双相不锈钢焊接

1、关于双相不锈钢的焊接第1页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 30年代：法国最先研制出双相不锈钢，呈铁素体和奥氏体双相组织状态，具有独特的耐腐蚀性和较好的力学性能。但双相不锈钢的相组成比例难以控制及焊接困难，工业应用受到限制。 40年代：美国开发出第一代双相不锈钢329钢，耐腐蚀性能好，但含碳量较高（0.1%），含钼和铬都较高，焊接性不好； 50年代：苏联开发含稳定元素钛的双相不锈钢，德、法、英、日等国也相继开发出双相不锈钢； 60年代：瑞典开发出最具代表性的第一代双相不锈钢超低碳（0.03%）双相不锈钢，3RE60钢，使焊接接头塑性、韧性和耐腐蚀性显著改善。 2.1 双相不

2、锈钢的发展概况第2页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 70年代：开发出第二代双相不锈钢，即在超低碳的基础上含氮双相不锈钢，并含有钼、铜、硅等耐蚀性元素。包括18Cr型、22Cr型及25Cr型，如瑞典开发的SAF2205等。 80年代：研发的超级双相不锈钢（SuperDSS）为第三代双相不锈钢，含碳量低（c0.010.02%）、高钼（Mo4%）、高氮（N0.3%），钢中铁素体含量4045%，耐点蚀系数大于40。成功解决了Cr-Ni奥氏不锈钢容易出现的孔蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等问题。第3页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四双相不锈钢的发展历程可概括为“产量低、

3、增速快”。2002年全球双相不锈钢年产量约占不锈钢总产量的1%，但到了2009年这一比例上升到了15%，这种高增长的原因在于：一是质量具备可靠性；二是成本具备经济性。目前双相不锈钢被广泛应用于工业设备制造和工程项目建设。如：炼油行业中的催化裂化装置、加氢处理装置、油气输送管线；化工行业中的氯乙烯生产装置；运输行业中的海上化学品船；造纸行业中的漂白设备、建筑行业中的结构件；核电行业等。第4页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四双相不锈钢的主要应用领域(1)中性氯化物环境 双相不锈钢在中性氯化物环境中应用广泛，在加工制造过程中，通常使用少量的含有氯离子的溶液作为冷却水，从而导致普通

4、的奥氏体不锈钢(例如 AISI 304/316)有产生应力腐蚀的倾向，而双相不锈钢可以很好的解决这一问题，尤其适用于由孔蚀引起的应力腐蚀开裂的环境。衡量耐腐蚀性的好坏通常用孔蚀当量指数 PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%表示，其中双相不锈钢 PRE 值大于 24，而奥氏体 PRE 小于 20。(2)石油和天然气工业 20 世纪 80 年代以来，双相不锈钢在酸性气和油的生产中用量逐渐增多，主要用作生产管衬里、热交换器以及岸上和近海的管道系统等。尤其在石油和天然气的生产中，双相不锈钢多数面临的主要是酸性环境，即含有大量 Cl, CO2和一些 H2S 的环境。在含 Cl的湿 CO恶性环境中，双相

5、不锈钢是一种理想材料的首选，可耐高流速的磨损腐蚀，比加缓蚀剂的碳素钢及不锈钢更能抵抗高流速的磨损腐蚀，并用于井上管道系统，可以减少大量的材料重量。第5页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四(3)海水环境 海水是自然环境中腐蚀性最强的一种介质，尤其在金属表面粘附着微生物薄膜时将产生腐蚀电位增加，同时也增加了孔蚀和缝隙腐蚀的倾向。就热海水而言，目前大多使用超级双相不锈钢，例如，用 SAF2507 超级双相不锈钢制造的海水交换器，使用 3 年未发现腐蚀，而钛管由于不耐 F腐蚀，只能用 3 个月。(4)纸浆和造纸工业 双相不锈钢在纸浆和造纸工业中的发展应用中已经有 40 多年的历史了，

6、3RE60双向不锈钢最早就是在这一领域起步应用的。除 3RE60 钢外，其它双相不锈钢如UR45N (SAF2205)、UR47N (00Cr25Ni6.5Mo3N)、UR52N+(00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN )等都应用在各工业领域。由于双相不锈钢具有优秀的力学性能，以及耐磨损腐蚀、耐应力腐蚀以及耐疲劳腐蚀性能好等特长，所以在制造纸浆和工业用的造纸木屑预蒸器、造纸压力滚筒、连续式和间歇式纸浆蒸煮器和回收设备中都取得了良好的应用效果。第6页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四(5)化肥工业 尿素工业也是最早使用双相不锈钢的部门之一，其装置中含氯离子水的热交换设备使用得

7、较多，例如尿素装置中 CO2压缩机三段冷却器原先使用 304L 奥氏体不锈钢管束，l 个月后即因应力腐蚀破裂而导致泄漏，而双相不锈钢可用 5 年以上，随后一、二段冷却器也都换用了 185Mo 或 SAF2205 双相不锈钢。由于双相不锈钢在尿素介质中有良好的抗腐蚀疲劳性能，很适合用于制造尿素生产的关键设备甲按泵泵体。国产的 00Cr25Ni6Mo2N 双向不锈钢能够通过 Huey 法的晶间腐蚀倾向的检验，已用于洞庭氮肥厂（五柱塞式）、黑龙江化肥厂等大型化肥厂。国内中一些小化肥厂的甲按泵泵体基本上采用 185Mo 钢制造，也有数十家采用的是高铬含铅双相不锈钢。此外这种钢的泵阀锻件通过了日本 JI

8、S G0573、G0591 硝酸法和硫酸法的检验，批量出口日本，价格要比日本当地生产的优惠。此外，采用国产 0Cr25Ni6Mo3CuN 时效强化双相不锈钢，利用其优异的耐磨损腐蚀性能，用于加工多种规格的尿素装置主工艺管路高压截止阀的内件等，能起到不错的效果。第7页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四(6)运输业 最近几年海上化学品运输船行业是国外最大的双相不锈钢用户，消费量约占热轧板的 50。化学品船装载的液体货物多种多样，包括化学和石化产品，要求船舱材料既能耐腐蚀，又有较高的强度和优良的塑性。目前，SAF2205 双相不锈钢已取代 316L和 317L 等奥氏体不锈钢，成为

9、海上化学品船的首选材料。我国在这方面起步较晚，中国长江航运集团青山船厂采用欧洲建造标准，使用进口的 SAF2205 钢板，自行制造成功第一艘 18500t 化学品船，钢板消耗量大约 1200t，已出口比利时。实现了我国用双相不锈钢建造化学品船零的突破，该厂已形成规模生产能力。第8页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 2.2.1 主要成分：Cr、Ni、Mo、N。其中， Cr、Mo铁素体形成元素 Ni、N 奥氏体形成元素 N主要固溶强化元素 Cr、Mo、N提高耐氯化物点蚀性能 耐点蚀当量：PREN=(Cr)+3.3 (Mo)+ 16 (N) 正常含Mo双相不锈钢： PREN=30

10、36 超级双相不锈钢： PREN402.2 双相不锈钢的成分、组织和性能第9页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四根据成分和PREN值分类： 低合金型，23%Cr无Mo双相不锈钢：Cr:23% Ni:4% N:0.1-0.2% PREN=2425 中合金型，22%Cr标准双相不锈钢：Cr:22% Ni:5-5.5% Mo:3% N:0.14-0.17% PREN=3036 高合金型，25%Cr+(0-2.5%)Cu双相不锈钢：Cr:25-27% Ni:4-7% Mo:1.5-3.3% N:0.15-0.25% PREN=3240 25%Cr超级双相不锈钢：Cr:25-26% N

11、i:6-7% Mo:3.5-4% N:0.25-0.28% PREN40第10页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四不锈钢的PREN值的比较第11页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 2.2.2 组织 相（铁素体）+相（奥氏体）双相组织，其中相与相的体积分数之比（/）约各占50%。其中：铁素体提供高的屈服强度、耐氯化物应力腐蚀性能； 奥氏体提供好的韧性和耐全腐蚀性能。 相含量过高引起脆化； 相含量过高降低耐应力腐蚀性能。 2.2.3 性能 1)具有良好的耐氯化物应力腐蚀的能力； 2)具有良好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能，优于奥氏体不锈钢； 3)有良好的耐腐蚀疲劳和耐

12、磨损腐蚀性能；第12页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 4)综合力学性能好。有较高的强度（包括疲劳强度），屈服强度是普通Cr-Ni奥氏体不锈钢的2倍； 5)焊接性好，热裂倾向小。一般不需要焊前预热和焊后热处理，可与18-8型奥氏体不锈钢及碳钢进行异种钢焊接； 6)低铬（Cr18%）的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽，抗力小，高铬（Cr25%）的双相不锈钢热加工比18-8型奥氏体不锈钢困难； 7)双相不锈钢比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大； 8)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的热导率大，线胀系数小； 9)仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆化倾向，不宜在高于3

13、00C的温度下使用。若含铬量较低，脆性相析出危害性较小。第13页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四第14页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四第15页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四奥氏体-铁素体双相不锈钢的性能主要受铁素体和奥氏体比例的影响，奥氏体和铁素体各占50%时，具有良好的耐腐蚀性和焊接性。在平衡状态下，两相的比例主要由钢中的合金元素，即铬当量和镍当量来决定。 Creq=Cr+Mo+1.5Si Nieq=Ni+30C+N+0.5Mn第16页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 2.3.1 焊缝凝固与奥氏体形成 母材组

14、织：(50%)V相+(50%)V相，其中相呈长条状分布在相基体中。 焊缝组织：焊接熔化后形成铸态组织。2.3 双相不锈钢的焊接冶金第17页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四Fe-Cr-Ni伪二元相图： 液态下凝固：L 冷却到1300： 在固态下在晶粒边界形核和生长。 冷却到室温：+ 其中，相的形态和数量：化学成分 冷却速度 基于TTT图：冷却速度增加相含量减少。 在焊缝快速冷却条件下形成的相，一般呈魏氏组织形态。第18页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四第19页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四第20页，共72页，2022年，5月20日，7

15、点5分，星期四第21页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四合金元素的作用： 合金元素直接影响焊缝金属的组成，Creq越大，Nieq越小，焊缝中奥氏体含量越少。 合金元素在铁素体和奥氏体所占的比例也不一样。焊接参数的作用： 由于焊接参数影响到冷却速度，即影响到合金元素的扩散，所以，也影响到合金元素在两相中的分配，焊接线能量越大，冷却速度越慢，由于扩散比较充分，铁素体向奥氏体转变进行的就比较充分，奥氏体含量增加，合金元素在两相中的含量差别也会拉大。析出相的问题： 析出相会影响到焊缝金属中的力学性能及耐腐蚀性。第22页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 A.当焊缝成

16、分与母材相同时：降低焊缝的冷却速度。 冷却速度过快时，焊缝中相含量不足，而相含量可超过80%，导致焊缝韧性下降，氢脆敏感性增加。 B.当焊缝的冷却速度难以降低时，提高焊缝中Ni、Mn、N等奥氏体形成元素含量，其中N的作用最为显著。 通过焊缝过合金化，促使相增加，使焊缝获得与母材同样的组织。 N对转变的作用：（由TTT图） 例如：焊缝和母材为获得60%+40%的双相组织：要求焊缝0.219%N，而母材只需0.141%N。 注：焊缝中相体积分数一般推荐为22-70%。为获得足够的耐腐蚀性并避免氢致裂纹，相最大含量应限制在60%。第23页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四焊缝室温组

17、织预测： Schaeffler图：铁素体含量的精度4% DeLong图：铁素体含量的精度2% WRC1992组织图美国焊接研究委员会推荐 第24页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0. 5Mn%舍夫勒组织图 第25页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0. 5Mn%德龙图第26页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 2.3.2 热影响区的组织转变 早期双相不锈钢：焊后

18、HAZ中相含量过高，甚至接近单相组织（60%时，+双相的点蚀电位处于纯相与纯相之间； Fe60%时， +双相的点蚀电位与纯相和纯相基本相同。 注：Fe增加时，对应的Cr、Ni相应减少。第60页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 组织对点蚀的影响 随着相含量的增加，点蚀电位开始时增加较快，当相达到40%后则基本不变。 注：Fe含量降低时，即合金含量提高时，点蚀电位降低。A：低铁系列合金（Fe50%）B：高铁系列合金（Fe=68-70%）第61页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 冷却速度对点蚀的影响 随着含N量增加，点蚀电位提高，但与冷速有关。 N=0.13%

19、时，冷速对SCE影响显著。冷却快：析出大量Cr2N，SCE低；冷却慢：基本没有析出Cr2N，SCE高。 N=0.25%时，冷速快慢Cr2N基本没有析出，故对SCE没有影响。结论：含N量较低的双相钢，其点蚀电位（SCE）对冷却速度很敏感， 因此焊接含N量较低的双相不锈钢时，要严格控制冷却速度。第62页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 思考题：分析在不同的冷却速度条件下，双相不锈钢的含N量对相和Cr2N析出相体积分数的影响规律。第63页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 为了获得满意的/比，以及最佳的力学性能与耐腐蚀性能的组合，通常需要控制两个因素： 因素1：

20、焊缝化学成分填充金属，保护气体，母材稀释率等 因素2：接头冷却速度热输入量，层间温度，材料厚度等 2.5.1 焊接方法的选择 无填充金属的TIG焊 A.纯Ar气体保护时： 含N量较低(0.130%N)： 相90% 含N量较高(0.396%N)： 相43% 注：合适的体积分数为20-60%。2.5 双相不锈钢焊接工艺特点第64页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 B.Ar+N2混合气体保护时： 可通过保护气体使焊缝增N，以获得合适的含量。 焊接含N量0.16%的一般双相钢：应在Ar中加1.0-1.2%N； 焊接含N量0.25%的超级双相钢：应在Ar中加2.0-2.5%N。 注：焊接单面焊的根部焊道时，建议采用Ar+N2混合气体TIG焊。第65页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 无填充金属的电子束焊 不能通过气体向焊缝增N，只能焊接含N量高(0.4%N)的双相钢。第66页，共72页，2022年，5月20日，7点5分，星期四 2.5.2 填充材料的选择 在不加填充材料的TIG、电子束焊接过程中，N元素的损失无法通过填充金属进行补充，引起焊缝中相严重不足而使组织和性能恶化，因此，通常采用有填充材料的焊接方法。 A.填充材料选择原则： 为保证焊态下焊缝组织具有合适的 /比，应选择比母材具有