超级双相不锈钢的焊接性及焊接技术研究

程必刚

（上海阿波罗机械股份有限公司，上海 201401）

1 材料的介绍及焊接性

在工业条件下，特别是在含有氯水溶液的环境下，要求材料比标准的奥氏体不锈钢材料具有更好的耐腐蚀和力学性能，20 世纪70 年代后期出了第二代的双相不锈钢，双相不锈钢由40%～60%铁素体和40%～60%的奥氏体组成，双相不锈钢兼备了奥氏体钢和铁素体钢的优点，故具有强度高、耐腐性好和易于焊接的特点。这类钢焊接的主要特点是：与纯铁素体不锈钢相比焊后具有较低的脆化倾向，而且焊接热影响区铁素体粗化程度也较低；与纯奥氏体不锈钢相比，具有较低的热裂倾向，故焊接性较好。由于热裂纹倾向小，所以焊接时很少考虑热裂纹，通常最主要的问题是热影响区而不是与焊缝，热影响区的问题是耐蚀性、韧性降低或焊后开裂。为了避免发生上述问题，焊接下的重点是使在”红热”温度范围内的总停留时间最短而不是控制某一条焊道的热输入。但是，双相不锈钢的两相比例不仅与成分有关，而且与加热温度也有关。在焊接热循环作用下会发生明显的相比例变化，当加热温度足够高时，就会发生γ-δ的转变，使铁素体增多，而奥氏体减少，甚至可能完全变成纯铁素体组织，从而失去双相组织所具有的特性，使接头的力学性能和耐蚀性能下降。为此，须控制母材和焊接材料的成分和焊接参数，使接头能形成足够数量的γ 相，以保证接头所需的力学性能和耐蚀性能。由于这类钢焊接性能良好，焊时可不预热和后热。双相钢中因有较大比例铁素体存在，而铁素体钢所固有的脆化倾向，如475℃脆性，σ 相析出脆化和晶粗粗化，依然存在，只因有奥氏体的平衡作用而获得一定缓解，焊接时，仍需注意，这时应注意控制焊接热输人，尽量用小电流、高焊速、窄焊道和多焊道，以防止热影响区晶粒粗化和单相铁素体化，层间温度不宜过高。焊接冷却速度和层间温度对铁素体测定的影响比较大，冷却速度过大会导致铁素体量过大，冷却速度小又会导致铁素体过小，一般层间温度在100℃以下，焊接速度在6 ～12 的不摆动焊比较合理。第一道焊道的热输入量不能太小，冷却速度不能太快，让焊缝在冷却时要有一定的时间分析出奥氏体相达到平衡可采用面层焊道加回火焊道的方法，使热影响区的高温段析出较多的二次Y 相。

2 焊接

2.1 材料成分与性能

试验用的母材为奥托昆普公司生产的SA-240 S32750 双相不锈钢，其力化学成分和力学性能分别见表1 和表2，将板加工成160×400×4.7(由6mm 钢板加工成4.7mm)，钢板机加工后坡口为30°单V 坡口，钝边1mm，平板对接；试验中所用的保护气体为99.99%的氩气；试验所用的焊接材料为山特维克的2594NL，直径2.4mm，其化学成分见表3。

表1 S32750 双相不锈钢的化学成分（质量分数）

表2 S32750 双相不锈钢的力学性能

表3 S32750 双相不锈钢焊接材料的化学成分（质量分数）

2.2 焊接工艺

焊前清理坡口及周围20 ～30mm 然后组对，检验合格后方可进行焊接。采用正面和背面充氩气保护，直流正接，具体焊接参数见表4。

表4 焊接工艺参数

此工艺的目的是使焊接接头和热影响区性能能与母材一样，所以选用的焊接材料的化学的成分与母材不能完全相同，而是镍含量要略高于母材2%～4%，因为焊接过程中焊缝金属凝固和冷却时间比较快，如果焊缝金属的化学成分与材的母材化学成分相同，在高温状态下形成的铁素体组织来不及转变为奥氏体组织，因此焊接中选用了山特维克的2594NL；采用钨极氩弧焊，单面焊接双面成型工艺，保证根部焊透，不得采用无填丝的自熔焊接方式，以防由于填充金属不足而造成铁素体含量过高；焊接完成后，不要使用钢丝刷清理焊缝，这样会有出现微裂纹的危险。

3 检验及结果

3.1 外观及力学性能检查

焊接完成后进行了外观检查和射线检测，结果均合格；无损检验后，对焊缝进行了力学性能检测，具体数据见表5 ～8。

表5 拉伸试样数据表

表6 弯曲试样数据表

表7 硬度测试数据表

表8 冲击试验数据表

3.2 金相检验、铁素体测量

宏观金相检验，无未熔合、无焊透、无裂纹等缺陷，结果合格。

晶间腐蚀试验，参照标准ASTM A923 C 法对试样进行腐蚀试验。

试验条件：78-2t-40±1℃恒温水浴T=24H。

腐蚀介质： 三氯化铁水溶液＋少量盐酸PH=1.3V>20mL/cm2。

试样尺寸：49.8×25.7×4.5(mm)（带有焊缝）。试样失重：腐蚀前（g)44.9347;腐蚀后（g)44.9342。

腐 蚀 率（Corrosion Rate):CR=1.54(mg·dm-2·dr-1)<10mdd。

晶间腐蚀结果合格。

铁素体测定：参照标准ASTM A923 C 法。

对焊缝上部，距离上端1mm，放大倍数400x，铁素体面积含量约为58%，见图1。

图1 焊缝上部，距离上端1mm

对焊缝中心铁素体检测，放大倍数400x，铁素体面积含量约为56%，见图2。

图2 焊缝中心

对底部焊缝，距离下端1mm，放大倍数400x，铁素体面积含量约为59%，见图3。

图3 焊缝底部，距离底部1mm

对左侧热影响区近熔合线下端1mm，放大倍数700x，铁素体面积含量约为58%，见图4。

图4 左侧热影响区，近熔合线下端1mm

对右侧热影响区近熔合线下端1mm，放大倍数700x，铁素体面积含量约为56%，见图5。

图5 右侧热影响区，近熔合线下端1mm

由以上试验数据可以看出，铁素体含量都没有超过60%，铁素体含量合格。

4 结语

焊缝、热影响区的铁素体含量在50%～60%，奥氏体分布较为均匀，力学性能、腐蚀性能、冲击韧性、硬度测试均合格，可见采用上述焊接方法以及所选用的工艺参数可以得到良好力学性能、腐蚀性能、冲击韧性的焊接接头。