雙相不銹鋼2205由瑞典AvestaPolarit公司生產(chǎn),商業(yè)牌號是2205CodePlusTow,已納入ASTM和ASME的A240和A480中,UNS編號為S32205,屬于第二代雙相不銹鋼。2205CodePlusTow與UNS編號為S31803的同種雙相不銹鋼2205有所不同,它提高了氮含量的下限,并通過有害金屬相析出測試。2205CodePlusTow具有更高的強(qiáng)度、耐蝕性和焊后冶金穩(wěn)定性,焊接接頭易于獲得平衡的兩相組織,高氮含量更有效抑制有害金屬相的析出,這對焊接是非常有利的。

1　材料特性

1.1　成分特點(diǎn)

第二代雙相不銹鋼一般稱為標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼,成分特點(diǎn)是超低碳、含氮,其典型成分為22%Cr+5%Ni+0.17%N(見表1)。與第一代雙相不銹鋼相比,2205進(jìn)一步提高氮含量,增強(qiáng)在氯離子濃度較高的酸性介質(zhì)中的耐應(yīng)力腐蝕和抗點(diǎn)蝕性能。氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成元素,加入到雙相不銹鋼中,既提高鋼的強(qiáng)度且不顯著損傷鋼的塑韌性,又能抑制碳化物析出和延緩σ相形成。

1.2　組織特點(diǎn)

雙相不銹鋼在室溫下固溶體中奧氏體和鐵素體約各占半數(shù)(雙相不銹鋼2205鐵素體含量應(yīng)為30%～55%,典型值是45%左右),兼有兩相組織特征,見圖1。它保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐點(diǎn)蝕、縫隙及氯化物應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn);又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉(zhuǎn)變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學(xué)性能和焊接性能好的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 　2205DSS 板材典型顯微組織

1.3　性能特點(diǎn)

在性能上的突出表現(xiàn)是屈服強(qiáng)度高和耐應(yīng)力腐蝕。

雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度高近1倍,同樣的壓力等級條件下,可以節(jié)約材料。比奧氏體不銹鋼的線性熱膨脹系數(shù)低,與低碳鋼接近。使得雙相不銹鋼與碳鋼的連接較為合適,這有很大的工程意義。鍛壓及冷沖成型性不如奧氏體不銹鋼。雙相不銹鋼2205的機(jī)械性能見表2。

2　焊接性[1]

雙相不銹鋼2205具有良好的焊接性,焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性都較小。通常焊前不預(yù)熱,焊后不熱處理。由于有較高的氮含量,熱影響區(qū)的單相鐵素體化傾向較小,當(dāng)焊接材料選擇合理,焊接線能量控制適當(dāng)時,焊接接頭具有良好的綜合性能。

2.1　熱裂紋

熱裂紋的敏感性比奧氏體不銹鋼小得多。這是由于含鎳量不高,易形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)極少,不易產(chǎn)生低熔點(diǎn)液膜。另外,晶粒在高溫下沒有急劇長大的危險。

2.2　熱影響區(qū)脆化

雙相不銹鋼焊接的主要問題不在焊縫,而在熱影響區(qū)。因?yàn)樵诤附訜嵫h(huán)作用下,熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài),冷卻后總是保留更多的鐵素體,從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋(脆化)的敏感性。

2.3　鐵素體475℃脆化

雙相不銹鋼含有50%左右的鐵素體,同樣也存在475℃脆性,但不如鐵素體不銹鋼那樣敏感。

3　焊接冶金[2]

雙相不銹鋼焊接過程中,在熱循環(huán)的作用下,焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織發(fā)生著一系列的變化。在高溫下,所有的雙相不銹鋼的金相組織全部由鐵素體組成,奧氏體是在冷卻過程中析出的。奧氏體析出的多少受諸多因素的影響。

3.1　相比例要求

雙相不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能取決于焊接接頭能否保持適當(dāng)?shù)南啾壤?/span>,因此,焊接是圍繞如何保證其雙相組織進(jìn)行的。當(dāng)鐵素體和奧氏體量各接近50%時,性能較好,接近母材的性能。改變這個比例關(guān)系,將使雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能和力學(xué)性能(尤其是韌性)下降。雙相不銹鋼2205鐵素體含量的最佳值是45%。過低的鐵素體含量(<25%)將導(dǎo)致強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降;過高的鐵素體含量(>75%)也會有損于耐蝕性和降低沖擊韌性。

3.2　相比例影響因素

焊接接頭中鐵素體和奧氏體的平衡關(guān)系既受到鋼中合金元素含量的影響,又受到填充金屬、焊接熱循環(huán)、保護(hù)氣體的影響。

3.2.1　合金元素的影響

根據(jù)研究和大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),母材中含氮是非常重要的。氮在保證焊縫金屬和焊后熱影響區(qū)內(nèi)形成足夠量的奧氏體方面具有重要作用。氮和鎳一樣是形成奧氏體和擴(kuò)大奧氏體元素,但是,氮的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鎳。在高溫下,氮穩(wěn)定奧氏體的能力也比鎳大,可防止焊后出現(xiàn)單相鐵素體,并能阻止有害金屬相的析出。

由于焊接熱循環(huán)的作用,自熔焊或填充金屬成分與母材相同時,焊縫金屬的鐵素體量急劇增加,甚至出現(xiàn)純鐵素體組織。為了抑制焊縫中鐵素體的過量增加,采用奧氏體占優(yōu)勢的焊縫金屬是雙相不銹鋼的焊接趨勢。一般采取在焊接材料中提高鎳或是加氮這兩條途徑。通常鎳的含量比母材高出2%～4%,例如,2205填充金屬的鎳含量就高達(dá)8%～10%。用含氮的填充材料比只提高鎳的填充材料效果更好,兩種元素都可以增加奧氏體相的比例并使其穩(wěn)定,但加氮不僅能延緩金屬間相的析出,而且還可提高焊縫金屬的強(qiáng)度和耐蝕性能。

目前,填充材料一般都是在提高鎳的基礎(chǔ)上,再加入與母材含量相當(dāng)?shù)牡?/span>

對于雙相不銹鋼2205,鎢極氬弧焊選用Sandvik22.8.3.L(ER2209)焊絲,焊條電弧焊選用Avesta2205AC/DC焊條是滿足對焊接材料要求的。這兩種焊接材料的化學(xué)成分見表1。雙相不銹鋼2205及焊接材料在合金元素上的這些特點(diǎn),為焊接工藝參數(shù)即焊接線能量的選擇提供了一定的范圍,這對焊接是非常有利的。

3.2.2　熱循環(huán)的影響

雙相不銹鋼焊接的最大特點(diǎn)是焊接熱循環(huán)對焊接接頭內(nèi)的組織有影響,無論焊縫還是熱影響區(qū)都會有相變發(fā)生,這對焊接接頭的性能有很大影響。因此,多層多道焊是有益的,后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用,焊縫金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,成為以奧氏體占優(yōu)勢的兩相組織;毗鄰焊縫的熱影響區(qū)中的奧氏體相也相應(yīng)增多,且能細(xì)化鐵素體晶粒,減少碳化物和氮化物從晶內(nèi)和晶界析出,從而使整個焊接接頭的組織和性能顯著改善。也正是由于焊接熱循環(huán)的影響,雙相不銹鋼焊接時要求與介質(zhì)接觸的焊道應(yīng)先焊接,這一點(diǎn)與奧氏體不銹鋼焊接順序的要求恰恰相反。

3.2.3　工藝參數(shù)的影響

焊接工藝參數(shù)即焊接線能量對雙相組織的平衡也起著關(guān)鍵的作用。由于雙相不銹鋼在高溫下是100%的鐵素體,若線能量過小,熱影響區(qū)冷卻速度快,奧氏體來不及析出,過量的鐵素體就會在室溫下過冷保持下來。若線能量過大,冷卻速度太慢,盡管可以獲得足量的奧氏體,但也會引起熱影響區(qū)的鐵素體晶粒長大以及σ相等有害金屬相的析出,造成接頭脆化。

為了避免上述情況的發(fā)生,最佳的措施是控制焊接線能量和層間溫度,并使用填充金屬。

3.2.4　保護(hù)氣體的影響

鎢極氬弧焊時,可在氬氣中加入2%氮?dú)?防止焊縫表面因擴(kuò)散而損失氮,有助于鐵素體與奧氏體的平衡。

4　焊接工藝

焊接工藝通常應(yīng)規(guī)定出焊接線能量范圍和最高的層間溫度。Avesta公司建議線能量為110～215kJ/mm,層間溫度控制在150℃以下。鑒于此,焊接工藝評定采用的焊接工藝參數(shù)見表3。

對接坡口加工形式及焊接層次如圖2所示,第1層是鎢極氬弧焊,2～4層是焊條電弧焊。

5　性能評定

5.1　焊接工藝評定

按JB4708—2000進(jìn)行焊接工藝評定,平均抗拉強(qiáng)度高達(dá)782MPa,塑性斷裂在熱影響區(qū);4支側(cè)彎試樣無裂紋出現(xiàn)。

5.2　相比例評定

金相法觀察到的組織形貌是白色奧氏體基體上分布有淺灰色條狀、塊狀鐵素體。經(jīng)評估,焊縫鐵素體含量約為30%;熱影響區(qū)為50%～60%;母材為40%～45%。

6　結(jié)束語

工程實(shí)踐證明:采用Sandvik22.8.3.L焊絲和Avesta2205AC/DC焊條,運(yùn)用氬弧焊打底、焊條電弧焊罩面的焊接方法,控制適中的焊接線能量,是獲得平衡的雙相組織的關(guān)鍵,是焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能得到保證的關(guān)鍵。