节约型双相不锈钢 2204 焊接工艺分析

黄晓英

重庆工业职业技术学院 重庆 401120

摘 要：DSS 2204是一种新型经济节约型双相不锈钢，比传统的经济节约型双相不锈钢具有更好的综合性能和经济价值，可应用于多个领域。本文根据实验数据，分析了DSS 2204的焊接工艺，为DSS 2204焊接生产提供了理论依据，具有较大的应用价值。

关键词：经济节约型双相不锈钢，焊接工艺，固溶处理

我国镍金属供应紧张，价格不断上涨，开发低（无）镍的经济节约型双相不锈钢已成为我国不锈钢产业的必然选择。DSS 2204是宝钢集团开发研制的一种新型经济节约型双相不锈钢，其典型化学成分为22Cr-1.5Mn-4Ni-0.2N-1.2Mo，它通过增加氮及锰的含量取代价镍元素，钼元素含量也显著减少，故生产成本低廉。其中氮与锰之间的相互作用促使了焊缝与热影响区中奥氏体快速的形成，因此与传统的经济节约型双相不锈钢UNS S32304相比，2204具有更好的焊接性能及更高的强度，可应用于多个领域。

焊接接头由于平整致密，易于现场施工，是双相不锈钢加工中经常应用的工艺过程，而焊接中不可避免地会经历3001300 ℃的温度区域，势必对其微观组织结构及耐蚀性能产生重大影响，其主要影响是：其一，高温固溶处理工艺下，双相不锈钢的微观组织平衡会遭到破坏，铁素体相与奥氏体相的两相比例发生明显变化，其主要合金元素也会在两相中重新扩散分配，严重影响双相不锈钢的耐蚀性能。其二，经历中温敏化温度时，双相组织中铁素体相中会产生大量的有害二次析出相（碳化物、氮化物、相、相、二次奥氏体相等），降低材料的力学性能及耐蚀性能。因此，正确分析和合理制定双相不锈钢的焊接及热处理工艺，对提升其使用性能具有重要意义。

1.不同焊接方法及焊接材料分析

与其它双相不锈钢一样，由于铁素体和奥氏体组织的存在，DSS 2204双相不锈钢具有良好的焊接性，适合所有的焊接方法。其中，钨极氩弧焊和焊条电弧焊是小能量焊接，是非常适宜的常用焊接方法。高能量密度焊（激光焊、电子束焊和等离子弧焊）由于热影响区窄，接头性能变化小，也适宜双相不锈钢焊接。而且随着焊接技术的发展，激光焊和等离子弧焊应用也越来越多；埋弧焊由于热输入较大，焊缝较宽，冷却时在敏化温度区的停留时间长，耐晶间腐蚀能力下降，因此不能应于耐蚀性高的产品，若焊接时，应严格控制热输入和层间温度。

焊接双相不锈钢如采用不填丝的自熔焊易形成80%以上铁素体，导致接头力学及耐蚀性能的下降。因此需要采用比母材高出4%Ni的焊丝，以促进焊缝中的铁素体向奥氏体转变，保证两相平衡。根据耐腐蚀性、接头韧性的要求不同来选择与母材化学成分相匹配的焊条，焊接Cr22型双相不锈钢，可选用Cr22Ni9Mo3型焊条，如E2209焊条，它是碱型药皮的超低碳双相不锈钢焊条，焊缝含有40%-50%铁素体，具有良好的耐氯化物腐蚀性能和高的耐点蚀性能。

选择气体保护焊的保护气体成分非常重要，由于保护气体中N₂分压低，可能从焊缝熔池中扩散出N₂，从而使焊缝金属氮量降低，因此双相不锈钢焊接时应增加一定量的N₂气，保证焊缝金属中的γ相含量，但不宜太高，否则会产生气孔，一般保护气体和背面保护气体中必须加入5%N₂，同时保证气体干燥。

2.焊接坡口设计和加工

由于坡口设计显著影响焊缝熔合比，而融合比又显著影响焊缝合金成分和两相的分布，因此节约型双相钢的接头坡口设计和准备很重要。为保证焊缝中镍和氮的含量，保证足够的奥氏体含量，需要减小融合比，而且节约型双相钢的熔池粘度低，因此坡口角度应稍大于普通奥氏体不锈钢的焊接，坡口间隙也应稍大一些，间隙可达3–4毫米，定位焊点距离应比正常情况更小。如果使用等离子切割加工坡口，须对表面稍加磨光。

3.固溶温度的确定

虽然等离子弧焊和激光焊具有很强的技术优越性，但由于它们总能量输入低且冷却速度很快，融合区初次铁素体向奥氏体转变受到抑制，影响了两相比例；而且铁素体内氮元素的溶解度较在奥氏体内低，初次铁素体形成后氮元素可能达到过饱和而析出产生Cr₂N及其它金属间化合物，造成脆性和腐蚀抗力下降，因此等离子弧焊和激光焊后需要采用固溶处理，恢复双相不锈钢两相比例及消除有害金属间化合物以提高接头耐蚀性能和机械性能，特别是对防腐要求较高的产品，激光焊后须进行固溶处理。

对于不同种类和牌号的双相不锈钢需要采用不同的固溶处理温度和保温时间，且需要精确控制温度和时间，即使10~20C温度差异都可能对耐蚀性产生显著影响。为确定DSS 2204最为合理的固溶温度，上海某大学材料系进行了DSS 2204相关的腐蚀性能实验，利用恒电位临界点蚀温度测试法和微观形貌观察法对不同固溶温度热处理后的DSS 2204点蚀行为进行了系统研究，详细讨论了固溶处理温度下，DSS 2204微观组织演变与材料点蚀行为之间的内在联系。

实验结果表明，在10001200 ℃温度范围内，随着固溶处理温度的升高，DSS 2204双相不锈钢样品的CPT从39 ℃持续降低至24 ℃，表明其耐点蚀性能逐渐下降，这一现象见图1。

图1 恒定750 mV电压下，不同固溶温度处理30 min后

DSS 2204在1M NaCl溶液中电流密度随温度的变化曲线

图中显示，当固溶处理温度为1000 ℃时，点蚀程度最小，随着固溶处理温度升高，点蚀程度加剧，其原因分析：点蚀首先在铁素体相与奥氏体相的相界处或在铁素体相内形核，然后向铁素体相内进一步扩展，在奥氏体相处受到阻碍，随着固溶处理温度增大，奥氏体数量减少，耐点蚀性能下降。

双相不锈钢固溶处理后应进行快冷，缓慢冷却会引起脆性相的析出，从而导致钢的韧性，特别是耐局部腐蚀性能的下降。

4.焊接参数的分析

“敏化温度下的停留时间”对焊接接头晶间腐蚀有重要影响，采用热输入小的焊接方法，可以缩短在敏化温度区停留时间，减低危险温度对它的影响。但热输入过小，则冷却速度过快，奥氏体来不及析出，造成焊缝和热影响区中铁素体过多。因此双相不锈钢焊接时，合理控制焊接热输入是获得高质量双相不锈钢接头的关键

焊接工艺参数制定的原则：在焊接熔池停留时间最短为宗旨，应在保证焊缝质量的前提下，用“小电流、快速焊、多层焊”来达到这一目的；多层焊每一层焊缝焊后，冷却到层间温度150℃以下再进行下一层焊接，防止450～850℃停留时间太长。

5.焊接工艺要求

（1）焊前准备工作非常重要。油脂、水分、划痕、割渣、飞溅等都有可能导致接头为保证焊接接头力学性能和耐蚀性，焊前须去除干净。

（2）为保证焊接接头力学性能和耐蚀性，焊接时：接触介质的焊缝先进行施焊；对于单道焊缝，在非接触工作介质面的焊缝上，加焊一层工艺焊缝，若焊缝余高超标时，应磨平焊缝；对于多层焊，采用小的热输入，必要时可增加工艺焊缝来改善工作焊缝的热影响区性能。

（3）节约型双相钢焊接后容易在正面和根部覆盖一定厚度的氧化铬，并在氧化层下面形成一个贫铬层，产生有害的“麻点腐蚀”，因此焊接时在正面和背面做好气体保护，焊后采用磨光、喷砂、酸洗、钝化方法去除表面氧化物，但应避免酸洗过度。

作者简介：黄晓英（1969年-），女，重庆市人，教授，硕士研究生，主要研究方向为焊接、材料工程。