双相钢焊接

您的当前位置:网站首页 > 双相钢焊接 > S316LN与2205双相不锈钢间的异种不锈钢焊接工艺研究及应用

S316LN与2205双相不锈钢间的异种不锈钢焊接工艺研究及应用

来源:至德钢业 日期:2020-11-05 17:14:43 人气:36

 摘要在“波维特”LPG船修理中,由于应力及化学腐蚀,导致不锈钢舱体出现裂纹,需要换新和修理。而舱体采用S316LN奥氏体不锈钢,国内暂无此类材料供货。船东为了缩短修理周期,要求采用各项性能优于S316LN的2205双相不锈钢进行换新修理。在异种不锈钢焊接中,为了防止出现裂纹或力学性能不能满足要求的情况,故主要从耐蚀性、焊接性及焊材、焊接工艺方面对S316LN奥氏体不锈钢与2205双相不锈钢进行试验分析。在实船应用中,焊缝的UT和MT检测合格率达到了100%,取得较好效果,为今后船舶建造、修理及改装积累了经验。


 近年来,奥氏体不锈钢、复合不锈钢和双相不锈钢在化学品船、LPG船、LNG船,以及海工产品的建造中大量应用。但随着造船技术经验的积累和提高,2205双相不锈钢因具有优良的耐蚀性和焊接性能,在新造化学品船和LPG船中,逐渐替代了奥氏体不锈钢和复合不锈钢。


 在“波维特”LPG轮修理中,修理工程涉及舱体S316LN的裂纹修补或换新,主甲板普通船板与不锈钢舱体换新修理,如图所示。船东要求采用2205双相不锈钢进行换新,由于老船主要采用S316LN不锈钢材料,因此更换的2205双相不锈钢与S316LN不锈钢需进行焊接,而公司又是第一次遇到异种不锈钢焊接,故2205双相不锈钢与S316LN焊接必须进行试验研究,从而确定施工中的焊接工艺参数和要领,以确保实船施工达到预期质量要求。


一、S316LN和2205双相不锈钢焊接性


  1. S316LN奥氏体不锈钢的焊接性


  S316LN是奥氏体不锈钢系列中的一种材料,其性能和S316L奥氏体不锈钢相似,就是在它的基体上添加了氮元素,并减少了碳含量。又因S316L具有较好地抗氯化物腐蚀性能,故S316LN不锈钢抗晶间腐蚀性能、耐点蚀、抗孔洞腐蚀和高强度的力学性能等优于S3161奥氏体不锈钢及普通不锈钢。因而S316LN不锈钢在化学品船、海洋工程和化学容器中得到了广泛应用,甚至可以使用在核能源工业中。奥氏体不锈钢焊接主要存在热裂纹、晶间腐蚀和应力腐蚀等问题,单相奥氏体不锈钢的热烈纹倾向较大。奥氏体不锈钢具有高的电阻率、较高的线膨胀系数、较低的热导率,焊接过程中容易产生拉应力。另外奥氏体钢焊缝结晶时容易形成方向性强的柱状晶,有利于杂质偏析,形成易熔共晶夹层,引起热裂纹。


  2. 2205双相不锈钢的焊接性


  2205高合金钢(UNSS32305/S31803)是由铬:21%~23%、钼:2.5%~3.5%和镍:5%~6.5%等合金元素复合而成的不锈钢,又被称为铁素体+奥氏体不锈钢(双相不锈钢),是一种节镍的不锈钢,同时兼具铁素体和奥氏体不锈钢的冶金特点。与铁素体不锈钢相比,无室温脆性转变,塑性、韧性更高,焊接性和抗晶间腐蚀性能均显著提高。同时又具有铁素体不锈钢的一部分特性,如线膨胀系数小、475℃脆性、导热系数高、具有超塑性等特点。与奥体不锈钢相比,2205双相不锈钢抗拉强度高,其中屈服强度得到显著提高,并抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀和抗氯化物等性能都有显著的改善,2205双相不锈钢还具有优良的耐孔蚀性能、良好的低温冲击韧性,高钼含量具有较好的抗点蚀性能,但冷、热加工性能不及奥氏体不锈钢。


  2205双相不锈钢在大多数不锈钢系列中具有较好的焊接性,它既不像奥氏体不锈钢对焊接热裂纹比较敏感,也不像铁素体不锈钢因晶粒严重粗化而使接头脆化,塑性及韧性大幅下降。2205双相不锈钢焊前不需要预热,因其焊接冷裂纹及热裂纹的敏感性都比较小,因而焊后不需要热处理。但应选择合理的焊接热输入并严格控制层间温度,这是为了获得合理的相比例及防止脆化相的析出。


  3. S316LN与2205双相不锈钢的焊接性


  2205双相不锈钢与S316LN奥氏体不锈钢相比,由于铬、钼及氮的含量较高,其抗腐蚀特性在大多数环境下,热膨胀系数更低,导热性更高。在异种金属焊接中,由于物理、化学性能和合金元素等差异较大,故而异种不锈钢焊接比同类材料焊接困难。2205双相不锈钢与S316LN奥氏体不锈钢的焊接存在散热性、熔化比、合金元素迁移和残余应力引起焊接变形等问题,在焊接工艺控制中,如热输入量大小、焊接方法选择、焊材配比和稀释率大小等,都可能使焊缝接头产生未熔合、热裂纹、夹渣等缺陷,严重还会使接头力学性能下降。


  异种不锈钢焊接存在熔深不同及稀释作用,必须注意几点:选择高配的焊材钼和镍含量,防止奥氏体把合金元素镍稀释。一般这类接头无腐蚀问题,主要是避免热裂纹或熔合区的裂纹。其次为了防止晶间裂纹,应选择含碳小于0.03%的焊材,最后还要考虑因焊缝熔合比及热膨胀系数不同,所引起热裂纹、残余应力和焊接变形,固需要进行焊接工艺试验。


二、焊接材料、方法和工艺


 1. 焊接材料和方法


 焊接试验材料为2205双相不锈钢和S316LN奥氏体不锈钢,其试板规格为:380mm×280mm×22.5mm和380mm×280mm×20mm的板材。


 具体的焊接材料、方法如表3所示,材料的化学成分如表4所示。焊接设备采用杭州凯尔达电焊机有限公司生产的ZX7-400逆变直流弧焊机。


 2. 接头形式设计


 为了保证焊透,并考虑到焊接热输入对焊接接头组织的影响,尽量减少母材金属稀释到熔敷金属中的比例,坡口的加工方法应尽量采用机加工,也可以采用等离子切割。由于双相不锈钢的热导系数只有碳一锰钢的1/3,因此在设计单面焊接接头时应适当增加钝边的厚度,防止焊趾处烧穿或咬边。接头坡口制备使用手工等离子切割机、自动等离子切割机和机加工,接头形式为X型。切割完成后,对影响焊接质量的氧化膜、锯齿及熔渣进行清理,表面清理应使用不锈钢专用砂轮片和钢丝刷,必要时可采用丙酮或酒精进行擦洗。设计接头形式、坡口形式及尺寸如表所示。


 3. 焊接工艺要点


  a. 坡口及坡口边缘20mm~30mm区域必须清洁干燥,不应有油污、油漆、油及水等杂质。


  b. 焊前不需要预热,但可作除湿处理(温度≤40℃)。尽量不要用火焰加热,避免焊缝碳含量增加。


  c. 控制层间温度在100℃以内,快速冷却,尽量减少在450℃~850℃的停留时间(避开脆性温度区间),防止析出一种脆硬的金属间化合物,从而降低塑性、韧性和抗晶间腐蚀能力。


  d. 定位焊长度为80mm~100mm,间距150mm~220mm,尽量避免在材料表面引弧,以造成点蚀。


  e. 在焊接操作过程中,采取窄焊道,多层多道以及回火焊道。这样可以对上一层焊道起到后热作用,促进接头熔合区中的铁素体向奥氏体转变,从而部分改善焊接接头组织和力学性能,并注意填满弧坑。


  f. 焊条不摆动,焊道宽度不超过16mm,厚度为3mm~4mm。焊接热输入需控制适当,一般在0.5kJ/mm~2.5kJ/mm之间。


  g. 控制焊接变形,使用反变形和分段退焊的焊接顺序。尽量采用2人对称焊接,焊接过程中若发现有变形,则调整焊接顺序,如角变形凹一侧停止焊接,待凸一侧焊接没有发现变形再焊。


   h. 2205双相不锈钢与S316LN奥氏体不锈钢焊接参数如表所示。


三、试验结果及分析


 1. 无损检测


 对本次试验横、立对接缝进行无损检测。按照CB/T3558-2011射线检测标准进行100%RT检测,并按照CB/T3958-2004标准进行100%着色渗透(PT)检测,试件无裂纹、夹渣、未焊透、咬边、气孔等缺陷,RT检测为I级合格,PT检测为Ⅱ级合格,均满足规范合格要求。


 2. 接头力学性能试验


  a. 拉伸试验 


   按照DNV规范要求,在2块焊制试板上分别取两组4根拉伸试样进行拉伸试验,横向抗拉强度结果如表8所示。其焊接试板接头拉伸试样的断裂位置均在强度较低的S316LN母材上,两组焊接接头都满足DNV焊接规范的强度要求,说明焊接接头力学性能优于原母材。


  b. 弯曲试验


   根据DNV规范规定进行了力学性能试验,弯曲性能检测结果表明,焊接接头强度比原母材的强度略高。横向侧弯8组,试验厚度20mm,弯轴直径D=100mm,弯角180°,试验弯曲到规定的角度后,没有开口缺陷。拉伸性能、横向弯曲试验均满足DNV标准要求。


 3. 宏观金相


 满足DNV规范要求,如图所示。经过以上试验,试验数值均满足试验前的预期结果,焊接工艺试验获得DNV船级社认可。


四、实船应用


 焊接工艺试验取得了DNV船级社认可,在“波维特”轮修理中,不锈钢舱体换新取得了满意效果。通过“波维特”轮异种不锈钢间的焊接成功实践,使我们掌握了S316LN与2205双相不锈钢间的焊接,积累了经验数据,对今后船舶建造、修理及改装结构制造及此类材料的应用提供了宝贵经验。


五、结束语


 S316LN和2205双相不锈钢抗腐蚀、耐低温性能良好,但用在不同产品上要求不同,所以不能教条照搬,必须要进行焊材、焊接工艺方法选择和试验研究。虽然S316LN和2205双相不锈钢焊接工艺性能优良,若异种不锈钢焊接处理不当,仍会产生热裂纹,冲击韧性也会不理想。


 异种不锈钢间焊接可能发生的质量问题,对焊工来说并不是显而易见的,故在焊接过程中需加强自检。焊工必须认识到焊缝质量取决于是否严格地执行焊接工艺,高质量焊缝不是偶然产生的,必须依靠可靠的质量体系。焊接操作人员应该牢记异种不锈钢的焊接特征,摒弃焊接碳钢的不良习惯,才能做好不锈钢的焊接。


至德微信.jpg

本文标签:2205双相不锈钢 

发表评论:

◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法、交流您的观点。

北京 天津 河北 山西 内蒙 辽宁 吉林 黑龙江 上海 江苏 浙江 安徽 福建 江西 山东 河南 湖北 湖南 广东 广西 海南 重庆 四川 贵州 云南 西藏 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 台湾 香港 澳门