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1、SAF2205 双相不锈钢焊接热处理金相分析 1 前言 双相不锈钢的开发和应用始于 20 世纪 30 年代，至今已发展了三代双相不锈钢。第一代双相不锈钢:(1)以美国在 20 世纪 40 年代开发的AISI329 钢为代表。含Cr、Mo高，抗局部腐蚀性能好，但含碳量高(C0.10%)。焊接后其接头耐蚀性和韧性较差，限制了钢材的应用，仅适用于铸锻件。(2)日本在美国 329 钢的基础上降低碳含量，开发了SUS329J1 钢，可用作焊接用钢。(3)60 年代中期，瑞典开发出著名的 3RE60 钢，其特点是超低碳，Cr含量18%。良好的焊接性和成型性，使其成为第一代双相不锈钢的代表钢种。第二代双相不
2、锈钢:(1)20 世纪 80 年代，瑞典首次开发出不含Mo的超低碳双相不锈钢。代表钢种为SAF2304 钢。(2)在第一代双相钢的基础上，开发了含氮超低碳双相不锈钢。典型的钢种是瑞典开发的 SAF2205 钢，使双相钢得到广泛应用。第三代双相不锈钢:(1)50 年代后期开发出超级双相不锈钢，特点是碳含量低(0.03%)，钼和氮含量高(钼约 4%，氮约 0.3%)；钢中中等铁素体含量达到 40 45%；具有优异的耐点蚀性，其 PRE 值大于 40。代表钢种为 SAF2507 钢。双相不锈钢作为一种特殊的不锈钢材料，越来越广泛地应用于压力容器及其他相关设备中。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢在抗晶间
3、腐蚀、点蚀、间隙腐蚀，尤其是氯化物引起的应力腐蚀开裂方面具有绝对优势。在石油和化工领域的应用前景非常广阔。如表 1-1 所示，部分双相不锈钢的牌号和化学成分为1。表 1-1 双相不锈钢的等级和化学成分 钢的等级 国家 C 铬 镍 钼 锰 硅 普通 第一代 3RE60 瑞典 0.03 18.5 4.9 2.7 2.0 1.7-铀50 芬兰 0.04 21.5 6.5 1.5-第二代 SAF2205 瑞典 0.03 22.0 5.5 3.0 2.0 0.8 0.14 DP-3 日本 0.03 25.0 6.5 3.5 0.4-0.20 08X21H6M2Ti 俄罗斯 0.08 21.0 7.5 2
4、.0-0Cr21Ni5Ti 中国 0.06 22.0 5.8-0.8 0.8-第三代 SAF2507 瑞典 0.03 25.5 7.0 4.5-0.30 DP-3W 日本 0.03 25.5 7.6 3.0 2.5-0.32 0Cr21Ni5Mo3 中国 0.08 26.5 5.0 3.0 1.5 1.0-资料来源:2004 年 2 月焊接设备与材料J。焊接技术”2 双相不锈钢 双相不锈钢是指同时具有奥氏体()和铁素体()组织的不锈钢，双相组织应独立存在且含量较大。一般来说，奥氏体基体上铁素体15%或铁素体基体上奥氏体15%的奥氏体+铁素体双相不锈钢可称为双相不锈钢，本文简称为双相不锈钢。2.
5、1 中国双相不锈钢发展历史 在国外发展双相不锈钢的基础上，我国也从 70 年代中期开始发展双相不锈钢，主要发展含氮钢，注重氮对钢性能和工艺的影响。到目前为止，有包括五个钢种在内的一系列牌号，但只有低铬钢牌号列入国标，其余均按企业标准生产。目前钢板国家标准正在修订中，Cr22、Cr25 双相不锈钢将考虑接受该标准。我国双相不锈钢仅处于国外第二代双相不锈钢的发展水平，钢中氮含量在 0.2%以下。对于目前国外已进入市场的氮含量为 0.25%-0.35%的超级双相不锈钢，我国还处于实验室开发阶段。AOD 精炼工艺和双相不锈钢连铸工艺的成熟将有助于超级双相不锈钢板工业试制的成功。目前，我国双相不锈钢的主
6、要产品是管材、板材和复合板，以及锻件和铸件，产量很少。219mm无缝管和457mm薄壁等离子焊管研制成功，2205和Q345C复合板也已用于长江三峡工程排沙管和深孔衬砌。据不完全统计，1999年双相不锈钢的消费量约为2000t，近两年的年消费量达到4000t，翻了一番。随着应用的发展，国内产品已经不能满足要求，尤其是一些工程项目，仍然以进口为主。目前，中国已具备制造双相不锈钢和超级双相不锈钢设备的实力和水平。化工机械厂、石化机械制造公司、重型机械等近10 家大中型机械制造企业制造了近百台双相不锈钢设备。化工机械厂和重型机械也可按国外标准制造多台设备，分别出口印度和马来西亚。化工机械厂和石化机械
7、制造公司不仅能制造普通双相不锈钢设备，也能制造超级双相不锈钢设备。当然，UNS S32750和 UNS S32760超级双相不锈钢管是进口的。至于油气和石化工业所需的管线钢，中国最近两年才开始该领域的制造和焊接，在该领域还有待经验积累 1。2.2 双相不锈钢的主要代表品牌 双相不锈钢一般可分为四类:低合金型代表品牌为 UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N)，PREN 值 24 25；中合金型代表品牌为 UNS S31803(22Cr-5Ni-3Mo-0.15N)，PREN 值 32 33；高合金型-标准牌号为 UNS s 32550(25cr-6ni-3mo-2cu-0.2n)，P
8、REN 值 38 39；超级双相不锈钢标准牌号为 UNS S32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N)，PREN 值 40 7。(普伦耐点蚀指数 Pren 铬%+3.3钼%+16氮%)低合金 UNS S32304 不含钼，因此在抗应力腐蚀方面可以代替 AISI304 或 316。中合金 UNS S31803 的耐蚀性介于 AISI 316L 和 6%Mo+N 奥氏体不锈钢之间。高合金型，一般含 25%的铬、钼和氮，有的还含铜和钨。这种钢的耐蚀性高于含 22%Cr 的双相不锈钢。超级双相不锈钢，含高钼和氮，有的还含钨和铜，适用于苛刻的介质条件，具有良好的耐腐蚀性能和机械综合性能，可与超
9、级奥氏体不锈钢相媲美。代表性品牌的主要化学成分见表2-1:表 2-1代表了该品牌的主要化学成分。类型 UNS 品牌 化学成分，%C 铬 镍 钼 铜 普通 低合金型 S32304 0.03 23 四十四 2 0.05 0.20 低合金型 S31803 0.03 22 五 三 0.08 0.20 低合金型 S32205 0.03 22 五 三 0.14 0.20 低合金型 S32550 0.04 25 六 三 0.10 0.25 超级决策支持系统 S32750 0.03 25 七 四 0.24 0.32 资料来源:2004 年 2 月焊接设备与材料J。焊接技术”2.3 双相不锈钢的性能特征(1)含
10、钼双相不锈钢在低应力下具有良好的抗氯化物应力腐蚀性能。(2)双相不锈钢具有良好的抗点蚀性能，抗点蚀当量 PRE=Cr%+3.3xMo%+16xN%。(3)良好的耐腐蚀性、耐疲劳性和耐磨耐蚀性。(4)综合力学性能好，强度和疲劳强度高。(5)焊接性好，热裂倾向低，焊前一般不预热，与奥氏体不锈钢或碳钢等异种钢焊接，焊后不热处理。(6)含低铬(18%Cr)的双相不锈钢热加工温度宽，电阻低，可以不经锻造直接轧制开坯生产钢板。含高铬(25%)的双相不锈钢的热加工难度略大于奥氏体不锈钢，可生产板材、管材、线材等产品。(7)冷加工的加工硬化效应大于18-8奥氏体不锈钢。在管板变形的早期，需要施加较大的应力来变
11、形。(8)与奥氏体不锈钢相比，具有较高的导热系数和较低的线膨胀系数，因此适用于制造设备衬里和复合板，也适用于制造换热器芯体，换热效率高于奥氏体不锈钢。(9)高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向不应用于高于 300的工作条件。双相不锈钢中的铬含量越低，等脆性相的危害就越小。2.4 双相不锈钢的性能比较 由于双相不锈钢两相结构的特点，通过适当控制化学成分和热处理工艺，双相不锈钢具有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特性。(1)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有以下优点:(1)屈服强度是普通奥氏体不锈钢的一倍以上，并有足够的塑性和韧性用于成型。双相不锈钢制造的储罐或压力容器的壁厚比常用的奥氏体少 30-50%，
12、有利于降低成本。(2)具有优异的耐应力腐蚀开裂性。即使是合金含量最低的双相不锈钢也比奥氏体不锈钢具有更高的抗应力腐蚀开裂性能，尤其是在含有氯离子的环境中。腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。(3)在众多介质中应用最广泛的 2205 双相不锈钢的耐腐蚀性能优于普通 316L 奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性能。有些介质，如醋酸和甲酸，甚至可以替代高合金奥氏体不锈钢甚至耐腐蚀合金。(4)具有良好的抗局部腐蚀性能。与相同合金含量的奥氏体不锈钢相比，其耐磨性和耐疲劳腐蚀性均优于奥氏体不锈钢。(5)奥氏体不锈钢的线膨胀系数低于奥氏体不锈钢，接近碳钢。适用于与碳钢连接，具有重要的工程
13、意义，如生产复合板或内衬。(6)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢在动态或静态载荷条件下具有更高的吸能能力，对于应对结构件碰撞、爆炸等突发事故具有明显的优势和实际应用价值。(2)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的缺点如下:(1)应用的普遍性和通用性不如奥氏体不锈钢，例如其使用温度必须控制在250摄氏度以下。(2)其塑性韧性低于奥氏体不锈钢，冷热加工工艺和成形性不如奥氏体不锈钢。(3)中温存在脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，避免有害相的出现，损害性能。(C)与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下:(1)综合力学性能优于铁素体不锈钢，尤其是塑性和韧性，不像铁素体不锈钢那样对脆性敏感。(2)
14、除抗应力腐蚀外，其它抗局部腐蚀性能均优于铁素体不锈钢。(3)冷加工性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。(4)焊接性能也比铁素体不锈钢好得多。一般不需要焊前预热和焊后热处理。(5)应用范围比铁素体不锈钢更广。(D)与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的缺点如下:(1)双相不锈钢元素含量高，价格相对较高。一般来说，铁氧体不含镍。综上所述，大致可以看出双相不锈钢的使用性能和工艺性能的概况。以其优越的机械和耐腐蚀综合性能赢得了用户的青睐，成为既节省重量又节省投资的优良耐腐蚀工程材料。2.5 双相不锈钢的应用 2.5.1 工业应用和双相不锈钢的应用(1)炼油工业(氯化物和硫化氢)A.原油脱盐装置中的换热器和管
15、道。B.催化裂化装置。催化吸收和解吸塔衬里、塔盘板、管道等。、汽油再热器。C.加氢降解装置。空气冷却器、脱硫反应器和水冷却器的热交换器。(2)石油化工(中性氯化物)A.聚氯乙烯汽提塔和热交换器。B.氯乙烯装置中的盘管氧氯化反应器和氯乙烯再沸器。C.甲醇合成反应器催化剂管束、物流/流出物加水装置、中压闪蒸罐顶部冷凝器。D.合成羰基醇的管式环形反应器。E.醋酸和其他有机酸(甲醛、甲酸)的生产设备和管道。(3)陆上和海上石油天然气工业(含硫油井管和管道)。A.输送管道和集气管。B.海上平台的换热器、水处理及给水系统、消防系统、喷水系统和稳水系统。(4)纸浆和造纸工业 A.连续硫酸蒸煮或间歇蒸煮装置。
16、如:木屑预热器、消化器、冷凝器等。(5)化肥工业 A.尿素行业。压缩机 CO2 冷却器管线。铵泵体。汽提塔的汽提管、高压冷凝器的冷凝管、分解管和高压分解塔的输送管道。B.磷肥行业。反应罐、泥浆循环和泥浆输送管道。(6)高强度结构构件 A.采用平台钻机和海底管道的牵引系统。蒸汽通过平叶片、驳船、油罐车等。2.5.2 双相不锈钢在中国的应用性能 国外双相不锈钢已广泛应用于各种工业领域，如制浆造纸、陆上和海上石油天然气工业、化学加工工业、交通运输(化学品船和油轮)、制药和食品工业以及建筑工业等。大部分用于制造反应容器、各种工业设备和管道。在大多数应用中，双相不锈钢被认为是一种高性价比的材料，它填补了
17、普通奥氏体不锈钢如 316 和高合金奥氏体不锈钢之间的空白。以下是我国双相不锈钢在相关工业领域应用的典型实例。(1)石油和天然气工业 这是国外双相不锈钢的主要应用领域之一。目前已铺设油气管道 1000 公里。南海油田只有少量用油，全部靠进口。此外，从西部塔里木盆地开始的西气东输工程集气管道考虑采用双相不锈钢焊管，我国有条件生产制造。炼油工业是最早使用国产双相不锈钢的部门，主要用于镇海等炼油公司常减压蒸馏塔的顶衬(或复合板)、塔组件、空冷器、水冷器等。最长的用了20 年。镇海炼化公司是中国最大的炼油基地，加工能力1600 万吨，位居世界百强。冷凝和冷却系统中的许多设备使用双相不锈钢。(2)化学和
18、石化加工业 该领域涉及面广，工况复杂，介质多样，也是双相不锈钢较早使用较多的领域。甲醇是一种重要的能源化工原料。2002 年中国产量 210 万吨，进口量与此相当，国内产量缺口较大。当然，也有一些(数千吨)出口国。目前，20 万吨的大型甲醇合成塔和 10 万吨以下的多套中小型甲醇合成塔的催化剂管道全部采用双相不锈钢，大中型机组采用 2205 钢管，进口管较多，小型机组采用 18-5mo 国产钢管。齐鲁石化公司氯乙烯装置氧氯化反应器冷却盘管的介质条件(氯化氢、水蒸汽)苛刻。目前已使用进口 2205 双相不锈钢，应用效果有待观察。石化公司乙烯 装 置 催 化 剂 再 生 冷 却 器 采 用 与 D
19、P3 钢 相 似 的 国 产 双 相 不 锈 钢00C25Ni7Mo3WCuN 作为海水冷却器管，海水出口温度为 40。断断续续用了 15年，效果很好。煤化工厂粉煤气化装置的几台冷却器采用进口2205 钢管。(3)化肥工业 尿素行业也是最早使用国产双相不锈钢的部门。含氯离子水被广泛用作工厂的热交换设备。例如，在尿素装置中，CO2 压缩机第三级冷却器使用304L 奥氏体不锈钢管束，1 个月后因应力腐蚀开裂而泄漏。双相不锈钢可以使用 5 年以上，然后在第一和第二级冷却器中使用 18-5Mo 或 2205 双相不锈钢。由于双相不锈钢在尿素介质中具有良好的抗腐蚀疲劳性能，非常适合制造尿素生产的关键设备
20、一压泵泵体。国产0Cr25Ni6Mo2N钢能通过休伊晶间腐蚀倾向试验，已在化肥厂、洞庭氮肥厂(五柱塞式)等大型化肥厂使用。我国中小型化肥厂压钉泵的泵体基本采用18-5mo 钢，有几十种采用高铬含铅双相不锈钢。另外，这种钢的泵阀锻件通过了日本 JISG0573、G0591 硝酸法、硫酸法检验，批量出口日本，价格比日本当地生产的便宜。另外，采用国产 0Cr25Ni6Mo3CuN 时效强化双相不锈钢，其耐磨、耐腐蚀性能用于尿素装置主工艺管道中各种规格的高压截止阀，效果良好。(4)交通运输业 近年来，海洋化学品运输船行业是国外双相不锈钢的最大用户，其消费量约占热轧板的 50%。化学品船装载的液体货物种
21、类繁多，包括化工和石化产品、食品等。，这就要求机舱材料耐腐蚀且具有高强度。如今，2205 双相不锈钢已经取代 316L和 317L 奥氏体不锈钢，成为海洋化工船舶的标准材料。中国在这方面刚刚起步。中国长江航运集团青山船厂采用欧洲建造标准，使用进口 2205 钢板，自行成功制造首艘 18500 吨化学品船。钢板消耗量约1200 吨，已出口比利时。在国内实现了用双相不锈钢建造化工船的突破，工厂已形成规模化生产能力2。(5)造纸和制盐轻工业 由于双相不锈钢在中性氯化物溶液中具有良好的耐点蚀和缝隙腐蚀性能，我国开发了该钢在真空制盐和盐硝联产装置中的应用。20 30 万吨盐厂的大型盐水和芒硝蒸发罐采用了
22、双相不锈钢内胆和复合板，解决了设备的结盐和腐蚀问题，最长使用历史达10 年。双相不锈钢已经在大型真空制盐装置中使用，中国已经有了成熟的经验2。在制浆造纸领域，我国几乎是空白，硫酸盐法蒸煮仍然大多使用低碳钢制作的蒸煮锅。而双相不锈钢的蒸煮漂白设备在国外已经有了广泛的应用，现在国内也有引进，但数量很少。综上所述，可以看出国外双相不锈钢的使用有一定的局限性。比如国外广泛使用双相不锈钢的几个大的领域，如制浆造纸工业、石油天然气工业、交通运输业甚至建筑业，我们都没有涉足，有的才刚刚开始。根据国情，利用双相不锈钢的性能优势，今后将继续扩大其在化工、石化领域的应用，并结合制浆造纸行业的技术改造，发展其在该领
23、域的应用。至于油气管道，目前很难普及，双相不锈钢价格太高。但双相不锈钢甚至超级双相不锈钢仍可用于制造油气田所需的集气管道、换热设备等耐氯离子和硫化氢的设备。随着海上运输业的发展，化工船舶制造业方兴未艾，需要大量的大型钢板。这个缺口需要填补。至于在建筑行业的应用，至今完全没有涉及。事实上，滨海的城市雕塑景观和民用热水器用2304钢的开发完全可以替代304 和 316 奥氏体不锈钢。3 205 双相不锈钢 205 双相不锈钢最早由瑞典于 20 世纪 70 年代开发，材料等级为SAF2205，属于第二代双相不锈钢。双相不锈钢合金 2205 是典型的含N、超低碳、铁素体-奥氏体双相不锈钢，由 22%铬
24、、2.5%钼和 4.5%镍-氮合金组成。其化学成分为:W(C)0.03%，W(N)2.0%，W(P)0.03%，W(S)0.02%，W(Si)1.0%，W(Ni)=4.5%6.5%。它具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部抗应力腐蚀性能。与 316L和 317L奥氏体不锈钢相比，2205合金具有更好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能，具有较高的耐蚀性。与奥氏体不锈钢相比，它具有较低的热膨胀系数和较高的导热系数，可焊性更好。目前国内有 2205 不锈钢管和 2205 双相不锈钢无缝管。205 双相不锈钢板、2205 不锈钢棒、锻造材料、管件、带材等。早期的双相不锈钢可以抵抗均匀腐蚀和氯应力腐蚀开裂，
25、强度适中，但用于焊接时性能会大大降低。为了改善这种情况，在双相不锈钢2205 中加入氮，不仅提高了耐蚀性，而且获得了良好的焊接性能。2205 双相钢由于其特殊的性能特点，应用广泛，是迄今为止广泛使用的双相不锈钢品牌。3.1 2205 双相不锈钢的性能特征(1)均匀腐蚀性 由于铬含量(22%)、钼含量(3%)和氮含量(0.18%)，2205 在大多数环境中的耐腐蚀性优于 316L 和 317L。(2)抗局部腐蚀能力 205 双相不锈钢中铬、钼和氮的含量使其在氧化和酸性溶液中具有高度的耐点蚀和缝隙腐蚀能力。(3)耐应力腐蚀 不锈钢的双相组织有助于提高不锈钢的抗应力腐蚀开裂性能。在一定温度下，应该是
26、力在氧和氯化物存在的情况下，奥氏体不锈钢会发生氯化物应力腐蚀。由于这些条件难以控制，304L、316L和 317L的使用在这方面受到限制。(4)抗腐蚀疲劳性 205 双相钢的高强度和耐蚀性使其具有高耐蚀性和疲劳强度。加工设备易受腐蚀环境和加载周期的影响，2205的特性非常适合此类应用。(5)耐压性 与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢2205 合金的抗压强度是奥氏体不锈钢的两倍，与 316L 和 317L 相比，设计师可以减轻其重量。205 合金特别适用于-50F/+600F 的温度范围，在严格限制下(尤其是焊接结构)也可以在较低的温度下使用。(6)热成型 在热成形过程中，整个工件都要加热，温度应该
27、在 1750F 到 2250F之间，2205 合金在这个温度下非常软。如果温度过高，2205 合金容易受热撕裂。如果低于这个温度，奥氏体就会断裂。在 1700F 以下，由于温度和变形的影响，金属间相会迅速形成。热成型后，应立即在 1900F 的最低温度下进行固溶退火，并淬火以降低其相平衡、韧性和耐腐蚀性。我们不建议消除应力，但如果有必要，材料应在 1900F 的最低温度下进行固溶退火，然后快速冷却和水淬。(7)冷成型 205 合金可以切割和冷成型。但是，由于 2205 合金具有较高的强度和硬度，比奥氏体钢更需要冷成形，并且由于其强度较高，需要充分考虑回弹因素。(8)热处理 205 合金应在 1
28、900F 的最低温度下退火，然后快速冷却并用水淬火。这种处理应用于固溶退火和应力消除。如果应力消除处理在低于 1900F 的温度下进行，将容易导致有害金属或非金属相的沉淀。(9)机械加工性 在高速机床上，2205 合金的进给速度和切削速度与 316L 相同。如果使用炭化刀，切割速度会比 316L 降低 20%左右，机械及其部件的性能在这里起关键作用。(10)焊接性能 205 合金的焊接性很好。2205 合金的性能是焊接金属和热劣化部分仍保持与母材相同的耐蚀性、强度和韧性。205 的焊接并不难，但需要设计其焊接工艺，使其焊接后能保持良好的相平衡，避免有害金属相或非金属相的析出。205 可在下列设
29、备中焊接:GTAW(钨极氩弧焊)；GMAW(熔化极气体保护焊)；SMAW(“棒”电极)；锯；FCW；还有爪子.(11)性能比较 与 316L 和 317L 奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢 2205 合金具有更好的抗点蚀和抗裂纹腐蚀性能，具有较高的耐蚀性。与奥氏体相比，它具有较低的热膨胀系数和较高的热导率。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢 2205 合金的抗压强度是奥氏体不锈钢的两倍，与 316L 和 317L 相比，设计师可以减轻其重量。205 合金特别适用于-50F/+600F 的温度范围，在严格限制下(尤其是焊接结构)也可以在较低的温度下使用。3.2 2205双相不锈钢的应用领域 因为 220
30、5 双相不锈钢具有很强的耐腐蚀性(包括应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀等。)，具有较高的强度和韧性。使其广泛应用于以下领域。(1)压力容器、高压储罐、高压管道和热交换器(化学加工工业)。(2)油气管道和换热器管件。(3)污水处理系统。(4)制浆造纸工业的选粉机、漂白设备、储存和处理系统。(5)旋转轴、压榨辊、叶片、叶轮等。在高强度耐腐蚀环境中。(6)船舶或卡车的货箱。(7)食品加工设备。2205 双相不锈钢焊接性能及工艺研究 4.12205 双相不锈钢的焊接机制 焊接是一个冶金过程。2205 双相不锈钢的焊接质量取决于其焊缝和热影响区铁素体和奥氏体含量的平衡以及两相组织的均匀性。在焊接过程中
31、，金属从熔化到冷却，从冰点到1 200都是铁素体。奥氏体在200 800从铁素体中析出；中间相(相、碳化物和氮化物)可能在 80 475析出。因此，焊接线能量的输入直接影响焊缝和热影响区铁素体的含量。线能量太小，不利于奥氏体析出；线能量过高，会造成合金元素Cr、Ni、Mo 的烧损，导致材料的耐蚀性和力学性能变差，不能获得良好的金相组织，中间相更容易析出。焊接循环最高温度和快速冷却能促进双相不锈钢的铁素体化，铁素体含量的增加导致冲击韧性和耐蚀性下降。因此，选择合适的焊接工艺参数非常重要。与奥氏体不锈钢的焊接相比，2205 双相不锈钢的焊接对污染更敏感，尤其是对水分和湿气。任何一种油、脂、水分等污
32、染物都会影响材料的耐腐蚀性能和机械性能，因此在焊接前应严格清洗材料。双相不锈钢的焊接接头形式应事先做好充分准备。如采用热加工切割坡口，应将坡口表面打磨至露出金属光泽，并在坡口表面进行渗透试验。焊接坡口最好用机器加工。通常双相不锈钢的焊接不采用预热，因为预热会降低焊接热影响区的冷却速度。当然，预热有利于减少钢材表面的水分。采用预热减少水分时，必须先清洗焊接表面，然后均匀加热至 95。如果焊缝冷却速度过快，焊接热影响区铁素体含量增加过多，采用预热是有意义的。比如薄板焊接到厚板上，内胆焊接到容器上，冷却速度很快，可以考虑预热。与奥氏体钢相比，双相不锈钢具有导热性好、热膨胀系数低的特点，因此不会产生很
33、大的残余应力，具有更高的抗热裂性。因此，双相不锈钢可以用较高的线能量进行焊接，最高层间温度为 150。在实际焊接中，需要保证层间温度不高于工艺试验中设定的层间温度。焊接量较大时，应合理安排焊接顺序，保证焊缝间有足够的冷却时间，既能保证层间温度，又能提高劳动生产率。焊接工艺评定试板的尺寸将影响冷却速度和层间温度。应注意，由焊接工艺评定确定的层间温度应低于实际焊接时的温度。因此，工艺评估不能预测在实践中使用更高的层间温度所导致的冷却速率降低的程度。焊接后不需要热处理。双相不锈钢在 300 1000对温度非常敏感，300 700的应力消除处理会导致相的析出和 475的脆化，降低韧性和耐蚀性。700
34、1000的应力消除处理会导致金属间化合物的析出，也会导致韧性和耐蚀性的降低。4.2 SAF 2205双相钢接头的基本要求及满足要求的措施(1)焊接要求:焊接接头无超过质量标准的缺陷，力学性能满足焊接结构的预期使用性能要求。无焊接冷热裂纹、应力腐蚀、点蚀和 相脆化。(2)预防措施:(1)双相不锈钢具有良好的可焊性。一般选用与母材成分相同或相近的焊接材料。由于碳含量对耐腐蚀性有很大影响，熔敷金属的碳含量不应高于母材。对于腐蚀性较弱或仅为避免腐蚀污染的设备，可选用Ti或Nb等稳定元素或超低碳焊接材料。对于具有高耐酸腐蚀性的工件，通常选择含钼的焊接材料。合适的焊接材料不会引起焊接热裂纹和冷裂纹，如焊条
35、 E309MoL-16和焊条A042 氩弧焊丝H00Cr18Ni14Mo2。(2)焊接接头的合理设计。避免腐蚀介质在焊接接头中的积聚，减少或消除应力集中，消除或降低焊接接头的残余应力。在一般工艺措施下，只有加热温度在 800-900时才能获得理想的消除应力效果。结构设计时应尽量采用对接接头，避免交叉焊缝，并将单一的 V型坡口改为Y型坡口。(3)采用小热输入，即小电流、高焊接速度，以减少横向摆动。在前一条焊缝冷却到预热温度后，焊接下一条焊缝。焊接后，在 750-800退火。退火后，迅速冷却以防止相和475脆化。4.3 2205双相不锈钢的焊接工艺 焊接 205 双相不锈钢的一些关键技术如下:(1
36、)焊接方法和材料的选择 奥氏体不锈钢的一般焊接方法，如手工电弧焊、钨极惰性气体保护焊和MIG焊，可用于焊接双相不锈钢。焊接材料应由镍含量高于母材的双相钢制成。确保焊缝中奥氏体相占主导地位。焊缝中铁素体含量控制在 30%45%之间为宜。(2)焊接工艺参数的选择 焊接能量太多或太少都不好。一般控制在0.5 2.5 kJ/cm。具体尺寸应根据焊件厚度选择。焊接时一般不需要预热。但当焊件壁厚过大或环境温度过低时，为防止焊缝中铁素体含量过高和冷却速度过快而产生热量，必要时应采取预热措施。为了避免冷却速度过低而导致析出相，应控制多层/多道焊的层间温度。(3)焊接熔池和背面的保护 气体保护焊时在保护气体中加
37、入氮气可以提高焊缝的耐蚀性。有效的气体保护是保证焊接质量的前提。保护气体的纯度应满足工艺要求，并采用有效的背部保护工具。焊接开始时，应检测焊缝背面的氧含量，符合工艺要求后才能开始焊接。(4)定位焊缝 在定位焊过程中，如果长度过短，焊接过程将在没有建立平衡的情况下结束，焊缝将迅速冷却，这可能导致铁素体含量高，韧性低，并因氮化物沉淀而降低耐腐蚀性。因此，如果采用定位焊，应规定定位焊缝的最短长度，并采用较大热输入量规的参数。(5)焊接材料的保护 材料表面引弧起弧是一个瞬间高温过程，冷却速度很快。表面显微组织中铁素体含量很高，对裂纹和腐蚀非常敏感，应尽量避免。如果产生，必须用细砂轮打磨去除。焊接过程中
38、对材料的保护非常重要，应避免碳钢、铜、低熔点金属或其他杂质对不锈钢焊接材料的污染。在可能的情况下，不锈钢板和碳钢板应分开存放和焊接。焊接和切割时，应采取措施防止飞溅、引弧、渗碳、局部过热等。205 双相不锈钢焊接注意事项:(1)2205 双相不锈钢强度高，延伸率比奥氏体不锈钢小。因此，应严格控制焊接质量。如果焊接牢固，焊后就很难矫正。即使能矫正，也会产生很大的残余应力，使机械性能变差，耐腐蚀性能降低。(2)2205 双相不锈钢的焊接对污染比较敏感，任何一种油、油脂和水分都会影响材料的耐腐蚀性能和机械性能。因此，在焊接前，应使用丙酮清洗焊接区域，以彻底清除油、污垢、灰尘、水分和其他污染。(3)选
39、择合理的焊接线能量非常重要。当焊缝线能量较小时，由于快速冷却，焊接热影响区和焊缝中铁素体含量较高，对耐蚀性和力学性能不利。但过高的焊缝能量会使合金元素燃烧，冷却缓慢，中间相析出，导致相结构失衡，对耐蚀性和力学性能也不利。因此，通过调整焊接线的能量输入，可以获得最佳的焊缝和焊接热影响区性能。(4)焊接完成后，应对焊缝和焊缝热影响区进行铁素体检测，以检查焊接工艺的合理性。当铁素体含量低于 30%时，2205 双相不锈钢将变脆3。4.4 实验材料和焊接工艺 4.4.1 测试材料和焊条 本次试验使用的原材料来自瑞典山特维克公司，牌号为SAF 2205(UNS ASTM 240-00 31803)，焊接
40、试样加工尺寸为 150mm80mm6mm，焊条ER209(=2。OMM)。试板和焊丝的化学成分见表 4-1 和表 4-2。表 4-1 2205 双相不锈钢母材和ER2209 焊条的化学成分(质量分数%)C S P 硅 锰 铬 镍 钼 普通 铜 母材 0.0166 0.001 0.024 0.36 0.82 22.48 5.46 3.12 0.16-焊条 0.013 0.007 0.018 0.49 1.54 22.92 8.61 3.18 0.18 0.012 表 4-2 2205 试板基材的机械性能 屈服强度Mpa 拉伸强度Mpa 断裂后伸长率%硬度(HRB)660 815 33.0 40.
41、1 焊接工艺指导书 根据掌握的技术，制定焊接工艺评定的工艺规范。表 4-3 是SAF2205 双相不锈钢板的焊接工艺指导书。表 4-3 2205 双相不锈钢管焊接工艺指南 日期:5 月 4 日，焊接工艺评定报告编号:001 焊接方法:手工电弧焊机械化程度:半自动化。焊接形式和坡口尺寸:接头形式:如右图所示。坡口形式:Y 型坡口。e:1.5 毫米间隙 钝边 p:2mm 倾斜角:75 垫圈(材料和规格):其他:素描 焊接基材:焊接材料:22052PW，瑞典 Avesta 公司生产 母材:150 毫米80 毫米8 毫米板材 焊接材料:焊接材料类别 ER2209 双相不锈钢焊条 焊接材料标准 易于焊接
42、和良好的熔化性。填充金属尺寸 2.00 毫米 焊接材料规格 3.2350 毫米 其他的 覆盖电极注释:ER2209 是一种钛钙涂层不锈钢焊条，具有优异的机械性能和抗晶间腐蚀性能，可用于交流和DC。出色的操作性能。用于焊接工作温度低于 300的耐腐蚀不锈钢结构。注意事项:焊接前，焊条需在 250烘烤 1 小时，并尽量使用 DC 电源。用交流电焊接时，熔深较浅，电流不宜过大，以免焊条变红。焊接位置:对接焊缝位置:平焊 焊接方向:(上、下)-焊接温度:25(室温)，层间温度小于 150 角焊缝位置:-焊接方向:(上、下)-焊缝宽度(周长):8 12 毫米。金属厚度(周长):2 4 毫米 焊接后的热处
43、理:温度:()保持时间:(h)焊接设备:型号:松下 DC 脉冲 TIG/手弧焊机 SA-300TP-3 电焊机技术参数:1.输出电压:380 伏 2.相数:单相 3.频率:50/60 赫兹 4.额定输入容量:KVA DC20.2AC30.8 5.输出电流(A)DC 弧氩弧焊起弧电流:5 300 手工焊:5 300 焊接电流:5 300 电弧闭合电流:5 300 6.氩弧焊:10 300 手工焊接:10 300 焊接电流:10 300 电弧闭合电流:10 300 7.DC 氩弧焊输出电压(V):10.2 22.6 手工焊接:20 32 交流:10.222.6 空载电压(V):DC 100 8.额
44、定临时负荷率:周期为 10 分钟。9.整流方式:可控硅单相全波整流方式。10.外部特性:恒流特性。1.脉冲频率:0.5 15 赫兹 12.脉冲宽度:15 85%13.增量时间:0.5 5.0 秒连续调整。14.衰减时间:0.5 5.0 秒连续调整。15.气体预流时间:0.2 秒在 PCB 上调整。16.气体滞后时间:2 20 秒连续调节。17.点焊定时:0.5 5 秒连续调整。18.外形尺寸:415x625x853 毫米 19.重量:193Kg 电气特性:电流类型:DC 极性:反接 焊接电流范围:(a)65-80 引弧电压(v):150-220 焊接工艺参数:焊缝/层 焊接 方法 填料 焊接源
45、 电弧 电压 焊接 速度(厘米/分钟)线能量(千焦/厘米)商标 厚度 极地的 电流(a)一个 电极电弧焊 A042 3.2 毫米 调换 70 30 45 12 2 电极电弧焊 A042 3.2 毫米 调换 70 30 45 12 焊接要求:1.坡口加工:板材切割后，用砂轮机打磨坡口，坡口角度单侧为 302.5，钝侧为 0.51.5毫米。加工坡口不允许母材过热变色。2.坡口和焊丝的清理:用 25mm 清理坡口外表面及其两侧，清理程序如下:抛光机抛光-丙酮(或无水乙醇)清洗。清理后不能直接进行焊接作业，必须待坡口端面干燥后才能进行作业。焊丝也用海绵蘸丙酮(或无水乙醇)擦拭干净。3.板材焊接施工前，
46、应根据焊接工艺评定编制焊接作业指导书，焊工应按规定的焊接作业指导书进行焊接。4.小电流，快速焊接，输入热量应控制在 0.2 2.5 kJ/mm(工艺参数严格按照焊接工艺不会超过周长)，层间最高温度 100。对于多层焊缝，填充焊道的电弧能量不得高于衬垫的能量。因为最外侧焊缝的热影响区缺少外侧焊缝的热处理，所以很难获得平衡的双相组织。因此，在制定焊接工艺时，最后一道焊缝应尽可能位于非工作介质表面。环缝引弧应在焊缝中进行，纵缝引弧和收弧应在引弧板和灭弧板上进行。5.避免焊条横向摆动过大和熔池过宽，以避免电流过大和残余应力过高。6.手工电弧焊后，待焊缝冷却后，打掉涂层，让焊缝在涂层的保护下冷却。防止氧
47、化。7.当采用焊条电弧焊时，定位焊应按适当的长度和间隔进行。根部焊道不应由点焊焊接而成。为了避免点焊造成的根部焊道裂纹，焊工应在点焊前中断根部焊接，待点焊完全磨平后再继续根部焊接。8.焊条应始终保持干燥，并存放在保温桶中，焊条不得乱扔。9.不允许补焊。4 技术措施:摆动焊接或非摆动焊接:非摆动焊接的摆动参数:焊前清洗和层间清洗:机械抛光清洗方法:机械抛光。单道焊或多道焊(双面):单丝焊或多丝焊双面单道焊:单丝焊。触点到工件的距离:(mm)3 5 其他:过程标准:焊后应进行外观检查，不得有咬边、气孔、裂纹、夹渣等缺陷。超出的焊接高度为 0。8 毫米，按 473022005 标准无损检测，照相质量
48、为 AB 和 II 级。焊接板样品:(如图 4-1(a)和(b)所示)(a)(b)图 4-1 2205 双相不锈钢焊接板样本 热处理工艺对 2205 双相不锈钢性能的影响 5.1 金相试样的制备方法 选择上述满足焊接和焊缝要求的双相不锈钢成型焊板，用手动砂轮机将焊板周围的焊渣和焊缝毛刺磨平至要求的规格。用数控线切割机将抛光后的板材切割成 10mm10mm8mm的小块，用于后续测试。金相试样的制备包括取样、镶嵌、研磨、抛光和浸蚀五个步骤。试验所用设备和材料:(1)金相显微镜；磨床；抛光机；(4)吹风机；5样品；6不同类型的砂纸；(7)玻璃板；8.抛光粉悬浮液；酒精；由1 体积的浓硝酸和3 体积的
49、浓盐酸组成的王水溶液；棉花；剪辑。(1)取样是金相显微分析中非常重要的一步。应根据研究目的选择微观样品的代表性部分。本实验选取焊接板材中焊接条件较好的切片，打磨表面时需要倒角。在样品切割过程中，不宜将样品温度升高太多，以免引起金属结构的变化，影响分析结果。(2)嵌体的尺寸过小，如形状不规则的丝、片、带、管等。，所以可以嵌入有特殊需求的样品(表面结构的观察)。嵌体的方法很多，有低熔点合金嵌体、塑料嵌体、环氧树脂嵌体、固定装置等。目前一般采用塑料镶嵌。塑料钐样品由热固性和热塑性两种塑料制成。前者为胶木粉或酚醛模塑料，不透明，颜色多(一般为黑色)。这种塑料比较硬，但是耐酸碱腐蚀性差。后者半透明或透明
50、，耐酸碱腐蚀性好，但较软。两种塑料嵌入样品时，必须放入切割机的切割膜中加热，热固性塑料加热温度为110-150；热塑性塑料为140-160。同时施加200kg/cm2 的压力，经过一定时间后，撤除压力，将钐嵌入样品推出压膜。这种方法速度快，但必须加热加压，可能会改变一些金相组织。例如，淬火马氏体结构被回火。当需要观察样品的几个表面时，不能包埋。(3)研磨样品的研磨一般分为粗磨和精磨。目的是获得光滑平整的表面。准备抛光。粗磨(磨平)样品研磨前，先用砂轮磨平或用锉刀锉平。磨削时，保持样品的磨削面与砂轮侧面平行，慢慢与砂轮接触，并对样品均匀施加适当的压力。在磨削过程中，样品应沿着砂轮缓慢地来回接触，