超级双相不锈钢

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超级双相不锈钢焊条焊缝相比例的影响因素

来源:至德钢业 日期:2020-10-26 02:21:02 人气:54

 浙江至德钢业有限公司研究了25%铬型超级双相不锈钢焊条焊缝组织,分析了合金成分及焊接工艺对焊缝组织的影响,结果表明,焊缝需要较高的铬镍当量比值方可达到较理想的组织,手工电弧焊时,焊接热输入对焊缝组织的影响不显著,后续焊道的退火作用可提高先焊道中奥氏体相的含量。


 铁素体-奥氏体双相不锈钢是近些年来快速发展起来的一类不锈钢品种,因其具有优异的耐点腐蚀性能,优良的综合力学性能和焊接性能,在当今石化领域、近海工程等项目中的应用越来越广泛。经多年的发展,铁素体-奥氏体双相不锈钢已发展至第三代———超级双相不锈钢。超级双相不锈钢具有极其优异的耐氯离子点蚀性能,可与镍基合金相媲美,但相对的生产成本较低,因此在一些高氯腐蚀环境中可替代镍基合金。钢结构的建造离不开配套焊接材料。作为整体结构一部分的焊缝,必须达到与基材相当的性能,方可保证结构整体的可靠性。双相不锈钢优异的性能源于其比例恰当的铁素体-奥氏体两相结构,因此焊缝亦需具备合适比例的两相组织。


 铁素体-奥氏体双相不锈钢的凝固过程为单一铁素体凝固模式,即从液相凝固出全铁素体相,随着温度降低,铁素体相中再逐渐析出奥氏体相组织。


 铁素体析出奥氏体的转变过程为扩散控制的形核与长大过程。因此影响双相不锈钢相比例的主要因素为合金成分与降温速度。焊接过程的熔池金属体积小、冷却速度快,因此焊缝组织若要与基材达到相当的相比例,其合金组分必与基材有所不同;同时焊接工艺直接影响焊缝金属的冷却速度,进而影响焊缝组织。因此,本文拟对一种超级双相不锈钢进行焊缝组织研究,以期为应用提供理论依据。


一、试验材料与方法


 试验材料采用中船重工七二五所研制的25%铬型超级双相不锈钢焊条,板材采用低合金钢板。焊接前采用焊条在板材待焊面堆高不低于20mm,避免板材成分对焊缝成分的影响。焊接电流为140A,为避免有害相的析出,道间温度不高于150℃。用化学分析方法检测焊缝成分,用金相观察的方法分析焊缝微观组织,用定量金相分析法分析焊缝铁素体的面积含量。


二、试验结果及分析


 1. 焊缝合金成分对组织的影响


  焊缝合金成分是影响组织最主要的因素。为确定焊态下焊缝中合金元素对焊缝组织的影响,至德钢业技术人员对9个试验焊条焊缝进行化学分析与金相观察。焊缝化学分析结果见表,并利用公式计算铬当量和镍当量。1、3、5、9号试验焊条的金相观察结果见图,试验焊条焊缝中铁素体的面积含量结果如表所示。


 [Cr eq]=(Cr)+(Mo)+1.5w(Si)+0.5(Nb)


 [Ni eq]=(Ni)+0.5(Mn)+30(C)+30(N)


  式中:[Cr eq]表示铬当量,[Ni eq]表示镍当量根据表1中铬镍当量比值与铁素体含量,建立了二者之间的对应关系,如图2所示。可以看出,随着铬镍当量比值的提高,研制焊条焊缝的铁素体含量亦随之增加。当铬镍当量比值达到1.8-1.9时,铁素体含量接近50%,即铁素体和奥氏体的比值接近最佳值1:1。一般25%铬型双相不锈钢的铬镍当量比值约为2.0。但焊缝组织的铬镍当量比值接近2.0时,铁素体的含量约为60%。工程应用中一般希望奥氏体的含量稍占优势,因为铁素体为脆性相,当铁素体含量较高时会影响焊缝的整体力学性能。


  焊缝铬镍当量比值低于母材的,其原因与焊接工艺特点有关。焊接过程一般在开放的环境下进行,焊缝冷却速度较快,铁素体析出奥氏体的时间短,转变不完全。当铬镍当量较高时,就会造成焊缝铁素体含量的过高,降低焊缝的整体可靠性。因此工程实际中,双相不锈钢的焊接材料都适当提高镍当量,以保证在焊接状态下焊缝中铁素体和奥氏体比值适当,进而保证焊缝具备优良的综合性能。


 2. 焊接工艺对组织结构的影响


  焊接工艺对组织结构的影响有两方面:一是焊接热输入变化,二是焊道布置。前已述及,铁素体—奥氏体双相不锈钢由液相首先凝固出全铁素体相,继续冷却,通过扩散作用奥氏体相在铁素体中形核长大,最终形成铁素体-奥氏体两相结构。扩散过程需要一定温度和时间,调整焊接热输入会对扩散过程产生影响。焊道布置分为单道焊与多道焊,二者最大的不同是:多道焊接时后序焊道对先焊焊道有退火热处理的作用,对先焊焊道组织结构产生影响。


  a. 焊接热输入的影响


   焊接热输入指熔焊时,由焊接能源输入单位长度焊缝上的热能。其计算公式为:


   Q=η×I×U/v(3)


    式中Q———单位长度焊缝的热输入(J/cm),


           I———焊接电流(A),

 

           U———电弧电压(V),

     

           v———焊接速度(cm/s),


           η———热效率系数,


          焊条电弧焊为0.7-0.8。


   由式可知,影响焊接热输入的有焊接电流、电弧电压和焊接速度。作者通过固定电弧电压和焊接速度,调整焊接电流的方法实现焊接热输入的变化。试验用双相不锈钢焊条的正常焊接电流为140A,试验中分别采用110A、160A和180A的焊接电流进行焊接,焊后对焊缝的铁素体含量进行了测试,结果如表所示。


   由表可知,焊接电流的变化对焊缝组织的影响不大。分析认为:焊接熔池相对基体金属体积小,金属基体又具有极佳的导热性能,同时又在开放的环境中,因此熔池冷却速度很快,手工电弧焊的焊接热输入相对较低,相对焊接过程的高冷却速度难以对焊缝组织结构产生明显的影响。


 b. 单道焊与多道焊


   图3为试验焊条单道焊与多道焊组织结构金相观察结果,可以看出,多道焊道和单道焊道的金相组织明显的区别在于,多道焊内部焊道在大块的针状奥氏体组织中还有更为细小的奥氏体,而在单道焊道中仅有针状奥氏体组织的存在。


   分析原因,单道焊焊接情况下,铁素体向奥氏体的转变由于时间短,转变不完全,而多道焊接时,后续焊道对先焊道有类似退火热处理作用,促使铁素体继续向奥氏体转变。可知二者铁素体的含量存在约10%的差别。


   由单道焊与多道焊的实验结果分析可知,对于双相不锈钢焊缝,可采用焊后热处理的方式对其组织进行调整,以达到需要的铁素体与奥氏体相比例。


三、结论


  1. 25%铬型超级双相不锈钢焊缝中铬镍当量比值为1.8-1.9时,在焊态下焊缝具有理想的铁素体与奥氏体比值。


  2. 手工电弧焊情况下,焊接热输入对焊缝组织的影响不明显。


  3. 多道焊焊缝比单道焊焊缝中的奥氏体含量高,这是由于后续焊道的退火作用的结果。


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