铁素体_奥氏体型双相不锈钢的焊接性

1、化工装备技术第18卷第3期1997年39铁素体奥氏体型双相不锈钢的焊接性上海石化机械制造公司方伟秉论述了双相不锈钢的焊接特点, 奥氏体相占优势的含氮高镍双相钢焊缝具有良好的综合性能, 采用小规模多层多道焊工艺, 是提高焊接接头性能的有效途径。关键词双相不锈钢焊接性强度以及耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起,1前言近十多年来, 国内外开发了一系列新型铁素体奥氏体双相不锈钢, 其一出现就以良好的高温力学性能和优异的抗应力腐蚀开裂性能(特别是在氯离子介质中 受到重视, 并首先在与海水有关的行业以及化工、石化、炼油、化肥等部门得到应用。但是, 最初的双相钢由于在焊接性方面受到限制, 难以实际推广应用。近年

2、来, 瑞典首先开发出双相钢中加氮不锈钢, 其代表性的钢种有SAF 2205, 它改进了焊缝热影响区的耐蚀性, 使焊接性得到改善, 因而使双相不锈钢迅速得到推广应用。但是, 双相不锈钢毕竟有它自己的焊接特点, 必须有合适的焊接工艺, 才能保证得到满意的优质焊接接头。2双相不锈钢简介双相不锈钢是将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性及焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高表1通过正确控制化学成分及热处理工艺达到兼备这两种钢的特点, 其耐氯化物应力腐蚀性能远远超过18-8型奥氏体不锈钢, 并具有良好的耐孔蚀、缝隙腐蚀性能。其强度为普通奥氏体不锈钢的两倍, 而镍含量仅是其一半。80年代以来已形成了不锈钢中一个独立的

3、钢类, 钢厂提供的双相不锈钢材料两相各约占50%。双相不锈钢是随着70年代冶炼技术的发展而迅速得到应用的, 不仅获得了超低碳不锈钢, 同时还精确控制了氮元素的含量。氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢起着重要作用, 但在焊接热影响区快速热循环冷却时, 促进了高温下形成的铁素体逆转变为足够的奥氏体以维持必要的相平衡, 可提高富氮奥氏体相的耐腐蚀性, 减轻铬、镍等元素在两相中分布的差异, 降低选择腐蚀的倾向性。表1为主要几个国家生产的双相不锈钢系列, 图1为各钢种之间发展关系。主要双相不锈钢系列 40铁素体奥氏体型双相不锈钢的焊接性图1各钢种间的发展关系3双相不锈钢耐应力腐蚀原因双相不锈钢耐应力腐蚀性

4、能是与其主要相组成铁素体与奥氏体的平衡比例、分布状态以及晶粒大小密切相关。在相比例相同条件下, 细晶粒组织以及无方向性的第二相弥散分布也是提高耐应力腐蚀性能的重要条件。根据目前国内外研究结果, 双相不锈钢耐应力腐蚀性能好的原因可归纳为以下四点:(1 双相不锈钢的屈服强度远较18-8型奥氏体不锈钢为高, 从而双相不锈钢的相应的应力腐蚀临界应力值也较奥氏体不锈钢为高, 在相同应力水平作用下不易产生应力腐蚀。(2 在中性氯化物的水介质中, 18-8型奥氏体不锈钢的应力腐蚀多数以孔蚀为起源, 而双相不锈钢一般含有较高的铬、钼等元素, 从而耐孔蚀性能较好, 孔蚀诱导期长, 一旦产生孔蚀, 应力腐蚀的裂纹

5、往往出现在点坑的底部, 由于这些应力腐蚀小裂纹分散于若干个点坑底部, 分散较大, 避免应力集中于少数裂纹, 也就减缓了应力腐蚀的发展速度, 改善了双相不锈钢的耐应力腐蚀性能。(3 双相不锈钢中的第二相对应力腐蚀裂纹的扩展起着一定程度的机械阻挡作用, 当应力腐蚀裂纹形成后, 第二相可以阻碍裂纹向前延伸或迫使裂纹改变方向, 从而延长了应力腐蚀裂纹的扩展期, 造成双相不锈钢的应力腐蚀裂纹形貌有别于奥氏体不锈钢。双相不锈钢的应力腐蚀裂纹往往是分支多, 扩展无一定方向, 走向弯曲, 发展速度缓慢。图2即示出应力腐蚀裂纹尖端处奥氏体相的机械阻挡作用。 (图3图2一定的防蚀效果, 在应力腐蚀裂纹扩展过程中伴

6、随着铁素体相的阳极溶解, 奥氏体相从而得到阴极保护, 致使奥氏体相在一定程度上也抑制了裂纹扩展, 由图3可见铁素体相优先溶解的痕迹。4双相不锈钢的焊接性双相不锈钢的热影响区1280的过热区及焊缝, 在焊接时, 奥氏体能溶解于铁素体相中, 冷却下来时则相反, 发生铁素体向奥氏体相转变, 焊接热循环冷却时间很短, 造成奥氏体相转变不完全, 易造成过量铁素体和粗晶, 造成相比例不平衡。前已所述, 双相不锈钢耐应化工装备技术第18卷第3期1997年不锈钢焊接基本上与焊缝金属中的铁素体含量有关。铁素体固然能提高焊接接头的抗应力腐蚀能力, 但过量铁素体则会导致焊缝金属脆化。所以, 焊接时不加填充丝, 或加

7、填充丝但母材过分稀释, 就容易造成铁素体相过多。为了降低焊缝金属中的铁素体含量, 考虑到钢的耐蚀性, 靠降铬、钼含量来提高奥氏体数量是不可取的, 一般采用加氮、增镍两条途径来提高奥氏体相的数量。图4所示为焊缝金属中铁素体含量与Nieq (Ni 当量 的关系曲线。5双相不锈钢焊接实例41冲击韧性下降, 同时氮化物沉淀, 影响抗应力腐蚀性能; 速度太慢, 高温停留时间太长, 会促使 脆性相析出, 同样使冲击韧性下降, 恶化抗应力腐蚀性能。所以必须选择合理的冷却速度。实例1上海石化机械制造公司为上海焦化总厂“三联供”工程制造了两台中压闪蒸罐顶冷凝器, 其中管箱部分材质用美国U NSS31803与法国

8、UR 45N , 锻件使用德国1. 4462, 都与瑞典在制作前, 作了如下一些试验:SAF 2205相当。(1 抗裂性试验采用常规的小铁研式试件进行抗裂试验。根据母材的特性和有关资料的介绍, 选用比焊接奥氏体不锈钢更小的焊接规范及选用含镍量较母材高的焊接材料, 使焊缝金属的奥氏体含量达到与母材相当或大于铁素体含量来提高焊缝金属的韧、塑性, 使焊接热影响区更为减少Nieq=(%Ni +(%C +0. 5(%M n +(%N并限止焊缝中铁素体晶粒的长大。1 焊接规范(如表2所示 表2焊条直径(mm 3. 25电流(A 100电压(V 24焊速(mm /m in 150冷却条件热处理自然空冷无图4

9、焊缝金属中的铁素体含量与Nieq 的关系曲线铁素体含量亦与焊接工艺有关, 实践表明, 与焊接热输入、层间温度和板厚密切相关的冷却速度对能否获得优质的焊缝金属和热影响区是非常重要的。图5示出热输入大小对过热区2 抗裂试板的化学成分(重量% 和力学性能(如表3所示 表3板材CM nSiSPNiCrs b 5HB(N/mm 2 (N/mm 2 (%板材M oN图5185钢HAZ 粗晶区晶粒粗化与焊接单位能的关系A 粗晶粒尺寸B 粗晶区宽度3 焊材熔敷金属化学成分(重量% 和力学性能(如表4所示宽度、晶粒度的影响。因此必须严格控制焊接,42表4铁素体奥氏体型双相不锈钢的焊接性发现表面缺陷。随后将试件机

10、械加工成10片, 观察其断面情况, 经过宏观及微观检查均未发现裂纹, 且其焊缝及其热影响区铁素体比例在50%左右, 与母材相当。由此可见, 采用小规范快速焊接双相不锈钢是可行的。(2 工艺试验1 试验用材为进口双相不锈钢及相应焊材, 其化学成分(重量% 和力学性能如下:a . 焊接材料(熔敷金属 (如表5所示Ni 9. 8Cu 0. 10N 0. 145 s (N/mm 2660 b (N/mm 2823 5(% 25焊材C S i M n P S Cr Ni AVES TA2205-PW 0. 0260. 800. 650. 0190. 01922. 99. 9焊材M o Cu N s (N

11、/mm 2 b (N/mm 2 5(% AVES TA2205-PW 2. 980. 060. 150 3. 25660835254 试验结果试件放置24小时后进行表面渗透探伤, 未表52205-PW 3. 25C 0. 025M n 0. 63Si 0. 77SPC r 22. 6M o 3. 010. 0140. 021表6牌号UR 45N (厚13mm UR 45N (厚23mm s(N/mm 20. 0151. 340. 3570. 0010. 0195. 6222. 693. 310. 1765529CM nSiSPNiCrM oN0. 0141. 340. 3580. 0010.

12、0195. 6222. 793. 320. 1765518528b 铁素体5HB 2(N/mm (% ( 7844624050%768743454023622855%42%U NSS 31803(厚24mm 0. 0221. 310. 440. 00050. 0195. 3021. 902. 740. 16b. 板材(如表6所示2 根据双向不锈钢固有特点应尽量减少热输入, 采用规范要比焊接奥氏体不锈钢要小, 并且采用多层多道焊, 控制层间温度。a. 焊接规范(如表7所示 表8序号1#2#3#材质U R 45N U R45N UNSS 31803厚度mm 102324RT热处理b(N/mm 2

13、810, 795830, 900755, 780冷弯90, 3S 合格裂合格表7电流(A 电压(V 焊速(m m /min 2205-PW ( 3. 25 10024140-1502205-PW ( 415024150-170焊材b. 试验结果(如表8所示冲击A kv (J 焊缝36, 464030, 242650, 5154HAZ 104, 96220136, 1722882, 108110焊缝4040-4530-35铁素体含量(%HAZ 504535-40母材505545-55抗晶腐性好-好100%4105h I 级100%4105h 级100%4105h I 级注:RT按GB 3323-

14、87标准根据试验结果, =13m mUR 45N 及 =24m mU NSS31803两试件的各种数据均较好, 但 =23mm UR45N 试样冷弯开裂, 且冲击韧性较差, 焊缝铁素体含量达45%, 在焊缝中虽未发现有明显的夹杂物和 相, 但由于铁素体含量较高, 且其晶粒也较粗大, 故其韧性、塑性,运条时因板厚而有一定量的横向摆动, 增加了其线能量的输入, 且层间温度亦较高所致, 故在焊接双相不锈钢时的焊缝线能量应取得越小越好。焊条不应作横向摆动, 且控制层间温度小于100。数据表明, 焊缝冲击韧性与其铁素体含量有关, 因此我们认为将焊缝铁素体含量控制化工装备技术第18卷第3期1997年43A

15、 型支承式支座有关下料尺寸的计算常州化工机械厂李业勤姜堰市二中姜立东试提出了国家行业标准JB /T 4724-92支承式支座中A 型支承式支座筋板、垫板等有关下料尺寸的计算方法, 生产实践表明该方法使用方便, 可满足工程要求。关键词支承式支座封头器。同时, 规定了A 、B 两种型式。A 型为钢板1引言我国行业标准1规定了支承式支座的结构型式、系列参数尺寸、允许载荷、制造要求及选用方法。适用范围为公称直径DN800DN 4000, 圆筒长度L 与公称直径之比L /DN 5, 容器总高度H o 10m 的钢制立式圆筒形容同样是较厚的板, 但焊该试件时是在1和2试件基础上进行的, 各种规范参数均较严

16、格控制, 所以其各项性能均取得较为满意的结果。生产过程中严格控制焊接线能量和层间温度并采用多层多道焊, 焊工经过训练和考试, 顺利完成产品制造, 此设备安全运行至今已两年多。实例2上海石化机械制造公司为上海石化股份有限公司炼化部制造了丙稀冷媒冷凝器中段, 其表9 #焊制, 带垫板, 且分14号和56号两种结构型式, 其中14号如图1所示。鉴于A 型支座的筋板、垫板等有关下料尺寸需经计算求得, 同时考虑到14号型式较常使用, 且不失一般性, 本文提出该类支承式支座有关零件下料尺寸的计算方法, 以供设计、制造人员参考。管板为爆炸复合板, 复合材料、换热管及焊材见表9。制造中, 根据实例1中经验, 采用小规范, 取得了令人满意的效果, 产品使用已