明显富集。有利提高随后临界区处理时双相钢的综合性能。以0.049%C-1.99%Mn-0.028%Al-0.0019%N钢的试验结果为例，采用两种工艺过程：一种为普通扎制工艺，终轧温度900℃;→油冷到600℃;盘卷→吹风冷到室温→冷轧70%→连续退火。两种盘卷工艺的碳和锰分布的分析结果可见高温盘卷可使碳和锰在第二相中明显富集，而普通的轧制工艺锰基本无富集趋势。
用高温盘卷以修正合金含量较低的钢在随后临界区处理时的淬透性，并降低热处理双相钢的屈服强度，提高其延性的技术，已在有关工厂用于热处理双相钢的生产，所得到的热处理双相钢板综合性能良好，板材各部位的性能均匀，纵向、横向性能一致。例如对0.09%C-0.44Si-1.54%Mn-0.023%Al钢。 1.需要对相比例进行控制，最合适的比例是铁素体相和奥氏体相约各占一半，其中某一相的数量最多不能超过65%，这样才能保证有最佳的综合性能。如果两相比例失调，例如铁素体相数量过多，很容易在焊接HAZ形成单相铁素体，在某些介质中对应力腐蚀破裂敏感。
2.需要掌握双相不锈钢的组织转变规律，熟悉每一个钢种的TTT和CCT转变曲线，这是正确指导制定双相不锈钢热处理，热成型等工艺的关键，双相不锈钢脆性相的析出要比奥氏体不锈钢敏感的多。
3.双相不锈钢的连续使用温度范围为-50～250℃，下限取决于钢的脆性转变温度，上限受到475℃脆性的限制，上限温度不能超过300℃。
4.双相不锈钢固溶处理后需要快冷，缓慢冷却会引起脆性相的析出，从而导致钢的韧性，特别是耐局部腐蚀性能的下降。
5.高铬钼双相不锈钢的热加工与热成型的下限温度不能低于950℃，超级双相不锈钢不能低于980℃低铬钼双相不锈钢不能低于900℃，避免因脆性相的析出在加工过程造成表面裂纹
6.不能使用奥氏体不锈钢常用的650-800℃的消除应力处理，一般采用固溶退火处理。对于在低合金钢的表面堆焊双相不锈钢后，需要进行600-650℃整体消应处理时，必须考虑到因脆性相的析出所带来的韧性和耐腐蚀性，尤其是耐局部腐蚀性能的下降问题，尽可能缩短在这一温度范围内的加热时间。低合金钢和双相不锈钢复合板的热处理问题也要同此考虑。
7.需要熟悉了解双相不锈钢的焊接规律，不能全部套用奥氏体不锈钢的焊接，双相不锈钢的设备能否安全使用与正确掌握钢的焊接工艺有很大关系，一些设备的失效往往与焊接有关。关键在于线能量和层间温度的控制，正确选择焊接材料也很重要。焊接接头（焊缝金属和焊接HAZ）的两相比例，尤其是焊接HAZ维持必要的奥氏体数量，这对保证焊接接头具有与母材同等的性能很重要。
8.在不同的腐蚀环境中选用双相不锈钢时，要注意钢的耐腐蚀性总是相对的，尽管双相不锈钢有较好的耐局部腐蚀性能，就某一个双相不锈钢而言，他也是有一个适用的介质条件范围，包括温度、压力、介质浓度、pH值等，需要慎重加以选择。从文献和手册中获取的数据很多是实验室的腐蚀试验结果，往往与工程的实际条件有差距，因此在选材时需要注意，必要时需要进行在实际介质中的腐蚀试验或是现场条件下的挂片试验，甚至模拟装置的试验。

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