SAF2205雙相不銹鋼管焊接工藝研究

朱濤

SAF2205雙相不銹鋼管焊接工藝研究

朱濤

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力建設(shè)第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 443112）

對(duì)SAF2205不銹鋼管的焊接材料、填充材料、保護(hù)氣體、焊接方法和設(shè)備、層間溫度、焊接熱輸入、保護(hù)措施、操作要點(diǎn)、難點(diǎn)分析和檢驗(yàn)要求進(jìn)行了分析，總結(jié)了SAF2205雙相不銹鋼管的一種焊接方法，并提供了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以期為相關(guān)焊接工作提供參考。

雙相不銹鋼；焊接；工藝研究；SAF2205

雙相不銹鋼誕生于20世紀(jì)40年代的美國(guó)，當(dāng)今使用的雙相不銹鋼已經(jīng)是第三代產(chǎn)品，因其卓越的性能被廣泛用于化工、核電、造紙、石油、化肥、煉油等行業(yè)的熱交換器、冷淋器和器件的制作。雙相不銹鋼管根據(jù)化學(xué)性能分成Cr18、Cr23、Cr22和Cr25四類(lèi)，其中Cr25又可以分為超級(jí)雙相不銹鋼型和普通型，在實(shí)際使用中使用較多的是Cr25和Cr22，主要型號(hào)為SAF2304、SAF2205和SAF2507。SAF2205雙相不銹鋼管作為雙相不銹鋼管諸多型號(hào)中的一種，具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在當(dāng)前具有廣泛的使用前景，但是由于其固溶組織中奧氏體和鐵素體各占一半，因此它同時(shí)具有奧氏體和鐵素體的特點(diǎn)，與鐵素體相比，它具有更強(qiáng)的韌性，室溫脆性被消除，導(dǎo)熱系數(shù)高且熱膨脹系數(shù)比較小，最重要的是擁有卓越的耐腐蝕能力，大大拓展了雙相不銹鋼管的使用范圍。但是，出廠時(shí)的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足實(shí)際使用的需求，因此必須對(duì)其進(jìn)行焊接，而其焊接工藝要求特別嚴(yán)格，如果控制不好就會(huì)使其焊接處奧氏體和鐵素體的比例失調(diào)，從而失去其卓越的特性而使綜合性能下降。雙相不銹鋼管在實(shí)際的生產(chǎn)和使用中的種類(lèi)較多，而其中最常用的是SAF2205雙相不銹鋼管。

1 焊接材料

試驗(yàn)用的雙相不銹鋼管材為浙江益宏不銹鋼有限公司生產(chǎn)的SAF2205雙相不銹鋼管，其主要化學(xué)成分為N（0.13%～0.20%）、Cr（22%～22.8%）、Ni（4.5%～6%），力學(xué)性能屈服強(qiáng)度大于等于450 MPa，抗拉強(qiáng)度大于等于650 MPa。

SAF2205雙相不銹鋼管中含有鉬，因而具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗疲勞性能，能夠抵御氯化物的侵蝕，屈服強(qiáng)度是其他不銹鋼管的兩倍，因而在各個(gè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。

2 填充材料

在對(duì)雙相不銹鋼管進(jìn)行焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱循環(huán)，而如果使用同樣的材料進(jìn)行焊接，由于熱循環(huán)的作用，會(huì)使焊接處奧氏體伴隨著碳化物析出，致使含量急速下降，而焊接處的材料化學(xué)成分發(fā)生改變則其力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生不可知的變化。一般來(lái)講，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)大幅下降，也更容易被腐蝕，那么如何應(yīng)對(duì)這種情況呢？考慮到焊接時(shí)熱循環(huán)作用會(huì)使奧氏體大量析出，在篩選填充材料時(shí)，應(yīng)選擇奧氏體含量大的材料，抑制焊接處因奧氏體大量析出而使鐵素體含量增高的問(wèn)題，在此選用E2209—16焊條，其主要化學(xué)成分Cr約為22.95%、Ni約為8.67%、N約為0.16%。

3 保護(hù)氣體

電弧和背部保護(hù)氣體的選擇會(huì)極大影響焊接處的韌性和耐腐蝕性。在一般焊接中，人們會(huì)選擇Ar作為保護(hù)氣體，在雙相不銹鋼管焊接時(shí)也可以使用Ar作為保護(hù)氣體，但并不是最佳的選擇。在焊接過(guò)程中，純Ar作為保護(hù)氣體無(wú)法補(bǔ)充因焊接而流失的氮，如果想獲得最佳的焊接性能，需在保護(hù)氣體中添加氮元素。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，加入保護(hù)氣體含量的2%為最適合的量，可以及時(shí)補(bǔ)充焊接處流失的氮元素，進(jìn)而防止奧氏體的大量析出。同時(shí)背面保護(hù)氣體也同樣重要，它影響著焊接處的抗拉強(qiáng)度和耐腐蝕性，在此選用98%的Ar和2%的N2作為保護(hù)氣體。

4 焊接方法和設(shè)備

TIG蓋面使用濟(jì)南金佳源焊接設(shè)備有限公司RSN2500型逆變焊機(jī)，MIG蓋面使用松下YD-500KR2HGE型焊機(jī)。在焊接方法上，使用等離子焊打底，用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，保證焊接面雙面成型，在焊接過(guò)程中應(yīng)多次施焊，且每次焊接前溫度要控制在150 ℃以?xún)?nèi)，且每次焊接都應(yīng)將焊道清理干凈，控制好線能量。

5 層間溫度

在多層焊接時(shí)，SAF2205雙相不銹鋼管會(huì)在550～600 ℃中發(fā)生脆性斷裂，在800～900 ℃中鐵素體會(huì)出現(xiàn)σ脆化，由此可見(jiàn)鐵素體在高溫中極易處于不穩(wěn)定狀態(tài)，容易析出多種物質(zhì)，因此要獲得最佳的焊接效果，多層焊接雙相不銹鋼管的層間溫度應(yīng)該在100 ℃以?xún)?nèi)。

6 焊接熱輸入

焊接熱輸入會(huì)對(duì)熱影響區(qū)產(chǎn)生影響，焊區(qū)的硬度將隨著冷卻速率的增加而增加，而硬度決定焊接區(qū)域的韌性，冷卻速度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)使焊接區(qū)域的韌性降低，這是因?yàn)檫^(guò)高的溫度，使焊接處的氮元素析出，進(jìn)而使奧氏體和鐵素體的比例失調(diào)，即上面所提到的奧氏體析出問(wèn)題。熱輸入和冷卻速率會(huì)極大影響奧氏體和鐵素體之間的比例平衡，當(dāng)熱輸入過(guò)低時(shí)，鐵素體的比例會(huì)偏高，當(dāng)熱輸入過(guò)高時(shí)，鐵素體的比例會(huì)偏低，這兩者都會(huì)使焊接處的韌性降低，因此要獲得最佳的連接性能，必須將熱輸入控制在規(guī)程范圍內(nèi)，即使鐵素體含量置于40%～60%之間，保持在這個(gè)范圍內(nèi)可以使焊接處的性能達(dá)到最佳效果。

在SAF2205雙相不銹鋼管中，要獲得最佳的焊接效果，需先焊接可能接觸腐蝕介質(zhì)的焊縫，焊接過(guò)程中要多層焊接，將熱輸入量盡量控制在一定范圍內(nèi)，焊接時(shí)必須進(jìn)行固溶處理。

7 保護(hù)措施

SAF2205雙相不銹鋼管的參數(shù)中耐腐性性能極佳，因此在實(shí)際使用中要充分利用雙相不銹鋼管的性能，就不能讓焊接處成為性能的“短板”，所以保持焊接環(huán)境的干凈十分重要，其他金屬、雜質(zhì)等物質(zhì)都會(huì)對(duì)不銹鋼管產(chǎn)生污染，進(jìn)而使性能發(fā)生變化，在焊接的過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)加裝保護(hù)罩來(lái)防止弧擊、滲碳等現(xiàn)象的發(fā)生。

在焊接不規(guī)則或者狹窄部位時(shí)首先進(jìn)行打磨，打磨需使用不銹鋼專(zhuān)用磨光片，因?yàn)檫@些部位空間小，金屬流動(dòng)性差，容易產(chǎn)生局部溫度過(guò)高、未熔合等問(wèn)題，而提前打磨可以很好地將焊道鋪開(kāi)，打磨的工具應(yīng)使用清理好的不銹鋼工具，避免沾染其他合金材料或者鋼材，否則會(huì)對(duì)焊接部位產(chǎn)生 污染。

8 操作要點(diǎn)

需要清理時(shí)，必須使用不銹鋼工具進(jìn)行清理，且在焊接的整個(gè)過(guò)程中，不銹鋼工具不得用于其他材料的清理，而且在每一次清理后都應(yīng)對(duì)工具進(jìn)行清理，保持工具干凈，且必須使用不銹鋼焊接專(zhuān)用地線夾。

在進(jìn)行多層焊接時(shí)，前一層的溫度降低到100 ℃以下才可以繼續(xù)進(jìn)行焊接，這一措施是為了加快焊縫的冷卻速度，避免出現(xiàn)δ相和475 ℃脆化，其實(shí)質(zhì)是減少焊縫的高溫時(shí)間，如果想盡快降溫，可使用白布沾上純凈水覆蓋在焊接管道的兩端，進(jìn)而提高焊接效率。

在固定位置進(jìn)行焊接時(shí)，要使用同等材料的卡塊，焊接完成后切除多余部分，這樣可以避免被焊接管道的損傷，焊接完成后還應(yīng)進(jìn)行打磨和清理。

9 難點(diǎn)分析

焊接的重點(diǎn)是焊接完畢后接口的材料化學(xué)組成必須與母材相同或者相近，這是保證成品能夠充分發(fā)揮SAF2205雙相不銹鋼材料力學(xué)性能和耐腐蝕的關(guān)鍵所在。

熱輸入要盡量保持在低幅度，其本質(zhì)是用較小的電量、較快焊接速度保持層間溫度控制在合理范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)脆化反應(yīng)。

焊接接頭要保持干凈整潔，避免具有腐蝕性的介質(zhì)聚集在接頭處，所以在接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要盡量采用對(duì)接接頭，盡量避免橫向運(yùn)輸，避免十字焊縫。

10 檢驗(yàn)要求

焊接完成的成品要滿足ASTM 932標(biāo)準(zhǔn)要求，抗拉伸能力要滿足SPEC 5LC標(biāo)準(zhǔn)要求，并且要具有良好的抗彎曲性。

11 結(jié)語(yǔ)

SAF2205雙相不銹鋼管具有鐵素體和奧氏體不銹鋼材料所制成的不銹鋼管的優(yōu)點(diǎn)，與鐵素體相比，不銹鋼管具有更強(qiáng)的韌性、耐晶間腐蝕性和焊接性能，導(dǎo)熱系數(shù)高。與奧氏體相比，不銹鋼管具有更高的強(qiáng)度和更強(qiáng)的耐晶間、耐氯化物腐蝕性，在實(shí)際使用時(shí)具有廣闊的應(yīng)用范圍和使用前景，被廣泛使用于輸油輸氣管線、石油化工設(shè)備、核電管道設(shè)備、造紙機(jī)械、海水與廢水處理設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域中，近年亦被用于橋梁承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。本文全面介紹了其中一種焊接工藝，介紹了雙相不銹鋼管的焊接方法，提出了操作中需要注意的要點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)實(shí)際操作具有重要的參考意義。

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TG457.11

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.053

2095－6835（2020）08－0122－02

朱濤（1989—），男，土家族，湖北巴東人，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向?yàn)楹附印?/p>

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕