双相钢焊接

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至德钢业双相不锈钢管线材焊接技术

来源:至德钢业 日期:2021-04-02 11:46:50 人气:364

  近年来,双相不锈钢由于其优良的力学性能及耐蚀性能,可长期在苛刻环境和恶劣工况条件下服役,因此日益受到用户的青睐。如正在建设中的港珠澳跨海大桥工程中大量使用了SAF2205、2304、2102型双相不锈钢筋;西气东输工程项目中采用了2205双相不锈钢无缝管及等离子直缝焊管作为输气管道。为了保证焊接接头的性能,为用户提供焊接工艺技术支持,技术人员对双相不锈钢筋及钢管进行了焊接工艺试验及接头性能的评测。本文就双相不锈钢管线材的焊接工艺要点及焊接接头的金相组织及力学性能特点进行了简要介绍。


一、双相不锈钢管线材及其焊接性特点


 双相不锈钢(奥氏体+铁素体组织,较少相含量≥30%)集优良的耐蚀性、高强度和易于加工制造诸多优点于一身,其物理性能(导热性、热胀系数等)介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间。双相钢的耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀能力与其铬、钼和氮元素含量有关,明显高于奥氏体不锈钢,强度也大大高于奥氏体不锈钢,同时具有良好的塑性和韧性。在一含些氯化物、硫化物、醋酸、甲酸等介质的石化装置中,一般奥氏体不锈钢难以防止应力腐蚀(SCC)、点蚀和洞穴式局部腐蚀,双相不锈钢是具有理想的综合性能的材料。目前太钢不锈生产的双相不锈钢牌号由低到高包括2003、2102、2304、2205、2507等类型,分别适用于不同腐蚀环境中。双相不锈钢焊接材料有ER2209(适用于22%Cr双相不锈钢等)、ER2553(适用于25%Cr超级双相不锈钢等)型实芯焊丝和E2209、E2553型手工药皮焊条等。


 双相不锈钢具有良好的焊接性。与奥氏体不锈钢相比,有较低的热裂倾向;与铁素体不锈钢相比,加热脆化倾向较低,不会发生铁素体不锈钢焊接时热影响区由于晶粒严重粗化而塑韧性大幅度降低的情况。可采用几乎所有的焊接方法进行焊接加工,一般焊接前不需要预热,焊后不需要热处理。


 然而,双相不锈钢的焊接对于双相不锈钢而言也是非常关键的一项技术,只有掌握双相不锈钢的焊接性特点,制定合理的焊接工艺,获得优良的焊接接头,才能充分发挥双相不锈钢的优点,从而使双相不锈钢能成功应用于各种严酷环境下,避免焊接接头先于母材发生失效。太钢在前期生产制造双相不锈钢板材基础上,已成功开发了双相不锈钢无缝钢管和建筑用钢筋,以及采用“UO成形法”和等离子+氩弧焊接工艺制造直缝焊管。焊接加工在产品应用中是一项重要的技术,相对于板材、管材及线材具有自身的焊接工艺特点。


 不同牌号的双相不锈钢具有相近的焊接性和焊接工艺特点,以2205型双相不锈钢为例,母材中铁素体的奥氏体的含量在35%~65%之间,为了保证焊缝金属具有合适的奥氏体相,须选用配套的焊接材料为ER2209型实芯焊丝或牌号为E2209的手工药皮焊条及合理的焊接工艺。图1所示是68%Fe处的Fe-Cr-Ni三元截面相图,从图中可以看出,随着温度的降低,该合金先以铁素体(a)凝固,当温度处于约1350-1220℃之间时,从液相中析出奥氏体,为三相共存区。温度继续下降到1220℃以下时,液相消失,为铁素体和奥氏体两相共存区,在镍和氮等奥氏体化元素作用下,部分铁素体会转变为奥氏体(y),在更低的温度下,处于平衡状态的铁素体和奥氏体相比例几乎不再发生变化。为了使双相钢具有理想的相平衡,主要是通过调整铬、钼、镍和氮的含量,其次是控制不锈钢的热循环过程。冷却速度和高温停留时间决定了可转变为奥氏体的液相和铁素体相的数量,因此焊接高温后的冷却速度将影响相平衡,快冷会使更多的铁素体保留到室温。如果使用低热输入来进行焊接的话,由于冷却速度快,高温停留时间短,会导致焊缝及HAZ有过量的铁素体,影响接头的韧性及耐蚀性。


 图是双相不锈钢的等温析出动力学曲线,从图中可以看出,如果冷却速度控制不合适的话,会在不锈钢中析出碳化物、氮化物、o相、x相a’相等有害相,它们使不锈钢硬化和脆化,但是由于双相不锈钢中含有50%以上的奥氏体,弱化了这些相带来的危害,在焊接时,如果线能量和冷却速度没有控制好,可能会在焊缝及HAZ中产生少量的这些有害相,但是总体而言,双相组织的优良性能使这些危害降到了很低的程度,且由于焊接过程加热时间短,热量集中,冷却速度也较快,一般不会产生这些有害相,或者这些有害相含量非常少,因此在焊接过程中不需要过多地考虑这些相带来的有害影响。焊接热输入的范围可以在0.5~2.5kJ/mm之间,只要保证焊缝及HAZ的相比例处于一个合理有范围即可,即铁素体的含量在35%~65%之间,焊接接头就具有良好的综合性能。


 由于双相不锈钢管材及线材的应用领域的特点,一般在施工现场进行焊接,较多采用钨极氩弧焊和手工电弧焊方法。双相不锈钢筋对接时普遍采用螺纹套筒进行机械连接,搭接时则可采用手工点焊的方法。双相不锈钢管对接时,需用车床加工30~35°的坡口,钝边厚度为1.5~2mm,装配成60~70°的V型坡口,间隙为1.5~3mm,定位点焊后采用TIG焊完成打底焊道,对于壁厚t≤8mm;直径D≤108mm的钢管,填充焊道和盖面焊接都可采用TIG焊完成,壁厚和直径较大的钢管可采用手工药皮电弧焊完成填充和盖面焊道。


二、双相不锈钢直缝焊管制造工艺


 西气东输工程中大量采用了2205双相不锈钢直缝焊管作为输送管道,包括多种规格,壁厚和直径都较大。焊管由2205双相钢板卷板并焊接而成,具体的制造工艺为板材下料→开坡口(厚度≥6mm)→画制成型道次线一预弯边→“U”成型→“O”成型(坡口清理→点焊→加焊引弧、收弧板)→等离子弧打底、钨极氩弧焊填充、盖面→外观检测及修补→X射线无损探伤检测。


 等离子焊接方法具有能量集中、穿透力强、效率高等特点,且容易实现自动化焊接,焊接质量好。因此,采用等离子焊接方法制造厚壁直缝焊管是一种理想的焊接工艺,填充材料为ER2209型双相不锈钢焊丝,主要化学成分为21.5%~23.5%Cr、8.5%~1.5%Ni、2.5%~3.5%Mo和0.08%~0.20%N及≤0.04%C。


 对于双相不锈钢直缝焊管,为了保证焊接接头的力学性能和耐蚀性能,焊后热处理是关键环节。双相不锈钢焊管在成型过程中会产生很大的内部应力,在焊接过程中,焊接热循环过程的加热和冷却速度都比较快,焊缝和HAZ的组织都处于非平衡态,很难保证奥氏体含量大于40%,因此塑韧性和耐蚀性能都低于母材。焊后进行固溶处理可优化焊接接头的相比例,提高力学性能和耐蚀性能。具体的热处理工艺为1020~1100℃保温1~2h后水冷,使更多的奥氏体相保留至室温。


 双相不锈钢耐热性较差,高温时强度下降幅度大,因此在热处理保温过程中,钢管极易发生变形,圆度和直线度都大幅降低,因此,热处理后需要进行整圆及校直以保证钢管的圆度和直线度。图3及图4分别是325×14mm规格的焊管经热处理后焊缝及HAZ的金相组织,经检测焊缝的铁素体含量为35%~45%之间,HAZ的铁素体含量为50%~55%之间,相比例满足使用要求。以焊缝为中心取样进行点蚀及晶间腐蚀试验,结果都合格。


 在焊接接头取样进行了力学性能检测,包括拉伸和弯曲试验、-40℃冲击试验和硬度检测等,结果表明,拉伸试样断裂位置均位于母材,屈服强度为500~600MPa之间,断裂强度为750~800MPa之间,断后伸长率为35%~45%,冲击吸收功平均值为170J左右,硬度值<HV300,d=10弯曲试验无裂纹产生,力学性能检测结果均合格,满足使用要求。


 三、双相不锈钢筋焊接工艺


 双相不锈钢筋作为耐海水腐蚀性极强的建筑材料,在港珠澳大桥的建设中发挥了重要作用。使用的双相不锈钢筋涉及多种牌号及规格,包括2205、2304和2102等牌号,规格从16~40mm。下面以p16mm的2304双相不锈钢筋为例来介绍点焊工艺和焊点的组织及力学性能特点。


 接头形式采用搭接接头,焊接方法为手工电弧焊,3.2mmE2209型焊条。在钢筋两侧进行点焊,焊点的面积不小于1cm2,电流为110~120A,电弧电压为29-31V(空载电压约为60V),极性为直流反接(即工件接负),去渣后用不锈钢酸洗钝化膏去除焊点及周边表面的氧化色。


 图5是2304双相不锈钢筋的室温金相组织,图6和图7分别是焊点处的金相组织和HAZ的金相组织,焊点周边的HAZ的晶粒在焊接热循环过程中长大,晶粒较为粗大。采用铁素体含量测定仪测定了不同位置的铁素体含量,结果表明,焊点处的铁素体含量为50%~55%;焊点周边HAZ为60%~65%;母材为50%~55%。检测结果表明采用上述的焊接工艺和材料时,焊点处的相比例都在合格范围内。对焊接试样进行拉伸破坏试验,测得最大力,然后根据断点处的截面的大小估算出抗剪强度约为600-650MPa,断裂位置都位于焊点的中间,满足建筑用钢筋断裂强度高于500MPa的要求。


四、双相不锈钢无缝管焊接工艺


 这里以60mm×4mm和325mm×14mm两种不同规格的2205双相不锈钢无缝管全位置焊接对接接头为例简要介绍焊接工艺及接头性能特点。端部加工好坡口及钝边后,为了保证背部焊缝成形,装配时须留出适当的间隙,然后用TIG焊接方法定位点焊。保护气体为纯度为99.99%的氩气,管内通入氩气作为内部保护气体,以保证背部焊道不被氧化并具有良好的耐蚀性能。60×4mm钢管具体的焊接工艺示于表1,焊接方法均采用TIG焊接;325×14mm无缝管对接的焊接工艺示于表2,其中打底焊道采用的焊接方法为TIG,填充和盖面焊采用手工药皮电弧焊。


 多层多道焊接时,层间温度要控制在150℃以下,用角磨砂轮面对焊缝的焊趾部位进行清理,以免在后道焊缝中形成夹渣。后一道焊缝对前一道焊缝进行了二次焊接热循环加热,可在随后的冷却过程中促进铁素体向奥氏体的转变,使焊缝和HAZ中的相比例达到一个比较满意的范围内,但是表层焊缝由于没有受到二次加热,铁素体的含量相对较大。


 焊接完成后取样进行金相组织观察及力学性能试验,包括铁素体含量测定、拉伸、冲击、弯曲和硬度等试验,以及耐蚀性能试验。检测结果全部满足技术要求,表明采用上述焊接方法及材料进行无缝钢管的对接可获得满足使用要求的焊接接头。


五、结论


 焊接加工作为双相不锈钢管材及线材的一种重要的热加工工艺,很大程度上决定了该产品能否满足使用要求。在了解双相不锈钢焊接性特点的基础上,选择适当的焊接方法,采用合适的焊接材料和合理的焊接工艺参数,双相不锈钢的管材及线材均可获得相比例、力学性能及耐蚀性能合格的焊接接头。


 双相不锈钢管材及线材在施工现场进行焊接时,焊前不需预热,焊后也不需要热处理,制定合理的焊接工艺,控制层间温度和焊接热输入,完全可获得满足技术规范的焊接接头,因此国产双相不锈钢钢筋及钢管由于其优良的综合性能及使用成本,将逐渐在许多应用领域替代进口材料。




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