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焊接工藝對S32205雙相不銹鋼相比例的影響分析
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詳細信息

雙相不銹鋼是鐵素體和奧氏體含量各占50%的不銹鋼(標準狀態下),在實際制造和焊接過程中,要求最高相含量相比值在60%以內,越接近標準值雙相不銹鋼的綜合性能越好。


雙相不銹鋼具有較好的抗點蝕、抗應力腐蝕、抗晶間腐蝕能力和較高的強度以及較低的線膨脹系數。主要應用于270℃以下腐蝕性較強的場所。


雙相不銹鋼的接頭性能優劣,主要在焊接熱影響區,這個區域受焊接熱循環影響較大,其金相組織的優劣,也就是此區域鐵素體和奧氏體兩相間的比例以及鐵素體晶粒大小將決定雙相不銹鋼性能的好壞。


前言

嘉興石化PTA裝置管道介質腐蝕性強,PTA裝置大量使用奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、哈氏合金以及鈦管道來輸送含腐蝕介質。


由于雙相不銹鋼具有較好的抗點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕和晶間腐蝕能力,且具有較高的屈服強度,因此本裝置大量采用雙相不銹鋼材料。


應INVISTA公司要求,現場參加雙相不銹鋼焊接的每名焊工施焊試件,檢驗-40℃低溫沖擊值、焊接接頭中鐵素體與奧氏體兩相比例值,以檢驗焊工對雙相不銹鋼材料特性的掌握能力。試件由廠家提供,試件規格為300mm×125mm×10mm。


1 化學成分分析

母材及焊材為漢碟機電科技(上海)有限公司 提供,其中,母材選用OUTOKUMPU公司生產的S32205;焊絲選用AVESTA, Select-Arc公司生產的ER2209。由于管道壁厚較薄,廠家只提供氬弧焊焊絲。


母材、焊絲化學成分見表1、表2。

2 化學成分的作用


Cr、Mo為鐵素體形成元素,促使鐵素體形成。在合金元素中占的比值大,因此雙相不銹鋼開始凝固時為100%鐵素體。


C、Ni、Mn、N、Cu為奧氏體形成元素。促使奧氏體從鐵素體中析出,保證在一定冷卻速度下從鐵素體中析出足夠數量的奧氏體組織。


3 物理性能分析
     

理想的雙相不銹鋼中,鐵素體和奧氏體兩相各占50%。在鐵素體固熔線溫度以上金屬全部為鐵素體組織,低于固熔線溫度后開始逐漸析出奧氏體,在材料制造和焊接過程中,實際雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體相的比例受合金成分、冷卻速度等因素影響造成兩相不是均衡的。但較少相占的比例最低≥40%,才能達到性能要求,兩相比值越接近50%,材料的綜合性能越好。


 雙相不銹鋼綜合了奧氏體不銹鋼所具有的良好的耐蝕性、優良的塑韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的高強度和耐氯化物應力腐蝕能力,使之兼具奧氏體和鐵素體的優點。其綜合力學性能好,不僅有較高的屈服強度,還有良好的塑韌性。
 雙相不銹鋼對晶間腐蝕不敏感,但有較好的抗點蝕能力和優良的耐應力腐蝕能力。在惡劣條件下其抗點蝕、縫隙腐蝕和腐蝕疲勞性能以及磨損腐蝕性能都優于普通奧氏體不銹鋼。
4 雙相不銹鋼組織平衡
 

在雙相不銹鋼中,鐵素體形成元素含量要比奧氏體形成元素高的多,因此在凝固初期形成100%鐵素體組織。奧氏體只能在鐵素體固熔線以下溫度才開始形核和生長。


在平衡條件下將發生合金元素偏聚,鐵素體生成元素如Cr、Mo等通過擴散集中到鐵素體相中,而奧氏體生成元素如C、Ni、Mn、N、Cu等擴散集中到奧氏體相中。


隨著溫度的降低,奧氏體和鐵素體的平衡成分沿奧氏體固熔線和鐵素體固熔線變化,同時擴散速度下降,溫度繼續下降,最終鐵素體和奧氏體生成元素不再擴散而穩定下來生成雙相組織。


因此這段溫度區間存在的時間長短將決定雙相鋼中鐵素體和奧氏體兩相組織的比例。
5 焊接冶金
 

所有的雙相不銹鋼都首先凝固生成鐵素體,鐵素體在一定溫度范圍內是穩定的,只有在低于鐵素體固熔線以下溫度才開始發生組織轉變析出奧氏體組織。


鐵素體和奧氏體的相變特性取決于化學成分和冷卻速度,最終決定鐵素體—奧氏體的平衡組分和奧氏體分布。雙相不銹鋼焊縫金屬是含有鐵素體和奧氏體的混合組織。


在焊縫金屬開始凝固時至凝固終了都是鐵素體組織,因此在高溫固態下鐵素體是穩定的,只有在溫度低于鐵素體固熔線以下才開始沿鐵素體晶界發生奧氏體組織的形核和生長,最終奧氏體組織覆蓋鐵素體晶界。雙相鋼的相變序列為:
L→L+F→F→F+A。
6 氮的作用
      

氮在雙相不銹鋼組織轉變中起著重要的作用,是強奧氏體形成元素和奧氏體穩定元素,其作用要比鎳強烈。
氮是奧氏體形成元素,加入氮可以提高鋼的強度,改善耐點蝕能力。在雙相不銹鋼中,如果冷卻速度過快,導致鐵素體含量過高,氮超過鐵素體的固溶極限,氮來不及向奧氏體中偏聚,會發生強烈的氮化物析出反應,最終導致降低鋼的延性、耐蝕性和韌度。


因此,氮的含量不能過高,同時焊接時應控制熱輸入和冷卻速度,以利于氮的擴散并防止過量的氮形成氮化鉻,造成貧鉻現象,降低材料的抗晶間腐蝕能力。
7 相比例對力學性能的影響
      

相比例對雙相不銹鋼的力學性能有較大影響,影響雙相不銹鋼相比例的因素有兩個:一是化學成分的影響,這個影響因素是給定的,不能改變;二是鐵素體固熔線以下奧氏體轉變開始至結束這段時間,能否析出足夠的奧氏體相。


這段時間短,鋼中鐵素體含量高,材料的塑韌性降低,抗腐蝕能力低、沖擊值下降,焊接時冷裂紋傾向增大;這段時間過長,形成的奧氏體相過多,材料的強度降低,焊接時熱裂紋傾向增大。
8 雙相不銹鋼焊接性分析
      

雙相不銹鋼的焊接過程,實際就是通過焊接工藝參數和焊接操作方法對雙相不銹鋼的金屬組織進行“調整”的過程。雙相不銹鋼相變圖見圖1。
雙相不銹鋼焊接時,焊接熱循環的特性決定焊縫及熱影響區經受快速的加熱和冷卻過程,在多層多道焊時焊縫及熱影響區要反復經受加熱和冷卻過程,在手工焊時,這種加熱和冷卻過程是不穩定和不均勻的。


因此,焊縫及熱影響區中鐵素體和奧氏體兩相平衡被打破,如果冷卻速度過快會造成焊縫及熱影響區奧氏體相缺失;如果冷卻速度過慢會造成鐵素體相缺失,這兩種情況下都會嚴重影響雙相鋼焊接接頭的強度、韌度和耐腐蝕性能,因此焊接工藝的選擇至關重要。
 另外,在多層多道焊時,會出現二次奧氏體相析出。二次奧氏體相的析出能顯著改善原來高冷卻速度下的焊縫中高鐵素體含量,提高焊縫金屬的韌度,因此多層多道焊是雙相不銹鋼焊接的首選工藝。
 由于熱影響區所處位置的特殊性,如果焊接過程中焊接方法和焊接熱輸入不當,會造成該區域冷卻速度過快,有可能使該區域全部鐵素體化,為此,必須慎重選擇坡口角度和焊接熱輸入。控制預熱溫度、層間溫度和焊接熱輸入可以有效控制化學成分一定的母材的熱影響區組織。



在焊接過程中應特別注意的是,如果選擇過高的熱輸入和過慢的冷卻速度,會使鐵素體固熔線以上溫度停留時間過長,導致鐵素體晶粒長大,并且在這個溫度區間,這時金屬為全部鐵素體組織,沒有阻礙晶粒長大的相組分,晶粒明顯長大,鐵素體晶粒的尺寸直接影響鐵素體的韌度和延性。


在焊接過程中,雙相不銹鋼有產生焊縫凝固裂紋和氫致裂紋的傾向。這是因為在鐵素體凝固過程中,如果焊縫處在高拘束狀態下,連續的晶間液態薄膜的存在會引起凝固裂紋的產生;


如果焊接過程中有導致焊縫增氫嚴重的因素,會產生氫致裂紋。因此,在組對和焊接過程中,要避免強力組對和采用低氫焊接方法。


 焊接接頭韌度越高,其沖擊吸收功值越高。焊縫金屬的韌度主要受鐵素體含量和含氧量的影響較大。


如果雙相不銹鋼焊縫金屬中鐵素體含量高,導致其焊縫和熱影響區的性能可能與鐵素體不銹鋼相似。焊縫金屬中鐵素體含量與填充金屬化學成分和焊接方法有關。


選用鎳、氮含量高的填充金屬可以提高奧氏體相析出量,減少焊縫金屬中鐵素體含量進而提高焊縫的韌度。另外,降低焊縫含氧量,也可以提高焊縫金屬的韌度,GTAW是一種低氧的焊接方法,非常適合雙相不銹鋼的焊接要求。
9 焊接工藝參數選擇
      

焊接工藝參數見表3。采用手工鎢極氬弧焊方法焊接,多層多道焊工藝。
      

9.1 焊前準備:焊前準備工作對焊接質量起到很大的保障作用,必須高度重視。焊前應檢查焊槍、氣路不能有破損和漏氣的地方。


地線與管子應接觸良好、牢固,防止地線松動在母材上打火損毀母材。焊前要試焊,檢查并確認氬氣純度。周到的防風措施能有效防止焊縫氣孔。焊前應仔細檢查坡口內外表面無表面缺陷和坡口角度是否合適。焊接坡口見圖2。


 


9.2 打底焊接:采用保護拖罩對焊縫背面進行氬氣保護,打底焊接應使坡口根部熔透,防止產生未熔合、咬邊等焊接缺陷。


9.3 填充焊接:根據坡口深度,將填充層分為兩層,每層兩道進行焊接,焊接時焊槍應對準坡口一側,使上道焊趾部位處在這次焊道中心部位,保證母材坡口處的熱輸入和冷卻速度適中,進而保證熔合區奧氏體含量。


9.4 蓋面焊接:蓋面焊接分三道進行,先焊接靠近坡口兩側的焊道,最后焊接中間位置的焊道,給兩側焊道做一次回火處理,使這兩道焊道形成二次奧氏體析出相,保證焊縫金屬中奧氏體相比例。
焊接過程中,盡量采用焊槍不擺動焊接,即使焊槍擺動,擺動幅度不能過大。焊接速度控制在8~12cm/min為宜。蓋面焊接時,焊道應超出坡口邊緣2mm,將熱影響區部分進行一次加溫,使之進行二次奧氏體化析出反應,改善熱影響區的性能。
9.5焊接注意事項
      

9.5.1焊縫和HAZ冷卻時間不能太短,應根據材料的厚度、環境溫度選擇合適的冷卻速度。
      

9.5.2補焊和不填充金屬焊接會造成焊接區域鐵素體化,嚴重影響材料的性能,因此必須杜絕。
      

9.5.3采用低氫、低氧的焊接方法進行焊接,防止產生凝固裂紋和冷裂紋。
      

9.5.4坡口兩側徹底清除油、銹、化纖等含氫的物質。
      

9.5.5禁止在母材或已焊完的焊縫上起弧、熄弧。這樣會造成此區域鐵素體含量超過80%,導致構件過早失效。



10 試驗結果


試件完成后經X射線檢測合格,由業主送往指定的檢測單位進行-40℃低溫沖擊試驗、硬度、鐵素體含量和晶間腐蝕檢測。經檢測,參加考試的5名焊工,各項指標全部合格。檢測結果見表4。



11 結論


檢測結果證明,雙相不銹鋼鎢極氬弧焊,只要選擇合適的填充金屬、合理的焊接工藝參數和工藝措施,完全可以得到與母材金相組織接近的焊縫金屬,滿足各項性能要求

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