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焊接工艺对S32205双相不锈钢相比例的影响分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-10-18   来源:中石化集团第十建设有限公司   作者:田红刚 徐占江 王传友
双相不锈钢是铁素体和奥氏体含量各占50%的不锈钢(标准状态下),在实际制造和焊接过程中,要求最高相含量相比值在60%以内,越接近标准值双相不锈钢的综合性能越好。双相不锈钢具有较好的抗点蚀、抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀能力和较高的强度以及较低的线膨胀系数。主要应用于270℃以下腐蚀性较强的场所。双相不锈钢的接头性能优劣,主要在焊接热影响区,这个区域受焊接热循环影响较大,其金相组织的优劣,也就是此区域铁素体和奥氏体两相间的比例以及铁素体晶粒大小将决定双相不锈钢性能的好坏。在母材和填充金属化学成分给定的情况下,焊接工
前言
嘉兴石化PTA装置管道介质腐蚀性强,PTA装置大量使用奥氏体不锈钢、双相不锈钢、哈氏合金以及钛管道来输送含腐蚀介质。由于双相不锈钢具有较好的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀能力,且具有较高的屈服强度,因此本装置大量采用双相不锈钢材料。应INVISTA公司要求,现场参加双相不锈钢焊接的每名焊工施焊试件,检验-40℃低温冲击值、焊接接头中铁素体与奥氏体两相比例值,以检验焊工对双相不锈钢材料特性的掌握能力。试件由厂家提供,试件规格为300mm×125mm×10mm。

1 化学成分分析
母材及焊材为上海鹰霸金属材料有限公司提供,其中,母材选用OUTOKUMPU公司生产的S32205;焊丝选用AVESTA公司生产的ER2209。由于管道壁厚较薄,厂家只提供氩弧焊焊丝。
母材、焊丝化学成分见表1、表2。

表1 母材化学成分(S32205)(%)
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
N
Cu
0.014
0.38
1.34
0.020
0.001
22.35
5.68
3.15
0.181
0.22

表2 焊丝化学成分(ER2209)(%)

C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
N
Cu
0.009
0.46
1.5
0.016
0.000
23.3
8.7
3.12
0.151
0.12


2 化学成分的作用
Cr、Mo为铁素体形成元素,促使铁素体形成。在合金元素中占的比值大,因此双相不锈钢开始凝固时为100%铁素体。

C、Ni、Mn、N、Cu为奥氏体形成元素。促使奥氏体从铁素体中析出,保证在一定冷却速度下从铁素体中析出足够数量的奥氏体组织。

3 物理性能分析
      理想的双相不锈钢中,铁素体和奥氏体两相各占50%。在铁素体固熔线温度以上金属全部为铁素体组织,低于固熔线温度后开始逐渐析出奥氏体,在材料制造和焊接过程中,实际双相不锈钢中铁素体和奥氏体相的比例受合金成分、冷却速度等因素影响造成两相不是均衡的。但较少相占的比例最低≥40%,才能达到性能要求,两相比值越接近50%,材料的综合性能越好。

       双相不锈钢综合了奥氏体不锈钢所具有的良好的耐蚀性、优良的塑韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的高强度和耐氯化物应力腐蚀能力,使之兼具奥氏体和铁素体的优点。其综合力学性能好,不仅有较高的屈服强度,还有良好的塑韧性。

       双相不锈钢对晶间腐蚀不敏感,但有较好的抗点蚀能力和优良的耐应力腐蚀能力。在恶劣条件下其抗点蚀、缝隙腐蚀和腐蚀疲劳性能以及磨损腐蚀性能都优于普通奥氏体不锈钢。

4 双相不锈钢组织平衡
       在双相不锈钢中,铁素体形成元素含量要比奥氏体形成元素高的多,因此在凝固初期形成100%铁素体组织。奥氏体只能在铁素体固熔线以下温度才开始形核和生长。在平衡条件下将发生合金元素偏聚,铁素体生成元素如Cr、Mo等通过扩散集中到铁素体相中,而奥氏体生成元素如C、Ni、Mn、N、Cu等扩散集中到奥氏体相中。随着温度的降低,奥氏体和铁素体的平衡成分沿奥氏体固熔线和铁素体固熔线变化,同时扩散速度下降,温度继续下降,最终铁素体和奥氏体生成元素不再扩散而稳定下来生成双相组织。因此这段温度区间存在的时间长短将决定双相钢中铁素体和奥氏体两相组织的比例。

5 焊接冶金
       所有的双相不锈钢都首先凝固生成铁素体,铁素体在一定温度范围内是稳定的,只有在低于铁素体固熔线以下温度才开始发生组织转变析出奥氏体组织。铁素体和奥氏体的相变特性取决于化学成分和冷却速度,最终决定铁素体—奥氏体的平衡组分和奥氏体分布。双相不锈钢焊缝金属是含有铁素体和奥氏体的混合组织。在焊缝金属开始凝固时至凝固终了都是铁素体组织,因此在高温固态下铁素体是稳定的,只有在温度低于铁素体固熔线以下才开始沿铁素体晶界发生奥氏体组织的形核和生长,最终奥氏体组织覆盖铁素体晶界。双相钢的相变序列为:
L→L+F→F→F+A。

6 氮的作用
       氮在双相不锈钢组织转变中起着重要的作用,是强奥氏体形成元素和奥氏体稳定元素,其作用要比镍强烈。

       氮是奥氏体形成元素,加入氮可以提高钢的强度,改善耐点蚀能力。在双相不锈钢中,如果冷却速度过快,导致铁素体含量过高,氮超过铁素体的固溶极限,氮来不及向奥氏体中偏聚,会发生强烈的氮化物析出反应,最终导致降低钢的延性、耐蚀性和韧度。因此,氮的含量不能过高,同时焊接时应控制热输入和冷却速度,以利于氮的扩散并防止过量的氮形成氮化铬,造成贫铬现象,降低材料的抗晶间腐蚀能力。

7 相比例对力学性能的影响
       相比例对双相不锈钢的力学性能有较大影响,影响双相不锈钢相比例的因素有两个:一是化学成分的影响,这个影响因素是给定的,不能改变;二是铁素体固熔线以下奥氏体转变开始至结束这段时间,能否析出足够的奥氏体相。这段时间短,钢中铁素体含量高,材料的塑韧性降低,抗腐蚀能力低、冲击值下降,焊接时冷裂纹倾向增大;这段时间过长,形成的奥氏体相过多,材料的强度降低,焊接时热裂纹倾向增大。

8 双相不锈钢焊接性分析
       双相不锈钢的焊接过程,实际就是通过焊接工艺参数和焊接操作方法对双相不锈钢的金属组织进行“调整”的过程。双相不锈钢相变图见图1。

       双相不锈钢焊接时,焊接热循环的特性决定焊缝及热影响区经受快速的加热和冷却过程,在多层多道焊时焊缝及热影响区要反复经受加热和冷却过程,在手工焊时,这种加热和冷却过程是不稳定和不均匀的。因此,焊缝及热影响区中铁素体和奥氏体两相平衡被打破,如果冷却速度过快会造成焊缝及热影响区奥氏体相缺失;如果冷却速度过慢会造成铁素体相缺失,这两种情况下都会严重影响双相钢焊接接头的强度、韧度和耐腐蚀性能,因此焊接工艺的选择至关重要。

      另外,在多层多道焊时,会出现二次奥氏体相析出。二次奥氏体相的析出能显著改善原来高冷却速度下的焊缝中高铁素体含量,提高焊缝金属的韧度,因此多层多道焊是双相不锈钢焊接的首选工艺。

      由于热影响区所处位置的特殊性,如果焊接过程中焊接方法和焊接热输入不当,会造成该区域冷却速度过快,有可能使该区域全部铁素体化,为此,必须慎重选择坡口角度和焊接热输入。控制预热温度、层间温度和焊接热输入可以有效控制化学成分一定的母材的热影响区组织。

 

图1 双相不锈钢相变图


       在焊接过程中应特别注意的是,如果选择过高的热输入和过慢的冷却速度,会使铁素体固熔线以上温度停留时间过长,导致铁素体晶粒长大,并且在这个温度区间,这时金属为全部铁素体组织,没有阻碍晶粒长大的相组分,晶粒明显长大,铁素体晶粒的尺寸直接影响铁素体的韧度和延性。

       在焊接过程中,双相不锈钢有产生焊缝凝固裂纹和氢致裂纹的倾向。这是因为在铁素体凝固过程中,如果焊缝处在高拘束状态下,连续的晶间液态薄膜的存在会引起凝固裂纹的产生;如果焊接过程中有导致焊缝增氢严重的因素,会产生氢致裂纹。因此,在组对和焊接过程中,要避免强力组对和采用低氢焊接方法。

        焊接接头韧度越高,其冲击吸收功值越高。焊缝金属的韧度主要受铁素体含量和含氧量的影响较大。如果双相不锈钢焊缝金属中铁素体含量高,导致其焊缝和热影响区的性能可能与铁素体不锈钢相似。焊缝金属中铁素体含量与填充金属化学成分和焊接方法有关。选用镍、氮含量高的填充金属可以提高奥氏体相析出量,减少焊缝金属中铁素体含量进而提高焊缝的韧度。另外,降低焊缝含氧量,也可以提高焊缝金属的韧度,GTAW是一种低氧的焊接方法,非常适合双相不锈钢的焊接要求。

9 焊接工艺参数选择
焊接工艺参数见表3。采用手工钨极氩弧焊方法焊接,多层多道焊工艺。
9.1 焊前准备:焊前准备工作对焊接质量起到很大的保障作用,必须高度重视。焊前应检查焊枪、气路不能有破损和漏气的地方。地线与管子应接触良好、牢固,防止地线松动在母材上打火损毁母材。焊前要试焊,检查并确认氩气纯度。周到的防风措施能有效防止焊缝气孔。焊前应仔细检查坡口内外表面无表面缺陷和坡口角度是否合适。焊接坡口见图2。

表3 焊接工艺参数

编号
焊工号
坡口角度
(°)
V型
电流
A)
电压
V)
焊接速度
Cm/min
层间
温度
(℃)
背面
气流量
L/min)
喷嘴
气流量
L/min)
1
1552
60
120~160
17~21
8~12
58~85
20
12
2
1553
60
120~160
17~21
8~12
58~85
20
12
3
1859
60
125~160
17~21
8~12
58~85
20
12
4
6896
60
125~160
17~21
8~12
58~85
20
12
5
1579
60
120~160
17~21
8~12
58~85
20
12


9.2 打底焊接:采用保护拖罩对焊缝背面进行氩气保护,打底焊接应使坡口根部熔透,防止产生未熔合、咬边等焊接缺陷。

9.3 填充焊接:根据坡口深度,将填充层分为两层,每层两道进行焊接,焊接时焊枪应对准坡口一侧,使上道焊趾部位处在这次焊道中心部位,保证母材坡口处的热输入和冷却速度适中,进而保证熔合区奥氏体含量。

9.4 盖面焊接:盖面焊接分三道进行,先焊接靠近坡口两侧的焊道,最后焊接中间位置的焊道,给两侧焊道做一次回火处理,使这两道焊道形成二次奥氏体析出相,保证焊缝金属中奥氏体相比例。

焊接过程中,尽量采用焊枪不摆动焊接,即使焊枪摆动,摆动幅度不能过大。焊接速度控制在8~12cm/min为宜。盖面焊接时,焊道应超出坡口边缘2mm,将热影响区部分进行一次加温,使之进行二次奥氏体化析出反应,改善热影响区的性能。

9.5焊接注意事项
9.5.1焊缝和HAZ冷却时间不能太短,应根据材料的厚度、环境温度选择合适的冷却速度。
9.5.2补焊和不填充金属焊接会造成焊接区域铁素体化,严重影响材料的性能,因此必须杜绝。
9.5.3采用低氢、低氧的焊接方法进行焊接,防止产生凝固裂纹和冷裂纹。
9.5.4坡口两侧彻底清除油、锈、化纤等含氢的物质。
9.5.5禁止在母材或已焊完的焊缝上起弧、熄弧。这样会造成此区域铁素体含量超过80%,导致构件过早失效。

 

    

图2 焊接坡口


10 试验结果
试件完成后经X射线检测合格,由业主送往指定的检测单位进行-40℃低温冲击试验、硬度、铁素体含量和晶间腐蚀检测。经检测,参加考试的5名焊工,各项指标全部合格。检测结果见表4。

表4 检测结果

焊工号
铁素体含量
硬度
HB)
冲击吸收能量
KV2(J)
焊缝中部
腐蚀率
H1589
焊缝
53.5/52.4/52.7
焊缝
245,242,246
94,90,98
9.17
HAZ
40.7/42.2/41.5
HAZ
243,240,240
母材
41.3/42.8/43.3
母材
250,247,245
H1553
焊缝
46.2/47.1/46.5
焊缝
230,232,235
92,104,92
7.77
HAZ
41.2/40.7/41.8
HAZ
224,227,228
母材
42.3/42.6/41.9
母材
236,238,235
H6896
焊缝
48.7/47.4/47.7
焊缝
235,232,236
106,82,108
8.89
HAZ
40.8/41.3/41.9
HAZ
219,223,225
母材
42.3/41.4/42.7
母材
229,234,236
H1552
焊缝
49.3/48.6/50.2
焊缝
237,240,241
98,90,94
9.13
HAZ
42.3/41.7/42.2
HAZ
226,230,231
母材
41.4/42.8/41.9
母材
250,248,247
H1549
焊缝
51.2/52.3/51.6
焊缝
259,254,255
98,98,92
8.65
HAZ
41.6/43.5/43.2
HAZ
240,237,241
母材
40.6/42.2/42.7
母材
245,247,247

 
11 结论
检测结果证明,双相不锈钢钨极氩弧焊,只要选择合适的填充金属、合理的焊接工艺参数和工艺措施,完全可以得到与母材金相组织接近的焊缝金属,满足各项性能要求。
 

 
 
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