双相不锈钢装配和焊接工艺研究分析

李,琼，滕平强，吴子山

中国电建集团山东电力建设有限公司，山东省济南市  250102

【摘要】：双相不锈钢（duplex stainless steel以下简称DSS）广泛应用在化学工业、石油天然气等行业。DSS具有结构强度和抗疲劳强度高、低温韧性良好、耐腐蚀性能强以及对应力腐蚀裂纹不敏感等特点。但DSS装配和焊接过程存在较多难点，本研究通过对DSS焊接防变形控制，焊接参数，材料选择、工艺措施等方面进行了分析研究,总结提高DSS的焊接质量、提高材料利用率有效方法。

【关键词】：双相不锈钢、焊接工艺、防变形 、工艺措施

1引言

“双相”不锈钢的名称源于合金微观结构，由奥氏体和铁素体各约占50%混合而成,兼有两相组织特征。DSS在含氯化物介质中具有较高的抗氯化物应力腐蚀开裂性和耐点蚀性，强度明显高于3XX系列标准奥氏体不锈钢(如304或316型)，因此DSS是基于铁铬镍体系的两相合金。DSS为获得最佳的力学性能和耐腐蚀性能，母材和焊缝金属的组织或相平衡应保证铁素体和奥氏体各占50%左右。铁素体的含量不仅与钢的成分有关，而且与冷却速率有关；快速的冷却速率保留了更多在高温下形成的铁素体。缓慢的冷却速率使大部分铁素体转变为奥氏体，影响冷却速率的两个因素是预热和焊间温度。基于上述双相不锈钢成分形成的介绍，DSS焊缝中可能的失效机制是相脆化、氢辅助冷裂纹、氯离子应力腐蚀裂纹、点蚀和缝隙腐蚀以及氢诱导应力裂纹等。

2 DSS装配和焊接工艺研究

2.1 切割，坡口准备和接头设计

DSS可以使用等离子切割机或磨光机切割片进行下料，切割表面必须彻底清洁所有飞溅物。并在切割过程中彻底清理表面金属，以消除由于等离子弧切割而产生热影响，确保韧性和耐腐蚀性没有损失。对于坡口准备，除了局部修补外，建议采用机加工以保持焊缝厚度和间隙的均匀性。在焊接前，应采用纱布打磨坡口边缘最小50mm的宽度，然后用丙酮擦拭干净、晾干，接头的设计类型参照奥氏体不锈钢的焊接要求。

2.2 焊接工艺及耗材(焊料、焊屏、净化气体)

DSS采用钨极氩弧焊（GTAW）和焊条电弧焊(SMAW)两种焊接工艺。GTAW适用于清洁的金属焊接，具有良好的强度和韧性。采用合金化的填充金属来保持焊缝金属中的相平衡，主要通过使用比母材镍含量更高的填充金属来实现，以确保形成足够的奥氏体。比如DSS填充金属可能含有高达7%的镍，超级双相填充金属高达10%的镍，填充金属设计的一般原则是焊缝金属强度应高于母材。焊缝暴露在工艺流体中的部分，如焊缝根部和焊缝根部侧热影响区是焊缝的关键部位，单面焊缝根部焊道的稀释和氧化可能会导致耐蚀性和特殊耐点蚀性的失效。在焊接双相不锈钢时，可以使用镍含量较高的超合金化或超DSS填充金属来提高奥氏体性能和耐蚀性。氮气是一种强奥氏体形成剂，是一种重要的合金化元素，特别是在超DSS中，有时会在保护气体中加入约2-3%的氮，以补偿焊接中氮的损失。单面焊缝的根焊道和冷焊道应采用钨极氩弧焊工艺，一般使用含2-3%氮气的氩气-氮气混合物作为保护或吹扫气体。SMAW是用镍或碱性焊剂涂层进行的，改焊接工艺对有韧性要求的焊接工作适用性较强。

为防止氢辅冷裂，建议对低合金钢物品采用氢控措施。焊条和焊剂应参照厂家的建议烘烤;保护气体必须干燥和无污染物。

DSS在任何情况下都不得将焊接电弧击到焊缝坡口以外。如果出现这种情况，应通过打磨去除电弧。为避免相位平衡不一致，不允许使用坡口内焊接定位块，只推荐使用坡口外横跨两侧不锈钢定位块。

2.3 预热和层间温度

如果环境温度低于5℃，50 - 75℃左右的预热可满足焊前预热要求。对于DSS来说，150℃被视为可接受的最大预热温度。在直接靠近焊缝坡口的母材表面上，使用带有即时数字显示的接触式温度计测量焊道间的温度。

2.4 焊缝根部型式和表面氧化

焊缝表面不均匀将导致局部点蚀，大电流/高热量输入将导致根部的高度淬化。高的热输入导致敏感组织的形成(碳化物/金属间化合物)。为了控制根部的热输入，要求尽量不要摆动，避免过多的根部间隙和钝边。氧化膜降低了对点蚀的抵抗力，因此，应该提供背部保护气体来置换根部的空气，从而防止根部氧化。

2.5冷道

在一般钢材的焊接中，第二道工序一般称为热道。然而，对于焊接DSS第二道工序称为冷道。该冷道需要重新加热和调整根部焊缝的微观结构。如果在第二道使用高热输入，则会形成耐腐蚀性较差的二次奥氏体。根部焊道是稀释最大的区域，因此最容易受到优先腐蚀或点蚀侵蚀。相对较厚的根部焊道加上较低热输入的后续焊道,为了避免根部焊道的过度加热，建议将冷道的热量输入控制在根部焊道的75%左右。

2.6 焊后热处理

DSS焊缝很少进行焊后热处理。由于西格玛相和晶间碳化物的形成，它们不能在低应力释放温度(600 - 700℃)下进行热处理。如果需要焊后热处理，最好整个部件必须在大约1000 - 1,140℃的溶液退火后进行水淬处理，但这是一个不切实际的操作，对大多数焊接结构。任何将这些钢加热到350摄氏度以上的工艺都会影响构件的整个生命周期的机械性能。因此，也不应进行热校直来控制变形。

2.7异种钢之间的焊接

在选择填充金属时，重要的问题是获得一种强度和耐腐蚀性优于至少一种不同金属的焊接金属，并实现相平衡，以确保机械韧性焊接。低碳、低合金钢和奥氏体不锈钢可以用309L/ 309MoL/ 312或2209填充金属焊接到双相不锈钢上。当将DSS焊接到碳钢或合金钢上时，通常要考虑碳钢或合金钢所要求的预热或PWHT（焊后热处理）对DSS的潜在有害影响。预热可以减缓DSS热冷却，从而促进金属间相的形成。最好的解决方案是用奥氏体填充金属(如E309L)在CS或低合金上，经过PWHT后用DSS填充金属焊接到DSS上。然而，奥氏体填充金属的屈服率和极限抗拉强度大大低于大多数低碳/低合金钢和所有双相不锈钢。这种强度的降低应在设计阶段通过增加构件厚度来考虑。此外，奥氏体不锈钢焊材也被限制用于异种焊接。这些考虑将选择范围缩小到镍基合金，如合金82，或为更高强度，无铌高合金镍填料，如C22或59。不推荐使用含铌的镍基填充金属，因为铌会导致焊缝金属韧性低和凝固开裂。

接头的耐点蚀性能与填充材料、焊缝金属的显微组织及晶粒尺寸等有关。一方面接头的组织越均匀、晶粒尺寸越小，越容易形成致密的钝化膜，从而大大提高接头的耐点蚀性能；另一方面取决于接头焊缝组织中奥氏体相的含量，点蚀发生的过程一般是沿奥氏体/铁素体相界→铁素体相→奥氏体相，组织中适量的奥氏体相含量对减少奥氏体/铁素体相界、提高接头的耐点蚀性能有利。

3 DSS装配和焊接工艺针对性分析

3.1DSS材料强度高、易渗碳，施工中最重要的是保护材料的表面和内在质量。不允许使其与碳素钢直接接触，表面不得有任何碰伤，以免发生渗碳腐蚀，因此在装配过程中DSS一般用304或316L的材料与碳素钢隔离。

3.2 DSS具有很好的焊接性，焊接层间温度＜150℃，通常焊前不预热，焊后不进行热处理，焊接冷裂纹及热裂纹的敏感性较小。

3.3DSS相对于碳素钢来说，线膨胀系数比碳钢大40%，热导率约为碳素钢的1/3，因此在焊接过程中更易产生变形，且DSS变形不能用火焰矫正，因为较高的温度会改变DSS内部金相结构，降低韧性和耐蚀性，所以在施工过程中应采用优化工艺措施，尽量减小焊接变形。

3.4 采用钨极氩弧焊作根部焊接，然后用其他不同焊接方法完成焊接有利于提高DSS焊接质量。

3.5 选用惰性的保护气体，但同时为防止形成奥氏体的元素氮的流失，在其中可加 2-3%的氮气。

3.6 坡口选择上为保证熔透，选择大的坡口角度为宜。

3.7 焊接操作时要及时进行焊接处清理，避免接头外引弧。考虑DSS收缩变形的影响可以留有一定的焊接空间余量

3.8 为防治焊缝根部过热，限制层间温度和热输入。

3.9 为防治暴露于腐蚀性环境中的那一面留下焊渣和过渡氧化可采用一种以上的焊接方法，并做好焊后的机械清理和化学清理钝化和焊后热处理工作。

4 结束语

DSS装配和焊接工艺研究分析需要考虑各方面的因素，无论是材料选择、工艺措施等各装配和焊接环节都要考虑，以提高DSS的焊接质量，提高材料的利用率。后续项目将继续进行DSS装配和焊接工艺的研究，从而提高该材料的焊接性能，保证更好的焊接质量。

参考文献

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作者简介

李 琼（1978—），本科，工程师，主要从事火电工程和燃气增压站项目、抽水蓄能设计管理工作。

滕 平强（1976—），本科，工程师，主要从事火电工程和燃气增压站项目设计管理工作。

吴 子山（1990—），研究生，工程师，主要从事火电工程和燃气增压站项目设计管理工作。

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