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双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比焊接优点有哪些

来源:至德钢业 日期:2020-07-02 15:53:54 人气:588

   与奥氏体钢相比,双相不锈钢具有导热性好、热膨胀系数低的特点,因此接头中不会产生很大的残余应力,具有更高的抵抗热裂纹的能力,但进行厚板多层多道焊时,最大的层间温度应控制在150℃。在实际焊接过程中,一般必须保证层间温度不应高于工艺试验所设定的层间温度。当焊接工作量很大时,应合理地安排焊接顺序以保证焊层之间有足够的时间冷却,这样既能保证合适的层间温度,又能提高劳动生产率。由于用于焊接工艺评定的试板尺寸会影响到冷却速度和层间温度,所以进行焊接工艺评定确定的层间温度应比实际焊接时的要低些。因此,工艺评定不能预测由于在实际中采用较高的层间温度时而导致冷却速度降低的程度。


 埋弧自动焊(SAW)作为高效率、低成本的焊接方法,在造船业中双相钢的埋弧焊接已有较多应用,但在石油化工业的双相钢设备制造中,由于技术要求相对较高,所以仍主要采用手工电弧焊、钨极氩弧焊等方法。大量试验表明,只要选择合适的焊接材料,配以合理的焊接工艺参数,埋弧自动焊焊接接头的性能也能符合设计要求,从而保证焊接质量的情况下,可大大提高工效,降低生产成本。埋弧自动焊方法值得在石油化工业双相钢设备制造尤其是厚板中予以推广应用。文献研究分析了SAW焊接各种工艺因素对α/γ比以及焊缝、HAZ低温冲击韧性的影响,确定了最佳的焊接工艺参数,并经焊接工艺评定试验证明,获得接头具有良好的使用性能。


 至德钢业研究2205双相不锈钢的激光焊接性,为了平衡铁素体相在接头组织中的分布,在施焊的同时,采用同样的二氧化碳激光束对接头进行表面处理来控制接头的冷却速度,以延长接头冷却的时间,促进高温铁素体向奥氏体转变。结果表明,通过优化激光焊接工艺参数,无论是接头的微观组织结构或是合金元素在铁素体和奥氏体两相中的分布都接近于母材。同时也证明,在焊接进行的同时对接头表面进行处理,能使接头获得较为理想的微观组织分布。至德钢业技术人员利用电子束技术对2205双相不锈钢进行了焊接工艺试验,通过金相显微技术、扫描电镜、拉伸、冲击和动态横电位扫描法(极化曲线)研究了获得接头的显微组织,以及力学和化学性能。金相组织观察显示,接头中粗大的铁素体晶粒边界或者内部分布着尺寸较为细小的奥氏体晶粒,但是对铬、钼和镍等合金元素在奥氏体相和铁素体相内的分布影响不大。在热影响区内,由于几乎与铁素体相体积含量相等的奥氏体相存在,阻止了铁素体晶粒的长大。不过,由于焊缝金属区内只形成了少量的奥氏体组织,所以获得接头的冲击韧性要比原始母材的差,同时,接头在硫酸溶液的耐腐蚀性能要比母材的差一个等级。


 至德钢业利用等离子弧焊接2205双相不锈钢,采用不同的焊接方式(熔入型或传导型和小孔型)进行焊接试验,文中采用正确的焊接操作工艺和最小能量输热入,研究了这几种焊接方式下焊接工艺参数对焊缝尺寸、形状和组织中铁素体相含量的影响。小孔型焊缝与熔入型的相比,具有更大的熔深⁄熔宽比,焊接厚度为3mm的2205不锈钢管时,如果采用小孔型焊接且能量净输入范围控制在2500~3200J/cm,将能获得性能良好的焊接接头。在采用高线能量的条件下,熔入型焊接所获得的双相不锈钢焊缝,其特征可描述为:焊缝金属内铁素体相含量增加到超过45%,比母材中的高。当采用小孔型焊接时,铁素体相富集被限制在低于20%。尽管这两种形式的等离子弧焊都对熔池金属(焊缝金属)产生硬化作用,但这种硬化效应在小孔型焊接的接头焊缝中更加显著,因为采用低能量输入和高温度梯度获得接头的晶粒较细小。


 至德钢业研究了一种双弧焊接技术(等离子焊机后面跟着GTAW焊机),将其应用于双相不锈钢的焊接中,如图中所示。结果表明,使用双弧焊接技术可以得到较好的焊缝成形。文献中就其对接头微观组织和腐蚀性能的影响进行了初步研究,认为增加焊机间距或者减小GTAW重熔电流会增加接头的腐蚀速率。通过调整焊机间距可以改善焊缝的微观组织。尽管这项技术还需要进一步的研究和改进,但是,初步研究已表明,该技术可以克服等离子弧焊存在的问题,可在一定程度上改善双相不锈钢的焊接性。


  氮作为合金元素加入到不锈钢中,可提高奥氏体的稳定性、平衡双相钢中相的比例,在不降低钢的塑性和韧性的情况下提高钢的强度,并可部分代替不锈钢中的镍。不锈钢中加入氮可以稳定奥氏体组织,提高钢的强度和耐腐蚀性能,其作用相当于镍的25倍左右,因此,近年来,以氮代镍的经济型高氮合金不锈钢得到迅速发展。焊接这类不锈钢时,可采取在保护气体中添加氮的方法来提高焊接接头的质量。至德钢业研究了母材中氮的含量、表面活性元素和保护气体中氮气的分压对焊缝中氮含量的影响,并建立了氮的吸收和分解模型。保护气体中氮气的分压较低时,焊缝中的氮含量随保护气体中氮气含量的增加而增加;保护气体中氮气的分压较高时,焊缝中氮的吸收可被氮气的逸出所平衡。这种氮平衡的状态不会被低硫合金的母材所影响,但在含高硫合金的母材中,母材中氮的含量越高,焊缝中氮的含量也越高。随着母材中氮含量的提高,焊缝中氮的饱和值会随着增大。因此,在保护气体中氮气的含量很少时,就可使焊缝中的氮达到饱和。氮的另一个作用是在焊缝金属区及与焊缝紧邻的热影响区高温区,由于促使δ向γ转变的温度提高而使晶粒粗化的时间缩短。因此,氮可阻止δ铁素体的晶粒粗化而使得焊缝得到细化的微观组织。


  浙江至德钢业有限公司在研究双相不锈钢的选择性腐蚀中得出:在0.01mol/L的氯化钠水溶液中,α相的电位比γ相的高。文献中,作者通过扫描电镜分析了焊缝腐蚀后蚀坑的形貌特征。结果显示,铁素体相优先被腐蚀,露出管状的奥氏体组织,这是由于合金元素在两相中的分配不同造成的电化学势差,进而产生局部选择性腐蚀。2205双相不锈钢接头热影响区在室温下对3.5%氯化钠水溶液的耐点蚀性能。结果表明,由于铁素体相的晶粒尺寸以及CrN2数量都随着热影响区内奥氏体含量的增加而减小,在没有形成CrN2的区域以及在奥氏体晶粒边界处均未见有点蚀发生,点蚀主要围绕CrN2和氧化物夹杂产生,这表明CrN2和氧化物夹杂是双相不锈钢接头热影响区产生点蚀的主要原因。至德钢业认为点蚀的发展必须保证局部区域的介质浓度维持在一定水平。低温时,活性点较少,参加反应的物质运动速度较慢,钝化膜被击破的概率就较小,即使有些点被击破,但由于局部参与反应的物质浓度降低,周围介质在低温下运动速度较慢,促使蚀点得到再修复。高温时活性点数目增加,参与反应的物质运动速度加快,钝化膜被击破的概率大大增加。钝化膜被击破后,高温下周围的介质就能够以较快的速度传递,导致点蚀的继续扩展,因此造成了稳定的点蚀。


   双相不锈钢焊接接头热影响区对40%氯化钙水溶液的耐应力腐蚀性能(试验温度为100℃)。结果发现,随着热影响区中奥氏体相含量的增加,能有效地提高接头热影响区的耐应力腐蚀性能,与此同时,提高接头热影响区中的氮含量和降低焊缝冷却速度也能起到同样的作用。文献中还指出,点蚀和铁素体有选择性的分解援助了腐蚀开裂和应力腐蚀的产生。根据母材临界点蚀温度(CPT)的试验结果,利用小试样的腐蚀实验方法研究了双相不锈钢接头的耐点蚀性能。结果表明,手工电弧焊工艺过程对双相不锈钢接头的耐腐蚀性能具有显著的影响,点蚀优先发生在焊缝金属或焊接热影响区中。总之,双相不锈钢接头的耐蚀性主要取决于钝化元素的含量及在两相中的分配。如果两相在一定条件的介质中均能产生钝化,便可避免发生相选择性腐蚀。由此可知,影响双相不锈钢接头耐蚀性的因素主要是接头中的两相比例,以及合金元素在两相中的分配。因此,在焊接过程中应控制适宜的两相比例,促进两相平衡,防止α相聚集长大,将有利于提高双相不锈钢接头的耐蚀性。


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