雙相不銹鋼焊接

1、關(guān)于雙相不銹鋼的焊接第1頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 30年代：法國(guó)最先研制出雙相不銹鋼，呈鐵素體和奧氏體雙相組織狀態(tài)，具有獨(dú)特的耐腐蝕性和較好的力學(xué)性能。但雙相不銹鋼的相組成比例難以控制及焊接困難，工業(yè)應(yīng)用受到限制。 40年代：美國(guó)開(kāi)發(fā)出第一代雙相不銹鋼329鋼，耐腐蝕性能好，但含碳量較高（0.1%），含鉬和鉻都較高，焊接性不好； 50年代：蘇聯(lián)開(kāi)發(fā)含穩(wěn)定元素鈦的雙相不銹鋼，德、法、英、日等國(guó)也相繼開(kāi)發(fā)出雙相不銹鋼； 60年代：瑞典開(kāi)發(fā)出最具代表性的第一代雙相不銹鋼超低碳（0.03%）雙相不銹鋼，3RE60鋼，使焊接接頭塑性、韌性和耐腐蝕性顯著改善。 2.1 雙相不

2、銹鋼的發(fā)展概況第2頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 70年代：開(kāi)發(fā)出第二代雙相不銹鋼，即在超低碳的基礎(chǔ)上含氮雙相不銹鋼，并含有鉬、銅、硅等耐蝕性元素。包括18Cr型、22Cr型及25Cr型，如瑞典開(kāi)發(fā)的SAF2205等。 80年代：研發(fā)的超級(jí)雙相不銹鋼（SuperDSS）為第三代雙相不銹鋼，含碳量低（c0.010.02%）、高鉬（Mo4%）、高氮（N0.3%），鋼中鐵素體含量4045%，耐點(diǎn)蝕系數(shù)大于40。成功解決了Cr-Ni奧氏不銹鋼容易出現(xiàn)的孔蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等問(wèn)題。第3頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四雙相不銹鋼的發(fā)展歷程可概括為“產(chǎn)量低、

3、增速快”。2002年全球雙相不銹鋼年產(chǎn)量約占不銹鋼總產(chǎn)量的1%，但到了2009年這一比例上升到了15%，這種高增長(zhǎng)的原因在于：一是質(zhì)量具備可靠性；二是成本具備經(jīng)濟(jì)性。目前雙相不銹鋼被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備制造和工程項(xiàng)目建設(shè)。如：煉油行業(yè)中的催化裂化裝置、加氫處理裝置、油氣輸送管線；化工行業(yè)中的氯乙烯生產(chǎn)裝置；運(yùn)輸行業(yè)中的海上化學(xué)品船；造紙行業(yè)中的漂白設(shè)備、建筑行業(yè)中的結(jié)構(gòu)件；核電行業(yè)等。第4頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四雙相不銹鋼的主要應(yīng)用領(lǐng)域(1)中性氯化物環(huán)境 雙相不銹鋼在中性氯化物環(huán)境中應(yīng)用廣泛，在加工制造過(guò)程中，通常使用少量的含有氯離子的溶液作為冷卻水，從而導(dǎo)致普通

4、的奧氏體不銹鋼(例如 AISI 304/316)有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的傾向，而雙相不銹鋼可以很好的解決這一問(wèn)題，尤其適用于由孔蝕引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的環(huán)境。衡量耐腐蝕性的好壞通常用孔蝕當(dāng)量指數(shù) PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%表示，其中雙相不銹鋼 PRE 值大于 24，而奧氏體 PRE 小于 20。(2)石油和天然氣工業(yè) 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，雙相不銹鋼在酸性氣和油的生產(chǎn)中用量逐漸增多，主要用作生產(chǎn)管襯里、熱交換器以及岸上和近海的管道系統(tǒng)等。尤其在石油和天然氣的生產(chǎn)中，雙相不銹鋼多數(shù)面臨的主要是酸性環(huán)境，即含有大量 Cl, CO2和一些 H2S 的環(huán)境。在含 Cl的濕 CO惡性環(huán)境中，雙相

5、不銹鋼是一種理想材料的首選，可耐高流速的磨損腐蝕，比加緩蝕劑的碳素鋼及不銹鋼更能抵抗高流速的磨損腐蝕，并用于井上管道系統(tǒng)，可以減少大量的材料重量。第5頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四(3)海水環(huán)境 海水是自然環(huán)境中腐蝕性最強(qiáng)的一種介質(zhì)，尤其在金屬表面粘附著微生物薄膜時(shí)將產(chǎn)生腐蝕電位增加，同時(shí)也增加了孔蝕和縫隙腐蝕的傾向。就熱海水而言，目前大多使用超級(jí)雙相不銹鋼，例如，用 SAF2507 超級(jí)雙相不銹鋼制造的海水交換器，使用 3 年未發(fā)現(xiàn)腐蝕，而鈦管由于不耐 F腐蝕，只能用 3 個(gè)月。(4)紙漿和造紙工業(yè) 雙相不銹鋼在紙漿和造紙工業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用中已經(jīng)有 40 多年的歷史了，

6、3RE60雙向不銹鋼最早就是在這一領(lǐng)域起步應(yīng)用的。除 3RE60 鋼外，其它雙相不銹鋼如UR45N (SAF2205)、UR47N (00Cr25Ni6.5Mo3N)、UR52N+(00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN )等都應(yīng)用在各工業(yè)領(lǐng)域。由于雙相不銹鋼具有優(yōu)秀的力學(xué)性能，以及耐磨損腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕以及耐疲勞腐蝕性能好等特長(zhǎng)，所以在制造紙漿和工業(yè)用的造紙木屑預(yù)蒸器、造紙壓力滾筒、連續(xù)式和間歇式紙漿蒸煮器和回收設(shè)備中都取得了良好的應(yīng)用效果。第6頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四(5)化肥工業(yè) 尿素工業(yè)也是最早使用雙相不銹鋼的部門之一，其裝置中含氯離子水的熱交換設(shè)備使用得

7、較多，例如尿素裝置中 CO2壓縮機(jī)三段冷卻器原先使用 304L 奧氏體不銹鋼管束，l 個(gè)月后即因應(yīng)力腐蝕破裂而導(dǎo)致泄漏，而雙相不銹鋼可用 5 年以上，隨后一、二段冷卻器也都換用了 185Mo 或 SAF2205 雙相不銹鋼。由于雙相不銹鋼在尿素介質(zhì)中有良好的抗腐蝕疲勞性能，很適合用于制造尿素生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備甲按泵泵體。國(guó)產(chǎn)的 00Cr25Ni6Mo2N 雙向不銹鋼能夠通過(guò) Huey 法的晶間腐蝕傾向的檢驗(yàn)，已用于洞庭氮肥廠（五柱塞式）、黑龍江化肥廠等大型化肥廠。國(guó)內(nèi)中一些小化肥廠的甲按泵泵體基本上采用 185Mo 鋼制造，也有數(shù)十家采用的是高鉻含鉛雙相不銹鋼。此外這種鋼的泵閥鍛件通過(guò)了日本 JI

8、S G0573、G0591 硝酸法和硫酸法的檢驗(yàn)，批量出口日本，價(jià)格要比日本當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的優(yōu)惠。此外，采用國(guó)產(chǎn) 0Cr25Ni6Mo3CuN 時(shí)效強(qiáng)化雙相不銹鋼，利用其優(yōu)異的耐磨損腐蝕性能，用于加工多種規(guī)格的尿素裝置主工藝管路高壓截止閥的內(nèi)件等，能起到不錯(cuò)的效果。第7頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四(6)運(yùn)輸業(yè) 最近幾年海上化學(xué)品運(yùn)輸船行業(yè)是國(guó)外最大的雙相不銹鋼用戶，消費(fèi)量約占熱軋板的 50?；瘜W(xué)品船裝載的液體貨物多種多樣，包括化學(xué)和石化產(chǎn)品，要求船艙材料既能耐腐蝕，又有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性。目前，SAF2205 雙相不銹鋼已取代 316L和 317L 等奧氏體不銹鋼，成為

9、海上化學(xué)品船的首選材料。我國(guó)在這方面起步較晚，中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)青山船廠采用歐洲建造標(biāo)準(zhǔn)，使用進(jìn)口的 SAF2205 鋼板，自行制造成功第一艘 18500t 化學(xué)品船，鋼板消耗量大約 1200t，已出口比利時(shí)。實(shí)現(xiàn)了我國(guó)用雙相不銹鋼建造化學(xué)品船零的突破，該廠已形成規(guī)模生產(chǎn)能力。第8頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 2.2.1 主要成分：Cr、Ni、Mo、N。其中， Cr、Mo鐵素體形成元素 Ni、N 奧氏體形成元素 N主要固溶強(qiáng)化元素 Cr、Mo、N提高耐氯化物點(diǎn)蝕性能 耐點(diǎn)蝕當(dāng)量：PREN=(Cr)+3.3 (Mo)+ 16 (N) 正常含Mo雙相不銹鋼： PREN=30

10、36 超級(jí)雙相不銹鋼： PREN402.2 雙相不銹鋼的成分、組織和性能第9頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四根據(jù)成分和PREN值分類： 低合金型，23%Cr無(wú)Mo雙相不銹鋼：Cr:23% Ni:4% N:0.1-0.2% PREN=2425 中合金型，22%Cr標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼：Cr:22% Ni:5-5.5% Mo:3% N:0.14-0.17% PREN=3036 高合金型，25%Cr+(0-2.5%)Cu雙相不銹鋼：Cr:25-27% Ni:4-7% Mo:1.5-3.3% N:0.15-0.25% PREN=3240 25%Cr超級(jí)雙相不銹鋼：Cr:25-26% N

11、i:6-7% Mo:3.5-4% N:0.25-0.28% PREN40第10頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四不銹鋼的PREN值的比較第11頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 2.2.2 組織 相（鐵素體）+相（奧氏體）雙相組織，其中相與相的體積分?jǐn)?shù)之比（/）約各占50%。其中：鐵素體提供高的屈服強(qiáng)度、耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能； 奧氏體提供好的韌性和耐全腐蝕性能。 相含量過(guò)高引起脆化； 相含量過(guò)高降低耐應(yīng)力腐蝕性能。 2.2.3 性能 1)具有良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕的能力； 2)具有良好的抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能，優(yōu)于奧氏體不銹鋼； 3)有良好的耐腐蝕疲勞和耐

12、磨損腐蝕性能；第12頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 4)綜合力學(xué)性能好。有較高的強(qiáng)度（包括疲勞強(qiáng)度），屈服強(qiáng)度是普通Cr-Ni奧氏體不銹鋼的2倍； 5)焊接性好，熱裂傾向小。一般不需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理，可與18-8型奧氏體不銹鋼及碳鋼進(jìn)行異種鋼焊接； 6)低鉻（Cr18%）的雙相不銹鋼熱加工溫度范圍比18-8型奧氏體不銹鋼寬，抗力小，高鉻（Cr25%）的雙相不銹鋼熱加工比18-8型奧氏體不銹鋼困難； 7)雙相不銹鋼比18-8型奧氏體不銹鋼加工硬化效應(yīng)大； 8)與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的熱導(dǎo)率大，線脹系數(shù)??； 9)仍有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆化傾向，不宜在高于3

13、00C的溫度下使用。若含鉻量較低，脆性相析出危害性較小。第13頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四第14頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四第15頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的性能主要受鐵素體和奧氏體比例的影響，奧氏體和鐵素體各占50%時(shí)，具有良好的耐腐蝕性和焊接性。在平衡狀態(tài)下，兩相的比例主要由鋼中的合金元素，即鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量來(lái)決定。 Creq=Cr+Mo+1.5Si Nieq=Ni+30C+N+0.5Mn第16頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 2.3.1 焊縫凝固與奧氏體形成 母材組

14、織：(50%)V相+(50%)V相，其中相呈長(zhǎng)條狀分布在相基體中。 焊縫組織：焊接熔化后形成鑄態(tài)組織。2.3 雙相不銹鋼的焊接冶金第17頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四Fe-Cr-Ni偽二元相圖： 液態(tài)下凝固：L 冷卻到1300： 在固態(tài)下在晶粒邊界形核和生長(zhǎng)。 冷卻到室溫：+ 其中，相的形態(tài)和數(shù)量：化學(xué)成分 冷卻速度 基于TTT圖：冷卻速度增加相含量減少。 在焊縫快速冷卻條件下形成的相，一般呈魏氏組織形態(tài)。第18頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四第19頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四第20頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7

15、點(diǎn)5分，星期四第21頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四合金元素的作用： 合金元素直接影響焊縫金屬的組成，Creq越大，Nieq越小，焊縫中奧氏體含量越少。 合金元素在鐵素體和奧氏體所占的比例也不一樣。焊接參數(shù)的作用： 由于焊接參數(shù)影響到冷卻速度，即影響到合金元素的擴(kuò)散，所以，也影響到合金元素在兩相中的分配，焊接線能量越大，冷卻速度越慢，由于擴(kuò)散比較充分，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變進(jìn)行的就比較充分，奧氏體含量增加，合金元素在兩相中的含量差別也會(huì)拉大。析出相的問(wèn)題： 析出相會(huì)影響到焊縫金屬中的力學(xué)性能及耐腐蝕性。第22頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 A.當(dāng)焊縫成

16、分與母材相同時(shí)：降低焊縫的冷卻速度。 冷卻速度過(guò)快時(shí)，焊縫中相含量不足，而相含量可超過(guò)80%，導(dǎo)致焊縫韌性下降，氫脆敏感性增加。 B.當(dāng)焊縫的冷卻速度難以降低時(shí)，提高焊縫中Ni、Mn、N等奧氏體形成元素含量，其中N的作用最為顯著。 通過(guò)焊縫過(guò)合金化，促使相增加，使焊縫獲得與母材同樣的組織。 N對(duì)轉(zhuǎn)變的作用：（由TTT圖） 例如：焊縫和母材為獲得60%+40%的雙相組織：要求焊縫0.219%N，而母材只需0.141%N。 注：焊縫中相體積分?jǐn)?shù)一般推薦為22-70%。為獲得足夠的耐腐蝕性并避免氫致裂紋，相最大含量應(yīng)限制在60%。第23頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四焊縫室溫組

17、織預(yù)測(cè)： Schaeffler圖：鐵素體含量的精度4% DeLong圖：鐵素體含量的精度2% WRC1992組織圖美國(guó)焊接研究委員會(huì)推薦 第24頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0. 5Mn%舍夫勒組織圖 第25頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0. 5Mn%德龍圖第26頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 2.3.2 熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變 早期雙相不銹鋼：焊后

18、HAZ中相含量過(guò)高，甚至接近單相組織（60%時(shí)，+雙相的點(diǎn)蝕電位處于純相與純相之間； Fe60%時(shí)， +雙相的點(diǎn)蝕電位與純相和純相基本相同。 注：Fe增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的Cr、Ni相應(yīng)減少。第60頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 組織對(duì)點(diǎn)蝕的影響 隨著相含量的增加，點(diǎn)蝕電位開(kāi)始時(shí)增加較快，當(dāng)相達(dá)到40%后則基本不變。 注：Fe含量降低時(shí)，即合金含量提高時(shí)，點(diǎn)蝕電位降低。A：低鐵系列合金（Fe50%）B：高鐵系列合金（Fe=68-70%）第61頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 冷卻速度對(duì)點(diǎn)蝕的影響 隨著含N量增加，點(diǎn)蝕電位提高，但與冷速有關(guān)。 N=0.13%

19、時(shí)，冷速對(duì)SCE影響顯著。冷卻快：析出大量Cr2N，SCE低；冷卻慢：基本沒(méi)有析出Cr2N，SCE高。 N=0.25%時(shí)，冷速快慢Cr2N基本沒(méi)有析出，故對(duì)SCE沒(méi)有影響。結(jié)論：含N量較低的雙相鋼，其點(diǎn)蝕電位（SCE）對(duì)冷卻速度很敏感， 因此焊接含N量較低的雙相不銹鋼時(shí)，要嚴(yán)格控制冷卻速度。第62頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 思考題：分析在不同的冷卻速度條件下，雙相不銹鋼的含N量對(duì)相和Cr2N析出相體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律。第63頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 為了獲得滿意的/比，以及最佳的力學(xué)性能與耐腐蝕性能的組合，通常需要控制兩個(gè)因素： 因素1：

20、焊縫化學(xué)成分填充金屬，保護(hù)氣體，母材稀釋率等 因素2：接頭冷卻速度熱輸入量，層間溫度，材料厚度等 2.5.1 焊接方法的選擇 無(wú)填充金屬的TIG焊 A.純Ar氣體保護(hù)時(shí)： 含N量較低(0.130%N)： 相90% 含N量較高(0.396%N)： 相43% 注：合適的體積分?jǐn)?shù)為20-60%。2.5 雙相不銹鋼焊接工藝特點(diǎn)第64頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 B.Ar+N2混合氣體保護(hù)時(shí)： 可通過(guò)保護(hù)氣體使焊縫增N，以獲得合適的含量。 焊接含N量0.16%的一般雙相鋼：應(yīng)在Ar中加1.0-1.2%N； 焊接含N量0.25%的超級(jí)雙相鋼：應(yīng)在Ar中加2.0-2.5%N。 注：焊接單面焊的根部焊道時(shí)，建議采用Ar+N2混合氣體TIG焊。第65頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 無(wú)填充金屬的電子束焊 不能通過(guò)氣體向焊縫增N，只能焊接含N量高(0.4%N)的雙相鋼。第66頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)5分，星期四 2.5.2 填充材料的選擇 在不加填充材料的TIG、電子束焊接過(guò)程中，N元素的損失無(wú)法通過(guò)填充金屬進(jìn)行補(bǔ)充，引起焊縫中相嚴(yán)重不足而使組織和性能惡化，因此，通常采用有填充材料的焊接方法。 A.填充材料選擇原則： 為保證焊態(tài)下焊縫組織具有合適的 /比，應(yīng)選擇比母材具有