雙相不銹鋼焊接工藝研究

趙立強(qiáng)

摘要：由于焊接是加熱爐換熱管制造過程中的重要工序，因此對2205雙相不銹鋼焊接工藝的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;焊接工藝;研究

前 ?言

雙相不銹鋼已成為一種重要的工程材料，廣泛的應(yīng)用于石油、天然氣領(lǐng)域。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的綜合性能，如高強(qiáng)度，高抗熱裂性及耐腐蝕性等。全世界雙相不銹鋼產(chǎn)量的80%是2205雙相不銹鋼，隨著2205雙相不銹鋼在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用，油田內(nèi)部各采氣作業(yè)區(qū)也逐漸把這種具有雙相特性的不銹鋼材料用作于加熱爐內(nèi)部的換熱管，代替了傳統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)碳素鋼結(jié)構(gòu)。

一、雙相不銹鋼的性能分析

2205不銹鋼是一種含N的不銹鋼，與第一代雙相不銹鋼相比，其進(jìn)一步提高氮含量，增強(qiáng)在氯離子濃度較高的酸性介質(zhì)中的耐應(yīng)力腐蝕和抗點(diǎn)蝕性能。氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成元素，加入到雙相不銹鋼中，既提高鋼的強(qiáng)度且不顯著損傷鋼的塑韌性，又能抑制碳化物析出和延緩。根據(jù)研究和大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，母材含氮是非常重要的，氮在保證焊縫金屬和焊后熱影響區(qū)內(nèi)形成足夠量的奧氏體方面具有重要作用。氮和鎳一樣是形成奧氏體價(jià)和擴(kuò)大奧氏體元素，但是氮的能力比鎳大，可防止焊后出現(xiàn)單相鐵素體，并能阻止有害金屬相的析出。2205雙相不銹鋼的合金元素主要為Cr、Ni、Mo，其化學(xué)成分見表1。

2205雙向不銹鋼的力學(xué)性能與鋼的回火溫度有關(guān)，回火溫度越高，強(qiáng)度越低?；鼗饻囟葹?00℃時(shí)，屈服強(qiáng)度為450Mpa，抗拉強(qiáng)度為620Mpa，其力學(xué)性能見表2。與鐵素體不銹鋼相比，其韌性高，韌

脆轉(zhuǎn)變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時(shí)保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)高，膨脹系數(shù)小，具有超塑行等特性;而與奧氏體不銹鋼相比較，屈服強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度顯著提高，約為奧氏體不銹鋼的2倍，且耐晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等性能有明顯改善。氮在強(qiáng)化2205雙相不銹鋼中起著重要的作用，但氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.2%時(shí)，氮的間隙固溶強(qiáng)化使得奧氏體的強(qiáng)度大于鐵素體。增加鐵素體的含量，會導(dǎo)致沖擊韌性降低，也導(dǎo)致氮在鐵素體中的析出，生成氮化鉻。因?yàn)榈阼F素體中比在奧氏體中得溶解度低。而280-350℃區(qū)間過渡時(shí)效也會導(dǎo)致韌性降低。

二、焊接性能與工藝研究

焊接是一個(gè)冶金過程，2205雙相不銹鋼的焊接質(zhì)量，決定于其焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體和奧氏體含量的平衡和兩相組織的均與性。在焊接過程中，金屬從熔融到冷卻，從凝固點(diǎn)到1200℃為鐵素體組織：1200-800℃奧氏體從鐵素體中析出;800-475℃將可能有中間相析出。因此，焊接線能量的輸入大小，直接影響著焊縫和熱影響區(qū)中鐵素體的含量。線能量大小，不利于奧氏體析出;下能量太大，則會引起合金元素Cr、Ni、Mo的燒損，導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能下降、機(jī)械性能劣化，不能得到良好的相組織，更容易析出中間相。焊接熱循環(huán)的最高溫度和快速冷卻可促使雙相不銹鋼組織鐵素化，由于鐵素體含量的增加導(dǎo)致了沖擊韌性和耐腐蝕性降低。因此，選擇合適的焊接工藝參數(shù)十分重要。與奧氏體不銹鋼的焊接相比，2205雙相不銹鋼的焊接對污染更敏感，特別是對濕氣和水分，任何類型的油污、油脂和水分等污染都會影響材料的抗腐蝕性及力學(xué)性能，因此在焊接前要對材料嚴(yán)格清理。雙相不銹鋼的焊接接頭形式應(yīng)預(yù)先經(jīng)過充分地準(zhǔn)備，雙相不銹鋼可以采用較大線能量焊接，最大的層間溫度為150℃。在實(shí)際焊接中，必須保證層間溫度不高于工藝試驗(yàn)設(shè)定的層間溫度。當(dāng)焊接量很大時(shí)，應(yīng)合理地安排焊接順序以保證焊縫層間有足夠的冷卻時(shí)間，這樣既能保證層間溫度，又能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。焊后不必?zé)崽幚?，雙相不銹鋼在300-1000℃對溫度很敏感：在300-700℃進(jìn)行消除應(yīng)力處理會導(dǎo)致σ相析出而產(chǎn)生475℃脆化現(xiàn)象，引起韌性和抗腐蝕性降低：在700-1000℃進(jìn)行應(yīng)力消除處理，會導(dǎo)致金屬間化合物的析出，也會引起韌性和抗腐蝕性的降低。

三、結(jié)束語

在真空加熱爐盤管制造過程中，焊接工藝及其重要，決定產(chǎn)品整體的使用壽命、質(zhì)量和安全性，制定合理的焊接工藝具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，在工藝制定的過程中應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素。

1.2205雙相不銹鋼具有很強(qiáng)的強(qiáng)度，其延伸率小于奧氏體不銹鋼，因此，在焊縫組對過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制組對質(zhì)量，如果組對質(zhì)量不符合要求或強(qiáng)力組對，焊接完成后很難矯形，即使能夠矯形也會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，使力學(xué)性能弱化，抗腐蝕性能降低。

2.選擇合理的焊接線能量非常重要。當(dāng)采用很小線能量時(shí)，由于快速冷卻，焊接熱影響區(qū)和焊縫鐵素體含量偏高，對焊接接頭的力學(xué)性能和抗腐蝕性能不利;但過高的焊接線能量會導(dǎo)致合金元素的燒毀，冷卻太慢會使得中間項(xiàng)析出，引起項(xiàng)組織不平衡，同樣會對焊接接頭的力學(xué)性能和抗腐蝕性能不利。因此，通過調(diào)整焊接線能量輸入可以得到最佳的焊縫和焊縫熱影響區(qū)的性能。

3.2205雙相不銹鋼的焊接對污物非常敏感，任何類型的油污、油脂和水分等污染都會影響材料的抗腐蝕性及力學(xué)性能，因此在焊接前要對材料嚴(yán)格清理。