双相不锈钢的焊接

双相不锈钢的焊接

郑王1杨瑞娟2

1山东金润德新材料科技有限公司山东淄博255399

2淄博莱钢钢结构有限公司山东淄博255088

摘要：双相不锈钢是由铁素体和奥氏体两相按一定比例构成的一种不锈钢，具有铁素体相和奥氏体相两相的微观组织。这种材料强度高，耐蚀性好，现已被广泛应用。

关键词：双相不锈钢；奥氏体；焊接工艺；焊缝型式；

双相不锈钢根据其合金成分和性能分为三种。经济节约型（低合金）双相不锈钢（2101、2304）；标准双相不锈钢（2205）；超级双相不锈钢（2507）。其中标准双相不锈钢材料现在已比较成熟，这种材料具有铁素体不锈钢的导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等优点，同时具有奥氏体不锈钢的塑性韧性、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好等优点。市场上2205双相不锈钢现已被广泛使用，焊接性好、焊缝可靠性高。

一、常见不锈钢焊接方法及工艺

不锈钢主要包括当离子焊接、氩弧焊接、手工电弧焊和埋弧焊技术等。

1.手工电弧焊。为了避免焊接接头在危险温度范围停留较长时间而出现贫铬区，避免接头温度过高而出现热裂纹缺陷，应使用小电流快速焊方式应用在手工焊接不锈钢当中，加强熔池保护，并防止基本金属过热，在具体焊接期间需要采用短弧焊接方式，不能形成横向摆动，最佳方式为窄焊道。如果要实施多层焊接方式，则每焊完一层需要对熔渣进行彻底清除，对焊接缺陷处进行全面检查，并采取有效处理措施。等到前道焊缝温度降低到140℃左右时，再进行下一道焊接工序。在焊接期间需要全面按照“先焊接非工作面，后焊接与腐蚀介质直接接触的工作面”的原则进行。

2.氩弧焊。对于厚度较小的不锈钢焊件而言，需要优先使用氩弧焊方式，该种焊接方式的优势表现在良好的焊接熔池保护作用，焊接质量高、电弧稳定性强、热量集中、无熔渣、焊接变形幅度小。在焊接之前需要使用夹具夹紧接头或者进行固焊处理，彻底清理接头25mm范围内的焊丝和工作面，还需要处理油污等杂质。在实际焊接期间，首先需要确保焊接质量，在此基础之上加快焊接速度，避免焊缝当中存在气孔，降低焊件变形幅度，避免焊接接头热量过高。

3.埋弧自动焊。对于较厚焊件的平直焊缝而言，需要优先使用埋弧自动焊接方式，该种焊接方式能够加强生产效率，在较大程度上提升焊接质量。然而，在焊接不锈钢时如果采用埋弧自动焊方式，则需要严格按照构件的工作环境和化学成分合理选择焊剂和焊丝。因为钢电阻系数较大、导热系数小，在焊接期间不能过成伸出焊丝，将其伸出长度控制在35mm左右，在确保焊透前提下，需要尽量使用小电流快速焊接方式。

二、双相不锈钢的焊接性及焊接特点

（1）双相不锈钢含碳量较低，具有较好的塑性、韧性和良好的耐腐蚀性；（2）硫含量较低，焊接时对于热裂纹敏感性比奥氏体不锈钢低得多，因为含Ni量少，不易产生低熔点共晶杂质，不易形成液态薄膜；不存在晶粒会急剧长得很粗大；（3）磷含量较低，焊接时对于冷裂纹的敏感性比低合金高强度钢小很多。双相不锈钢焊前不需要预热，焊后不需要热处理。但是如果多次焊接循环加热会导致焊缝区和影响区的奥氏体相和铁素体相的比例，因而会导致脆化和敏化性，此材料需要焊后热处理限制了这种材料的使用，但是选焊材匹配，焊接线能量控制低一些，焊接接头具有较好的综合性能；双相不锈钢焊接确保合理的两相比例，特别是焊缝热影响区的两相比例，对于焊缝区让奥氏体相占优势是很理想的；双相不锈钢里面的铁素体相占50%左右，不如铁素体不锈钢的脆性和导热系数高；因双相不锈钢含多种合金元素，焊接热过程会产生金属间相及碳氮氧化物，进而影响焊缝的力学性能和耐腐蚀性能，其中脆性相是最危险的。双相不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能的好坏取决于能否保证奥氏体相和铁素体相两相的适当比例，相比例的影响因素有四方面的影响：钢中的合金元素、填充金属（焊材）、焊接热循环、工艺参数等。近几年，有研究双相钢加了一些合金元素（如Mo、Si、N）来增加双相钢的耐腐蚀性，加入氮以后，焊缝热影响区会形成单相铁素体；热影响区脆化：双相钢焊接的主要问题不是焊缝，而是热影响区，因为焊接热循环，热影响区处于不平衡状态，冷却后会保留更多的铁素体，会加大腐蚀倾向和脆化的敏感性。

三、2205双相不锈钢的优势特点与不足

1.组织特点。在室温条件下，双相不锈钢固溶体当中的铁素体和奥氏体各占50%，因此，兼有两者的组织特性，不仅具备铁素体不锈钢导热系数优势，具有较小的线膨胀系数，在应力腐蚀和耐点蚀等方面也具有良好表现，还能够兼顾奥氏体不锈钢良好的韧性，具有较低的脆性转变温度，抗晶间腐蚀，具有良好的焊接性能和力学性能。

2.优势特点：①抗均匀腐蚀能力强；②抗疲劳腐蚀断裂、应力腐蚀开裂能力等；③抗点腐蚀能力和抗应力间隙腐蚀能力强；④冲击功吸收能力高；⑤强度较高；⑥热膨胀系数低；⑦抗侵蚀腐蚀和抗摩擦腐蚀能力强；⑧全寿命维护成本较低；⑨热膨胀系数低。

3.不足缺陷：①相比于奥氏体不锈钢而言，其具有较大的弯曲回弹率；②因为其具有较高的强度，因此，在塑性变形期间往往需要较大的外力，由于塑性较低，弯曲时需要设置较大的弯曲半径；③加工硬化率和硬度较高；④金属间化合物会对韧性和抗腐蚀性造成极大影响；⑤相比于奥氏体，其可焊性要求具有较多的控制措施。

四、双相不锈钢的焊接方法的选用

双相不锈钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、TIG焊、自动管焊、埋弧焊等焊接方法，焊接方法的选择应遵守以下原则：

1.焊接线能量不宜太高或太低。过小的线能量会使奥氏体相析出减少很多，甚至形成纯铁素体组织，工艺使用性能将大幅度降低。过大的线能量会导致焊缝金属晶粒粗大冲击韧性下降。

2.宜选用多层多道焊接方法。后层的焊道对前层焊道有热处理作用，焊缝金属中的铁素体进一步进行奥氏体转变。

五、焊接工艺

1.合金元素的影响。一般而言，为了避免合金元素的影响，需要提升氮和镍在焊接材料中的含量，将镍的含量控制在母材含量的3%，双相钢焊材的镍含量一般在9%左右。如果使用含氮填充材料，将会获得明显的效果。如果在实际焊接期间联合应用氮或者镍，将会明显加强奥氏体相稳定性。其中，加氮气能够避免金属间相过快析出，全面增强焊缝金属的耐蚀性和强度。

2.工艺措施的影响。焊接线能量会决定双相组织平衡性。在高温条件下，双相不锈钢是100%铁素体，如果现能量较小，热影响区冷却速度较快，造成奥氏体无法及时析出，就会在室温条件下导致铁素体过冷保存；如果现能量较大，冷却速度较慢，即使能够获取足够奥氏体，也会导致热影响区，铁素体晶粒长大，析出毒害金属相，使接头容易脆化。为了防止出现以上情况，需要全面控制层间温度和热输入值，并且应用填充金属。

3.热循环影响。双相不锈钢的焊接特点是热循环会影响焊接接头内组织，无论是热影响区，还是焊缝都会出现相变情况，影响焊接接头性能。通常都是使用多层多道焊接方式，这样就导致后续焊道影响前层焊道，焊缝金属当中的铁素体能够转化为奥氏体，这样就形成两相组织。为了全面确保接头和焊缝满足耐腐蚀性和力学要求，在焊接期间需要注重层间温度和热输入量，将层间温度控制在130℃，热输入量控制在2kJ/mm。

总之，目前公司已制定了合理的焊接工艺规程，控制合适的焊接线能量以获得符合要求的双相组织和力学性能，并将焊接工艺成功地运用到产品中，效果很好，产品质量稳定。工艺稳定，坚持按焊接工艺纪律执行，公司每年生产双相不锈钢产品数量不断提升，给公司带来了利润。

参考文献

[1]何宏宇.浅谈双相不锈钢的焊接.2018.

[2]潘国正.异种钢焊接性的研究现状和进展.2017.