朱濤

SAF2205雙相不銹鋼管焊接工藝研究

朱濤

（中國能源建設(shè)集團江蘇省電力建設(shè)第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 443112）

對SAF2205不銹鋼管的焊接材料、填充材料、保護氣體、焊接方法和設(shè)備、層間溫度、焊接熱輸入、保護措施、操作要點、難點分析和檢驗要求進行了分析，總結(jié)了SAF2205雙相不銹鋼管的一種焊接方法，并提供了檢驗標準，以期為相關(guān)焊接工作提供參考。

雙相不銹鋼；焊接；工藝研究；SAF2205

雙相不銹鋼誕生于20世紀40年代的美國，當今使用的雙相不銹鋼已經(jīng)是第三代產(chǎn)品，因其卓越的性能被廣泛用于化工、核電、造紙、石油、化肥、煉油等行業(yè)的熱交換器、冷淋器和器件的制作。雙相不銹鋼管根據(jù)化學性能分成Cr18、Cr23、Cr22和Cr25四類，其中Cr25又可以分為超級雙相不銹鋼型和普通型，在實際使用中使用較多的是Cr25和Cr22，主要型號為SAF2304、SAF2205和SAF2507。SAF2205雙相不銹鋼管作為雙相不銹鋼管諸多型號中的一種，具有良好的力學性能和耐腐蝕性能，在當前具有廣泛的使用前景，但是由于其固溶組織中奧氏體和鐵素體各占一半，因此它同時具有奧氏體和鐵素體的特點，與鐵素體相比，它具有更強的韌性，室溫脆性被消除，導熱系數(shù)高且熱膨脹系數(shù)比較小，最重要的是擁有卓越的耐腐蝕能力，大大拓展了雙相不銹鋼管的使用范圍。但是，出廠時的尺寸遠遠無法滿足實際使用的需求，因此必須對其進行焊接，而其焊接工藝要求特別嚴格，如果控制不好就會使其焊接處奧氏體和鐵素體的比例失調(diào)，從而失去其卓越的特性而使綜合性能下降。雙相不銹鋼管在實際的生產(chǎn)和使用中的種類較多，而其中最常用的是SAF2205雙相不銹鋼管。

1 焊接材料

試驗用的雙相不銹鋼管材為浙江益宏不銹鋼有限公司生產(chǎn)的SAF2205雙相不銹鋼管，其主要化學成分為N（0.13%～0.20%）、Cr（22%～22.8%）、Ni（4.5%～6%），力學性能屈服強度大于等于450 MPa，抗拉強度大于等于650 MPa。

SAF2205雙相不銹鋼管中含有鉬，因而具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗疲勞性能，能夠抵御氯化物的侵蝕，屈服強度是其他不銹鋼管的兩倍，因而在各個領(lǐng)域中具有廣闊的應用范圍和應用前景。

2 填充材料

在對雙相不銹鋼管進行焊接時會產(chǎn)生熱循環(huán)，而如果使用同樣的材料進行焊接，由于熱循環(huán)的作用，會使焊接處奧氏體伴隨著碳化物析出，致使含量急速下降，而焊接處的材料化學成分發(fā)生改變則其力學性能也會發(fā)生不可知的變化。一般來講，其屈服強度和抗拉強度會大幅下降，也更容易被腐蝕，那么如何應對這種情況呢？考慮到焊接時熱循環(huán)作用會使奧氏體大量析出，在篩選填充材料時，應選擇奧氏體含量大的材料，抑制焊接處因奧氏體大量析出而使鐵素體含量增高的問題，在此選用E2209—16焊條，其主要化學成分Cr約為22.95%、Ni約為8.67%、N約為0.16%。

3 保護氣體

電弧和背部保護氣體的選擇會極大影響焊接處的韌性和耐腐蝕性。在一般焊接中，人們會選擇Ar作為保護氣體，在雙相不銹鋼管焊接時也可以使用Ar作為保護氣體，但并不是最佳的選擇。在焊接過程中，純Ar作為保護氣體無法補充因焊接而流失的氮，如果想獲得最佳的焊接性能，需在保護氣體中添加氮元素。實驗數(shù)據(jù)表明，加入保護氣體含量的2%為最適合的量，可以及時補充焊接處流失的氮元素，進而防止奧氏體的大量析出。同時背面保護氣體也同樣重要，它影響著焊接處的抗拉強度和耐腐蝕性，在此選用98%的Ar和2%的N2作為保護氣體。

4 焊接方法和設(shè)備

TIG蓋面使用濟南金佳源焊接設(shè)備有限公司RSN2500型逆變焊機，MIG蓋面使用松下YD-500KR2HGE型焊機。在焊接方法上，使用等離子焊打底，用鎢極氬弧焊進行焊接，保證焊接面雙面成型，在焊接過程中應多次施焊，且每次焊接前溫度要控制在150 ℃以內(nèi)，且每次焊接都應將焊道清理干凈，控制好線能量。

5 層間溫度

在多層焊接時，SAF2205雙相不銹鋼管會在550～600 ℃中發(fā)生脆性斷裂，在800～900 ℃中鐵素體會出現(xiàn)σ脆化，由此可見鐵素體在高溫中極易處于不穩(wěn)定狀態(tài)，容易析出多種物質(zhì)，因此要獲得最佳的焊接效果，多層焊接雙相不銹鋼管的層間溫度應該在100 ℃以內(nèi)。

6 焊接熱輸入

焊接熱輸入會對熱影響區(qū)產(chǎn)生影響，焊區(qū)的硬度將隨著冷卻速率的增加而增加，而硬度決定焊接區(qū)域的韌性，冷卻速度過高或者過低都會使焊接區(qū)域的韌性降低，這是因為過高的溫度，使焊接處的氮元素析出，進而使奧氏體和鐵素體的比例失調(diào)，即上面所提到的奧氏體析出問題。熱輸入和冷卻速率會極大影響奧氏體和鐵素體之間的比例平衡，當熱輸入過低時，鐵素體的比例會偏高，當熱輸入過高時，鐵素體的比例會偏低，這兩者都會使焊接處的韌性降低，因此要獲得最佳的連接性能，必須將熱輸入控制在規(guī)程范圍內(nèi)，即使鐵素體含量置于40%～60%之間，保持在這個范圍內(nèi)可以使焊接處的性能達到最佳效果。

在SAF2205雙相不銹鋼管中，要獲得最佳的焊接效果，需先焊接可能接觸腐蝕介質(zhì)的焊縫，焊接過程中要多層焊接，將熱輸入量盡量控制在一定范圍內(nèi)，焊接時必須進行固溶處理。

7 保護措施

SAF2205雙相不銹鋼管的參數(shù)中耐腐性性能極佳，因此在實際使用中要充分利用雙相不銹鋼管的性能，就不能讓焊接處成為性能的“短板”，所以保持焊接環(huán)境的干凈十分重要，其他金屬、雜質(zhì)等物質(zhì)都會對不銹鋼管產(chǎn)生污染，進而使性能發(fā)生變化，在焊接的過程中應適當加裝保護罩來防止弧擊、滲碳等現(xiàn)象的發(fā)生。

在焊接不規(guī)則或者狹窄部位時首先進行打磨，打磨需使用不銹鋼專用磨光片，因為這些部位空間小，金屬流動性差，容易產(chǎn)生局部溫度過高、未熔合等問題，而提前打磨可以很好地將焊道鋪開，打磨的工具應使用清理好的不銹鋼工具，避免沾染其他合金材料或者鋼材，否則會對焊接部位產(chǎn)生 污染。

8 操作要點

需要清理時，必須使用不銹鋼工具進行清理，且在焊接的整個過程中，不銹鋼工具不得用于其他材料的清理，而且在每一次清理后都應對工具進行清理，保持工具干凈，且必須使用不銹鋼焊接專用地線夾。

在進行多層焊接時，前一層的溫度降低到100 ℃以下才可以繼續(xù)進行焊接，這一措施是為了加快焊縫的冷卻速度，避免出現(xiàn)δ相和475 ℃脆化，其實質(zhì)是減少焊縫的高溫時間，如果想盡快降溫，可使用白布沾上純凈水覆蓋在焊接管道的兩端，進而提高焊接效率。

在固定位置進行焊接時，要使用同等材料的卡塊，焊接完成后切除多余部分，這樣可以避免被焊接管道的損傷，焊接完成后還應進行打磨和清理。

9 難點分析

焊接的重點是焊接完畢后接口的材料化學組成必須與母材相同或者相近，這是保證成品能夠充分發(fā)揮SAF2205雙相不銹鋼材料力學性能和耐腐蝕的關(guān)鍵所在。

熱輸入要盡量保持在低幅度，其本質(zhì)是用較小的電量、較快焊接速度保持層間溫度控制在合理范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)脆化反應。

焊接接頭要保持干凈整潔，避免具有腐蝕性的介質(zhì)聚集在接頭處，所以在接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計時要盡量采用對接接頭，盡量避免橫向運輸，避免十字焊縫。

10 檢驗要求

焊接完成的成品要滿足ASTM 932標準要求，抗拉伸能力要滿足SPEC 5LC標準要求，并且要具有良好的抗彎曲性。

11 結(jié)語

SAF2205雙相不銹鋼管具有鐵素體和奧氏體不銹鋼材料所制成的不銹鋼管的優(yōu)點，與鐵素體相比，不銹鋼管具有更強的韌性、耐晶間腐蝕性和焊接性能，導熱系數(shù)高。與奧氏體相比，不銹鋼管具有更高的強度和更強的耐晶間、耐氯化物腐蝕性，在實際使用時具有廣闊的應用范圍和使用前景，被廣泛使用于輸油輸氣管線、石油化工設(shè)備、核電管道設(shè)備、造紙機械、海水與廢水處理設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域中，近年亦被用于橋梁承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。本文全面介紹了其中一種焊接工藝，介紹了雙相不銹鋼管的焊接方法，提出了操作中需要注意的要點和難點，對實際操作具有重要的參考意義。

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TG457.11

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.053

2095－6835（2020）08－0122－02

朱濤（1989—），男，土家族，湖北巴東人，大學本科，助理工程師，研究方向為焊接。

〔編輯：嚴麗琴〕