2205双相不锈钢管焊接中存在的主要问题

 浙江至德钢业有限公司是一家专业生产双相不锈钢管厂家，公司技术人员认为对于双相不锈钢管，韧性和耐腐蚀性是关键的性能指标，其化学成分和焊接过程都必须保证能形成足够的奥氏体相和阻止金属间相的析出。对于接头的焊接过程来说，虽然没有对铁素体相的含量进行严格要求，但是一旦铁素体相的含量超过60%，就可能产生很多的问题。在金属间相的析出方面，经过多年的探索研究，有害相主要为碳化物、铬的氮化物（CrN、Cr2N）、二次奥氏体相、金属间化合物（σ）和其他的一些相等。

焊接线能量对焊缝及热影响区的组织及两相比例有很大的影响，进而对焊接接头的力学性能和耐蚀性能产生很大影响。焊接时如采用的线能量过低，工件冷却速度过快，焊缝及热影响区会产生过多的铁素体组织，从而降低焊接接头的腐蚀抗力和韧性；线能量过高，工件的冷却速度过慢，焊缝及热影响区可能析出金属间相，也会使焊接接头的腐蚀抗力和韧性降低。在较低的线能量情况下，冷却速度较快，奥氏体相析出不充分，焊缝和焊接热影响区（heataffected~zone，HAZ）的铁素体含量较高，HAZ宽度较小；随着线能量的增加，冷却速度减慢，奥氏体析出时间延长，焊缝和HAZ中的铁素体量减少，HAZ宽度增加。即使采用大的线能量，HAZ中的铁素体相含量仍不会低于50%。

文献指出，双相不锈钢管在焊接过程中如果采用单一的氩气保护，焊接时焊缝金属中的氮元素会发生扩散现象，将明显抑制冷却时铁素体组织向奥氏体组织的转变，焊缝金属中的铁素体组织含量容易出现超标现象。所以，为了控制焊缝金属中的铁素体相含量，在焊接过程中，可在保护气体Ar中添加适量的氮气，通过保护气氛的富氮化，来防止焊缝金属中的氮元素向外发生扩散现象，从而确保冷却过程中有较多的铁素体转变成奥氏体。但是，随着氨气中氮气含量的增加，铁素体相含量呈线性下降、焊接电压升高、热输入增加、峰值温度提高，从而导致接头残余应力增加。保护气体中氮气含量越高，残余应力越大。一般，当保护气体中氮气的含量不超过2%时，铁素体相的含量在低热输入时比高热输入时的要高。

2205双相不锈钢管件接头焊缝常会在冷却过程中析出二次相。主要的二次相有：

 1. 二次奥氏体

 一般在900℃以下析出的奥氏体通常称为二次奥氏体，其析出可理解为钢或焊缝金属从高温初次快速冷却时，其平衡铁素体的份额较高，以后又因焊接或热处理再加热时就会生成比初始高温奥氏体的氮、铬、钼含量较低的二次奥氏体，其形态主要取决于形成的位置及机理。经常可在焊缝金属中发现带有尖锐边缘型的魏氏体（Widmanstatten），而在焊缝金属和热影响区母材中均可见到的为球型组织。不管是哪种组织形式，其低的氮、铬及钼含量均对抗点蚀产生有害影响。另外，文献指出二次奥氏体的析出会促进富铬而贫镍的σ相成核结晶。

 2. 金属间化合物相

 最常见的金属间化合物是σ相，它经常以足够多的量析出在双相不锈钢管件母材及焊缝金属中。χ相及R相已在许多双相不锈钢管件及焊缝金属中被检测到，但大多析出量都很小。实际上要确切地分辨这些相的构成较为困难，因此，通常总是假定它们都同样地会使接头性能恶化，而以σ相作为广义金属化合物相的代名词，但实质上它们包含以下多种形态：

①. σ相正方晶的σ相基本上是Fe–Cr–Mo，根据合金元素含量不同，它在双相不锈钢管件处于600~1100℃范围内时为热力学稳定相。σ相是富铬、钼、硅及钨元素、贫镍及锰元素的相。依据钢的化学成分及形成温度不同，双相不锈钢管件及焊缝金属中所生成σ相的典型成分为：29%~34%Cr、3%~5%Ni、3%~9%Mo及0~7%W。σ相硬而脆，会显著降低钢的塑性和韧性。σ相富含铬，使其周围因贫铬而使钢的耐腐蚀性降低。鉴于此，σ相是一种危害最大的二次相。焊接时，以急冷方式快速通过该形成温度区间，可有效避免σ相的产生。

②. χ相方晶的χ相是富含Mo的金属间化合物相，它通常在双相不锈钢管件处于700~900℃范围内时生成。其成分在无W的钢及焊缝中为：20%~28%Cr、3.0%~5.5%Ni、9%~22%Mo；而在含0.9%~4.3%W钢及焊缝中为4%~17%Mo、3%~16%W。这种χ相是亚稳态的，当热处理时间延长时它即为σ相所取代。

③. R相角晶的金属间化合物相是2205双相不锈钢管件处于550~800℃温度范围内时析出的，其成分为：16%~30%Cr、3%~5%Ni、25%~40%Mo。

④. α′相在300~550℃范围内引起的铁素体分解为富Fe的α及富Cr的α′造成475℃脆化。但也有人认为α′的形成是一种成核和生长过程。不过，其结果总是使冲击强度降低。

⑤. G相在α′相形成温度范围内长期时效后会观测到与未掺杂的Fe–Cr固溶体发生相互作用而生成富Si的立方晶金属间化合物相G，它是由于钼、硅及镍的增加而形成的，G相的形成会使冲击强度明显降低。

⑥. τ相2205双相不锈钢管件中也曾发现过称为τ相的斜方晶金属间化合物，它对性能的影响暂不清楚。

⑦. η相25Cr4Ni4Mo铁素体不锈钢管件中已知η相（Fe2Mo、laves相），也已在双相不锈钢管件中观测到，但因η相与R相极难区分，对其认定还有待研究。

 3. 氮化铬

 双相不锈钢管处于700~900℃范围内可发生六方晶的Cr2N析出，其形成是由于含饱和氮的铁素体从高温快速冷却，在等温处理时及涉及焊接的过程中会析出。这种析出对钢的抗腐蚀及冲击性能都有不利影响。

 立方晶的CrN也在约1100℃形成的铁素体中发现，但其对性能的影响很小。最近探明CrN常以薄膜或微片状出现在呈棒状的Cr2N附近。

4. 碳化物

 2205双相不锈钢管的含碳量很低，钢中碳化物起的作用较小。然而碳化物的析出仍然是可能的，在950℃以下会迅速析出M23C6，而在950~1050℃之间则会析出M7C3。值得注意的是，碳化物的析出会促进σ相之类有害相的形成，因为它为后者提供了成核空间。

 5. 其它相

 2205双相不锈钢管焊缝金属在650℃时观测到富钼、铬及硅的晶界薄膜。