至德钢业双相不锈钢焊接性能分析概述

 自1933年霍尔茨第一次制造出双相不锈钢以来，国内外学者根据实际的性能需求，在现有的双相不锈钢的基础上调整其化学成分配方，以其开发出性能更好的超级双相不锈钢，截止到目前，已经成功应用的各种牌号的双相不锈钢有很多。根据其合金成分和耐腐蚀能力（耐点蚀当量值PREN）可分为低合金型（PREN：24-25）、中合金型（PREN：32-33）、高合金型（PREN：38-39）和超级双相不锈钢（PREN>40）四类。对于双相不锈钢，铁素体相能够提供高的强度和耐应力腐蚀裂纹性能（SCC），而奥氏体相有利于提高延展性和一般耐腐蚀性能，其优异的综合性能正是得益于两相均衡组织。双相不锈钢中铬、钼、氮元素含量的增加是其卓越的耐中酸性局部腐蚀能力的保证。同时双相不锈钢机械强度的提高对其疲劳性能和抗磨损性能里也有改善。值得注意的是，在同等耐腐蚀性能的条件下，相对奥氏体不锈钢，双相不锈钢性价比更高，且其屈服强度可以达到奥氏体不锈钢的两倍。

 我国20世纪70年代中期开始研制双相不锈钢，最具代表的是00Cr18Ni5Mo3Si2，80年代初期开始研制含氮的双相不锈钢。太钢引领国内双相不锈钢的发展，太钢从80年代开始研究双相不锈钢，1999年成功研制用于三峡工程复合板的2205双相不锈钢，2007年成功开发具有自主知识产权的S32101双相不锈钢，与其系列产品3Re60、S32304、S31803、S32205、S32750、SUS329J4L等被应用于港珠澳大桥海外PDO天然气管线、AP1000核电等重大工程项目，在我国石油石化、核电、桥梁、环保等领域独树一帜。2010年双相不锈钢生产突破一万吨，在国内不锈钢业界创下新高，2012年太钢双相不锈钢通过英国CARES认证，2016年8月太钢双相不锈钢获得挪威国家石油标准NORSOKM-650认证证书，这为我国双相钢进入国际海洋工程、海水淡化、油气开采等高端领域创造了条件。

 双相不锈钢焊接性良好，焊前一般不需预热，焊后也不需热处理，所有传统的和先进的焊接方法几乎都可以用于双相不锈钢的焊接，如SMAW、GTAW、GMAW、埋弧焊（SAW）、FCAW、等离子弧焊（PAW）、EBW、LBW及激光复合焊、电阻焊、FSW等。瑞典的Sieurin等人采用SAW焊接2205双相不锈钢，优化焊接参数后空冷WM和HAZ的铁素体相比例不低于35%，且没有金属间化合物和脆性相析出。印度的Magudeeswaran等人采用活性化TIG焊（A-TIG），通过优化焊接参数，得到无宏观裂纹的2205焊缝。波兰的Nowacki等人利用SAW、GMAW、FCAW的焊接方法完成了化学品船储货仓的焊接，接头的机械性能和耐腐蚀性能都满足要求。意大利的Capello等人利用相同的激光束对激光焊后焊缝进行表面处理，改善了原焊缝的温度场分布，优化焊接参数后WM中两相组织以及元素分布几乎与固溶处理后的BM相同（2205双相不锈钢）。同时，双相不锈钢可以与奥氏体不锈钢、碳钢等材料进行异种焊接。

 双相不锈钢包含奥氏体和铁素体两相，通过控制化学成分和热处理工艺可以使两相组织大约各占50%，然而，实际焊接应用中，冷却速度较快，尤其是WM，δ→γ固态相变过程一定程度上被抑制，导致接头中两相组织比例失衡，分布不均，很难得到1:1的两相比例，一般两相中占比较少的一相含量不低于30%都可以满足实际工程应用的接头性能需求。通常在焊材中添加与BM相当的氮或是将其镍含量提高至10%左右，便可得到奥氏体相比例不低于60~70%的焊缝组织。双相不锈钢焊材中的镍元素含量通常比BM高2~4%，如图所示，镍含量的增加不仅使（α+γ）/γ固溶曲线上移，同时也使αγ在较高的温度开始转变。但是镍含量又不能太高，这是因为根据Fe-Cr-Ni伪二元合金相图，过高的镍含量（Cr/Ni小于1.75）可能使单一的铁素体凝固模式转变为奥氏体和铁素体的双相凝固模式，造成WM组织偏析，导致金属间化合物析出。同时添加氮元素，氮元素可以在维持相平衡的基础上提高接头的耐蚀性，这是其他合金元素无法替代的。通常只要加入0.1%以上的氮就会明显改善接头的力学性能。氮的添加形式可以是焊材也可以是保护气体。

 双相不锈钢焊接材料已经被美国焊接学会AWS标准化。中国目前关于双相不锈钢焊材的标准基本都是借鉴国外标准。焊材可以是焊条、实心焊丝、药芯焊丝包含熔渣型和金属型。目前有能力研发双相不锈钢焊材的厂商大都在国外。主要有BöHLER、ESAB、LINCOLN、SANDVIK、METRODE，其中BöHLER焊接集团隶属于奥地利最大的工业企业voestalpine（奥钢联）集团，BöHLER焊接集团旗下拥有六大着名焊接品牌：Böhler、T-PUT、UTP、Soudokay、Avesta和Fontargen。国内的焊材生产商也大都是参照国外的标准进行。