奥氏体不锈钢和双相不锈钢焊接的差异

奥氏体不锈钢和双相不锈钢焊接的差异

刘磊磊

江苏核电有限公司  江苏省连云港市  222000

摘要：本文对奥氏体不锈钢和双相不锈钢的成分，组织，性能作了简要的介绍。通过SA-240 316L和SA-240 S31803各自焊接的试验，来比较它们接头性能的差异，同时介绍了奥氏体不锈钢和双相不锈钢各自焊接的缺陷和预防。

关键词：奥氏体不锈钢；双相不锈钢；焊接差异性；焊接的缺陷和预防

1概述

奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织，如图1所示。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性［1］。因此广泛使用于工业和家具装饰行业和食品医疗行业。

而双相不锈钢(Duplex Stainless Steel，DSS)的固溶组织中奥氏体相和铁素体相各占一半，兼有两相组织特征。在含C较低的情况下，Cr含量在18%-28%，Ni含量在3%-10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点［2］。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间副食和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。

2奥氏体不锈钢和双相不锈钢熔各自焊材选用和焊缝性能对比

我们以双相不锈钢SA-240 S31803和奥氏体不锈钢SA-240 316L为例进行讨论。

2.1双相不锈钢SA-240 S31803和奥氏体不锈钢SA-240 316L焊接实验

将两种母材试样加工成尺寸400mm×150mm×10 mm，实验采用手工钨极氩弧焊(GTAW)，直流正接。接头形式为对接接头，为了保证焊透，开V 型坡口。焊接前先用丙酮、酒精对焊接区进行严格清洗。焊接时，不预热、不摆动、快速焊接。焊接过程中采用多层多道焊。每焊完一层焊缝都应彻底清理打磨干净，再焊接下一层焊缝。严格控制层间温度(小于等于150 ℃)，以减少焊缝在脆性区间内的停留时间，降低焊缝中脆性相析出的可能性，采用双面保护，保护气体为Ar≥99.999%，气体流量范围控制在15~20L/Min［3］。

2.1.1 焊材选用

奥氏体不锈钢SA-240 316L焊接时选用的焊材牌号为ER316L，双相不锈钢SA-240 S3180选用的焊材牌号为ER2209。

2.1.2 工艺参数选取

奥氏体不锈钢SA-240 316L焊接时，焊材牌号为ER316L，规格为Φ2.4，电流范围为120~145A，焊速范围为：6~9cm/min；双相不锈钢SA-240 S31803焊接时，焊材牌号为ER2209，规格为Φ2.4，电流范围为140~150A，焊速范围为：14~18cm/min。

综上，焊接双相不锈钢SA-240 S31803的电流和焊接速度都高于奥氏体不锈钢SA-240 316L。

2.2力学性能和微观结构分析

2.2.1力学性能

2.2.1.1接头拉伸强度

SA-240 316L接头的抗拉强度平均值为597 MPa， 而SA-240 S31803接头的抗拉强度平均值为839 MPa，断裂均发生在焊缝处材侧，因此，从接头强度角度来看，双相不锈钢的焊接接头强度远大于奥氏体不锈钢，究其原因，因为双相不锈钢铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量最少也要达到30%。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%，大大提高了双相不锈钢的抗拉强度［4］。

2.2.2硬度

双相不锈钢接头的硬度远大于奥氏体不锈钢接头的硬度，而双相不锈钢热影响区和焊缝中心的硬度也大于其母材的硬度，这是因为接头组织中的奥氏体在焊接过程中转变成为铁素体，在冷却结晶过程中重新在奥氏体边界或内部析出，且这一转变速度非常快，因此接头HAZ 中铁素体的含量一般都比较高。而铁素体的硬度大于奥氏体，因此热影响区的硬度较高。

2.2.3微观结构分析

2.2.3.1金相组织观察

奥氏体不锈钢SA-240 316L和双相不锈钢SA-240 S31803各自接头的金相试验采用取焊缝截面试样，打磨抛光后，用王水溶液侵蚀，经放大500倍后观察和经放大10倍后观察。SA-240 S31803焊缝区组织为奥氏体＋铁素体，其中的奥氏体相呈树枝状，奥氏体在铁素体相的晶界或晶内形成，形成很多碎枝晶分布在铁素体基体上。双相不锈钢的焊缝区与原始母材相比，组织中奥氏体相的体积分数明显增加，这是由于所加填充材料中的 w(Ni) 高于双相不锈钢母材的 w(Ni)，使焊缝区的奥氏体 含量明显增加，从而在焊接熔化和快速冷却过程中形成了有别于母材本身形态的组织。

2.2.4熔敷金属化学成分分析

    双相不锈钢SA-240 S31803的Cr、N含量高于奥氏体不锈钢，因为较高的氮含量可以提高焊缝冷却时在HAZ中奥氏体的形成量。使用高镍含量的焊料，可以保证焊接结构与母材性质的匹配。

3奥氏体不锈钢和双相不锈钢熔各自焊接缺陷的类型和预防

3.1 奥氏体不锈钢焊接缺陷的类型和防止措施

奥氏体不锈钢具有良好的可焊性，但焊接材料或焊接工艺不正确时，会出现晶间腐蚀，应力腐蚀开裂，热裂纹以及焊缝成形不良等。

3.1.1防止措施

3.1.1.1 控制含碳量采用低碳或超低碳（W(C)≤0.03%）不锈钢焊接焊材。如A002等。

3.1.1.2 添加稳定剂  在钢材和焊接材料中加入Ti、Nｂ等与Ｃ亲和力比Cr强的元素，能够与Ｃ结合成稳定碳化物，从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。常用的不锈钢材和焊接材料都含有Ti、Nb，如１Cr18Ni9Ti、１Cr18Ni12MO2Ti钢材、E347-15焊条、H0Cr19Ni9Ti焊丝等［5］。

3.1.1.3 采用双向组织  由焊丝或焊条向焊缝中熔入一定量的铁素体形成元素,如 Cr、Si、AL、 MO等，以使焊缝形成为奥氏体+铁素体的双相组织，因为Cr在铁素体内扩散速度比在奥氏体中快，因此Cr在铁素体内较快的向晶界扩散，减轻了奥氏体晶界的贫铬现象。一般控制焊缝金属中铁素体含量为5%～10%，如铁素体过多，会使焊缝变脆。

3.2 双相不锈钢焊接缺陷的类型和防止措施

双相不锈钢焊接材料或焊接工艺不正确时，会出现δ相脆化，焊接接头的氢脆和氢致裂纹，应力腐蚀开裂，点蚀等。

3.2.1 双相不锈钢的焊接缺陷的防止措施

3.2.1.1焊前准备  采用机加工制备试板坡口，用不锈钢专用砂轮片打磨坡口及坡口两侧各30mm范围，并用丙酮清洗，以除去氧化膜、油污。

3.2.1.2 焊材的选择  对于焊条电弧焊，根据耐腐蚀性，接头韧性的要求即焊接位置，可选用酸性或碱性焊条。采用酸性焊条时，脱渣优良，焊缝光滑，接头成形美观，但是焊缝金属的冲击韧性较低，于此同时，为了防止焊接气孔及焊接氢致裂纹需严格控制焊条中的含氢量［6］。当要求焊缝金属具有较高的冲击韧度，并需进行全位置焊接时，应采用碱性焊条。另外，在根部封底焊时，通常采用碱性焊条，当对焊缝金属的耐腐蚀性能有特殊要求时，还应采用超级双相钢成分的碱性焊条。焊接材料要选用比母材含镍量高的双相钢焊材, 确保焊缝中奥氏体相占优势,焊缝铁素体含量控制在30%～45%为宜。

4结论

通过上述讨论和分析，双相不锈钢抗拉强度比传统的奥氏体不锈钢抗拉强度大，而且双相不锈钢在晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀方面优于奥氏体不锈钢，通过正确控制各合金元素比例和热处理工艺使其固溶组织中铁素体相和奥氏体相各约占50％，从而将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。

但是我们也应根据相应的用途，结合经济性来选用奥氏体不锈钢和双相不锈钢，在两种不锈钢的焊接过程中也应该结合各自焊接的特点来采取预防缺陷产生的措施，从而更好的在实际情况中运用。

参考文献

[1]  李亚江．特殊及难焊材料的焊接[M]．北京：化学工业出版社，2003.

[2]  《焊接手册》第2卷 材料的焊接(第3版2008).

[3]  李为卫，刘亚旭，赵新伟，等．线能量对 2205 双相不锈钢焊接接头耐蚀性和韧性的影响[J]．热加工工艺，2005(5)：23－24.

[4]  韩志诚，王少刚，胡经洪，等．焊接工艺对 2205 双相不锈钢接头组织与性能的影响[J]．材料工程，2008(8)：48－52.

[5] 英若采主编《熔焊原理及金属材料焊接》北京：机械工业出版社，2000.

[6] 陆世英等《耐应力腐蚀不锈钢》原子能出版社1985年9月.

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