双相不锈钢的焊接性分析Word文档格式.docx
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Uranus50
芬兰
0.04
21.5
6.5
1.5
Cu:
1.0
-2.0
第2代
SAF2205
22.0
5.5
3.0
≤0.8
DP-3
日本
25.0
3.5
W:
0.4
-
0.20
-0.80
08X21H6M2T
俄罗斯
≤0.08
21.0
7.5
2.0
Ti:
0.2-0.4
0Cr21Ni5Ti
中国
0.06
5.8
5
第3代
SAF2507
25.5
7.0
4.5
0.50
DP-3W
7.6
0.80
0Cr26Ni5Mo3
26.5
5.0
≤1.5
≤1.0
（2）具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。
应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。
（3）在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，在一些介质中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。
（4）具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。
（5）比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。
（6）不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。
1.2.与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下
（1）综合力学性尤其是塑韧性，不象铁素体不锈钢那样对脆性敏感。
（2）除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。
（3）冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。
（4）焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。
（5）应用范围较铁素体不锈钢宽。
1.3我国双相不锈钢的应用
双相不锈钢是根据石油化工中强酸强碱造成的局部点蚀、应力腐蚀以及孔穴式腐蚀现象，一般不锈钢难以胜任的容器、管道以及零部件等而研制的，但由于双相不锈钢除具有很强的各类抗腐蚀性能之外，还具有很好的强度和韧性，为此，在一般民用工程和能源交通方面也逐步得到越来越多的应用，如桥梁、飞机、船舶、汽车以及沿海城市和化工区的装饰建筑等。
在石油化工和天然气工业等得到了广泛的应用。
2双相不锈钢的特性
2.1双相不锈钢的分类
第一类属低合金型，代表牌号UNSS32304（23Cr-4Ni-0.1N），钢中不含钼，PREN值为24-25，在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。
第二类属中合金型，代表牌号是UNSS31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N）,PREN值为32-33，其耐蚀性能介于AISI316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间。
第三类属高合金型，一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨，标准牌号UNSS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值为38-39，这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。
第四类属超级双相不锈钢型，含高钼和氮，标准牌号UNSS32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N）,有的也含钨和铜,PREN值大于40,可适用于苛刻的介质条件,具有良好的耐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相媲美。
2.2双相不锈钢的基本特点
2.2.1概念解析
双相不锈钢（DuplexStainlessSteel，简称DSS），指铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。
2.2.2诞生和发展
双相不锈钢从20世纪40年代在美国诞生以来，已经发展到第三代。
它的主要特点是屈服强度可达400-550MPa，是普通不锈钢的2倍，因此可以节约用材，降低设备制造成本。
在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水，氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏体不锈钢媲美。
由于两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，正是这些优越的性能使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展迅速，80年代以来已成为和马氏体型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。
2.2.3双相不锈钢的化学性分析
（1）常用双相不锈钢理化性能指标比较
C≤
Mn≤
Si≤
S≤
P≤
Cr≤
Cu≤
N
S32750（SAF2507）
00Cr25Ni7Mo4N
1.20
0.8
0.020
0.035
24.0/26.0
6.0/8.0
3.0/5.0
0.24/0.32
S31803（SAF2205）
00Cr22Ni5Mo3N
2.00
0.030
21.0/23.0
4.50/6.50
2.50/3.50
0.08/0.20
S31500（3RE60）
00Cr18Ni5Mo3Siz
1.2/2.00
1.4/2.00
18.0/19.0
4.25/5.25
2.50/3.00
0.05/0.10
（2）机械性能比较
项目
σb（Mpa）≥
σs（Mpa≥）
δ%
≥
硬度
布氏
洛氏
800
550
15
310
32
S31803.（SAF2205）
620
450
25
290
30.5
630
440
30
2.2.4双相不锈钢性能的热处理影响因素
（1）合金元素和冷却速度
实验和理论计算表明：
临界区加热后获得双相组织所需的临界冷却速率与钢中锰含量具有一定关系。
其根钢中存在的合金元素，就可估算获得双相组织所需要的临界冷却速率，为热处理双相钢生产时，选择适当的冷却方法提供依据。
当钢的化学成分一定时，应在保证获得双相组织的前提下，尽可能采用较低的冷却速度，使铁素体中的碳有充分的时间扩散到奥氏体中，从而降低双相钢的屈服强度，提高双相钢的延性。
如果钢中合金元素含量较4，临界冷却速度过高，冷却后铁素体中含有较高的固溶碳，不利于获得优良性能的双相钢，这时应改变钢的化学成分，增加钢中的合金元素含量，从而降低临界冷却速度，或者在双相钢的生产工艺中，加入补充回火工序，降低铁素体中的固溶碳，改善双相钢的性能。
如果钢中含有强的碳化物形成元素，当估算临界冷却速率时，应考虑到这些元素对临界区加热时所形的奥氏体淬透性和有利影响，V和Ti的碳化物粒子可以通过相界面的钉扎作用提高奥氏体的淬透性，降低临界冷却速度.
（2）两阶段冷却工艺
当钢中合金元素含量较低时，冷却速度较慢会得到铁素体加珠光体组织；
冷却速度较快时，则铁素体中保留固溶碳较高，不利于降低屈服强度和提高延性。
采用两阶段冷却可以改善双相钢的性能，即从临界区加热温度缓冷到某一温度，然后快冷。
缓冷可以使铁素体中的碳向未转变的奥氏体富聚。
而快冷则可以避免未转变的奥氏体等温分解，保证获得所需的双相组织和性能。
例如0.08%C-1.4%Mn钢，从800℃;
加热到水冷的力学性能为：
σ0.2=365PMa，σb=700MPa，σ0.2/σb=0.52，eu=18%，et=21%。
如采用两阶段冷却工艺，即在800℃;
加热后，空冷到600℃;
，然后水冷，其性能为：
σ0.2=280MPa，σb=600MPa，σ0.2/σb=0.47，eu=21%，et=29%。
两阶段冷却使双相钢的屈服强度降低，延性提高。
（3）双相钢板热轧后盘卷温度的影响
对于一个给定成分的钢，临界区加热时奥氏体的淬透性可以通过钢板热轧后高温卷来修正。
高温盘卷可使碳、锰等合金元素在第二组（珠光体或贝氏体）中明显富集。
有利提高随后临界区处理时双相钢的综合性能。
以0.049%C-1.99%Mn-0.028%Al-0.0019%N钢的试验结果为例，采用两种工艺过程：
一种为普通扎制工艺，终轧温度900℃;
→油冷到600℃;
盘卷→吹风冷到室温→冷轧70%→连续退火。
两种盘卷工艺的碳和锰分布的分析结果可见高温盘卷可使碳和锰在第二相中明显富集，而普通的轧制工艺锰基本无富集趋势。
用高温盘卷以修正合金含量较低的钢在随后临界区处理时的淬透性，并降低热处理双相钢的屈服强度，提高其延性的技术，已在有关工厂用于热处理双相钢的生产，所得到的热处理双相钢板综合性能良好，板材各部位的性能均匀，纵向、横向性能一致。
例如对0.09%C-0.44Si-1.54%Mn-0.023%Al钢。
32205双相不锈钢的主要性能特点
（1）含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。
一般18-8型奥氏体不锈钢在60°
C以上中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀断裂，在微量氯化物及硫化氢工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等设备都存在着产生应力腐蚀断裂的倾向，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。
（2）含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。
在具有相同的孔蚀抗力当量值（PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%）时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。
双相不锈钢与奥氏体不锈钢耐孔蚀性能与AISI316L相当。
含25%Cr的，尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISI316L。
（3）具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。
在某些腐蚀介质的条件下，适用于制作泵、阀等动力设备。
（4）综合力学性能好。
有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍。
固溶态的延伸率达到25%，韧性值AK（V型槽口）在100J以上。
（5）可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后不需热处理，可与18-8型奥氏体不锈钢或碳钢等异种焊接。
（6）含低铬（18%Cr）的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽，抗力小，可不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。
含高铬（25%Cr）的
双相不锈钢热加工比奥氏体不锈钢略显困难，可以生产板、管和丝等产品。
（7）冷加工时比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承受变形初期，需施加较大应力才能变形。
（8）与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作设备的衬里和生产复合板。
也适合制作热交换器的管芯，换热效率比奥氏体不锈钢高。
（9）仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于300°
C的工作条件。
双相不锈钢中含铬量愈低，σ等脆性相的危害性也愈小。
42205双相不锈钢的焊接性分析
4.1焊接特性
双相不锈钢具有良好的焊接性能，与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比，它既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区，由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低，也不像奥氏体不锈钢那样，对焊接热裂纹比较敏感。
双相不锈钢由于其特殊的优点，广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域，近年来也被研究用于桥梁承重结构领域，具有很好的发展前景。
4.22205双相不锈钢的焊接特点
2205双相不锈钢在正常固溶处理（1020℃～1100℃加热并水冷）后,钢中含有大约50%～60%奥氏体和50%～40%铁素体组织。
随着加热温度的提高，两相比例变化并不明显。
2507双相不锈钢具有良好的低温冲击韧性，如20mm厚的板材横向试样在-80℃时冲击吸收功可达100J以上。
在大多数介质中其耐均匀腐蚀性能和耐点腐蚀性能均较好，但要注意，该类钢在低于950℃热处理时，由于σ相的析出，其耐应力腐蚀性能将显著变坏。
由于该钢Cr当量与Ni当量比值适当，在高温加热后仍保留有较大量的一次奥氏体组织,又可使二次奥氏体在冷却过程中生成,结果钢中奥氏体相总量不低于30%～40%因而使钢具有良好的耐晶间腐蚀性能。
在焊接这种钢时裂纹倾向很低，不须预热和焊后热处理。
由于母材中含有较高的N，焊接近缝区不会形成单相铁素体区，奥氏体含量一般不低于30%。
适用的焊接方法有钨极氩弧焊和焊条电弧焊等，一般为了防止近缝区晶粒粗化，施焊时，应尽量使用低的线能量焊接。
4.3双相不锈钢的焊接要求和局限性
（1）需要对相比例进行控制，最合适的比例是铁素体相和奥氏体相约各占一半，其中某一相的数量最多不能超过65%，这样才能保证有最佳的综合性能。
如果两相比例失调，例如铁素体相数量过多，很容易在焊接HAZ形成单相铁素体，在某些介质中对应力腐蚀破裂敏感。
（2）需要掌握双相不锈钢的组织转变规律，熟悉每一个钢种的TTT和CCT转变曲线，这是正确指导制定双相不锈钢热处理，热成型等工艺的关键，双相不锈钢脆性相的析出要比奥氏体不锈钢敏感的多。
（3）双相不锈钢的连续使用温度范围为-50～250℃，下限取决于钢的脆性转变温度，上限受到475℃脆性的限制，上限温度不能超过300℃。
（4）双相不锈钢固溶处理后需要快冷，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。
（5）高铬钼双相不锈钢的热加工与热成型的下限温度不能低于950℃，超级双相不锈钢不能低于980℃低铬钼双相不锈钢不能低于900℃，避免因脆性相的析出在加工过程造成表面裂纹
（6）不能使用奥氏体不锈钢常用的650-800℃的消除应力处理，一般采用固溶退火处理。
对于在低合金钢的表面堆焊双相不锈钢后，需要进行600-650℃整体消应处理时，必须考虑到因脆性相的析出所带来的韧性和耐腐蚀性，尤其是耐局部腐蚀性能的下降问题，尽可能缩短在这一温度范围内的加热时间。
低合金钢和双相不锈钢复合板的热处理问题也要同此考虑。
（7）需要熟悉了解双相不锈钢的焊接规律，不能全部套用奥氏体不锈钢的焊接，双相不锈钢的设备能否安全使用与正确掌握钢的焊接工艺有很大关系，一些设备的失效往往与焊接有关。
关键在于线能量和层间温度的控制，正确选择焊接材料也很重要。
焊接接头（焊缝金属和焊接HAZ）的两相比例，尤其是焊接HAZ维持必要的奥氏体数量，这对保证焊接接头具有与母材同等的性能很重要。
（8）在不同的腐蚀环境中选用双相不锈钢时，要注意钢的耐腐蚀性总是相对的，尽管双相不锈钢有较好的耐局部腐蚀性能，就某一个双相不锈钢而言，他也是有一个适用的介质条件范围，包括温度、压力、介质浓度、pH值等，需要慎重加以选择。
从文献和手册中获取的数据很多是实验室的腐蚀试验结果，往往与工程的实际条件有差距，因此在选材时需要注意，必要时需要进行在实际介质中的腐蚀试验或是现场条件下的挂片试验，甚至模拟装置的试验。
4.5焊接中可能存在的问题
（1）SAF2205双相钢的δ相脆化
在Fe-Cr二元合金中，δ相中含Cr约为25%，形成温度为520-820℃，有很多合金元素可置换δ相中的Fe和Cr原子，从而使δ相生成于稳定的温度区间和几率增大。
δ相析出主要在相中进行，如果δ相含有较多的Mo时，即可提高δ稳定存在温度区，又能加速δ相的析出过程。
高铬双相不锈钢容易产生δ相脆化现象。
表3-1双相不锈钢固溶处理及σ相和475.C脆性的温度范围
内容
2205双相钢及
2507等
超级双相钢
00Cr25Ni7Mo3CuN等
固溶处理温度/。
1040
1025-1100
在空气中加热
起皮温度/。
1000
δ相形成温度/。
600-1000
475.C脆化温度/。
300-525
（2）焊接接头的氢脆和氢致裂纹
双相不锈钢凝固结晶为单相铁素体，但是一般的拘束条件下，焊缝金属的热裂纹很小。
当δ/γ适当时，冷裂纹敏感性也较低，但双相不锈钢中毕竟含有较高的δ相，当拘束度较大及焊缝金属含氢量较高时，还存在氢致裂纹的危险。
通过对模拟焊接热影响区的试棒研究了双相不锈钢的氢脆与显微组织之间的关系，并采用断裂应变评定了氢脆敏感性，结果表明氢脆主要发生于δ相，而且氢脆的敏感性随峰值温度的升高而增加。
（3）焊接接头的应力腐蚀开裂
从双相不锈钢应力与断裂时间的延迟破坏之间的关系可知，母材的临界应力达到破坏应力的90%，氢脆应力腐蚀开裂的敏感性很低，焊缝金属的临界应力为破坏应力的70%，相当于δ0.2的95%，由于焊缝周围的残余应力可以超过δ0.2，因此焊接接头容易产生腐蚀开裂。
（4）焊接接头的点蚀
由于冷却速度对点蚀点位的影响较为显著，因此，同样的含N量在冷却速度不同的条件下点蚀电位相差很大。
由此可见，含N量较低的双相不锈钢的点蚀电位对冷却速度很敏感，在焊接含N量较低的双相不锈钢时对冷却速度的控制要求更严。
52205双相不锈钢的焊接工艺
为了取得良好的焊接质量,焊接人员应掌握双相钢的焊接特点和注意事项,另外从腐蚀的角度来看,焊接接头总是不锈钢结构的最薄弱环节,实际上管道最终的耐蚀水平是由焊工决定的,为了尽可能的取得良好的结果,焊接操作过程应当遵守一些基本规则。
5.1焊接准备
5.1.1焊机的准备
采用美国米勒公司的（Syncrowave250）钨极氩弧焊机。
焊接不锈钢时采用（GTAW）焊直流正接（DCEN），电极为负极，工件为正极。
电极采用￠2.4mm2%钍钨极（AWS5.12规范EWTh-2类别）通过将电极（钨棒）磨成顶角为25～30°
来控制电弧。
5.1.2工艺制作
等离子和激光切割双相不锈钢采用与奥氏体不锈钢同样的加工方法，用等离子切割设备进行常规加工。
坡口加工双相不锈钢的接头设计必须有助于完全焊透，并避免在凝固的焊缝金属中存在未熔合的母材。
坡口最好切削加工而不采用等离子切割和砂轮打磨。
5.1.3焊前清理
焊前工件坡口两边100mm范围内用丙酮或酒精等清理干净。
5.1.4焊材的选择
对于焊条电弧焊，根据耐腐蚀性，接头韧性的要求即焊接位置，可选用酸性或碱性焊条。
采用酸性焊条时，脱渣优良，焊缝光滑，接头成形美观，但是焊缝金属的冲击韧性较低，于此同时，为了防止焊接气孔及焊接氢致裂纹需严格控制焊条中的含氢量。
当要求焊缝金属具有较高的冲击韧度，并需进行全位置焊接时，应采用碱性焊条。
另外，在根部封底焊时，通常采用碱性焊条，当对焊缝金属的耐腐蚀性能有特殊要求时，还应采用双相不锈钢成分的碱性焊条。
对于实芯气体保护焊焊丝，在保证焊接金属具有良好的耐腐蚀性与力学性能的同时，还应注意其焊接工艺性能。
对于药芯焊丝，当要求焊缝光滑，接头成形美观时，可采用金红石型或钛-钙型药芯焊丝。
当要求较高的冲击韧度或在较大的拘束条件下焊接时，宜采用碱度较高的药芯焊丝。
对于埋弧焊焊丝，宜采用直径较小的焊丝，实现中小焊接规范下的多层多道焊，以防止焊接热影响区的脆化，与此同时，应采用配套的碱性焊剂，以防止焊接氢致裂纹。
焊接材料要选用比母材含镍量高的双相钢焊材,确保焊缝中奥氏体相占优势,焊缝铁素体含量控制在30%～45%为宜。
氩弧焊采用ER2209双相焊丝
ER2209双相焊丝熔敷金属化学成分（%）
化学成分
保证值
0.01
0.41
1.7
23.4
8.9
3.2
0.15
铁素体含量50FNWRC-92
ER2209双相焊丝熔敷金属力学性能
性能
典型值
最小值
屈服强度
550N/mm2
450N/mm2
抗拉强度
770N/mm2
延伸率
30%
20%
手工电弧焊采用E2209双相不锈钢焊条，盖焊条的主要说明是：
JQ.S2215是碱型药皮的超低碳双相不锈钢焊条，熔敷金属中含有40%-50%的铁素体，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，特别是具有可靠的耐氯化物腐蚀性能和高的耐点蚀性能。
采用直流反接,可全位置焊接。
S
P
Cu
≤
~2.0
0.90
0.75
8.5
~10.5
2.5
~3.5
~23.5
0.08
~0.20
试验项目
拉伸（MPa）
延伸率A（%）
≥690
≥20
5.2焊接工艺
焊接工艺的制定应根据母材与焊材的可焊性来选择适当的焊接工艺规范。
对于双相不锈钢来说，用（GTAW）焊接，通常使用填充金属为镍合金元素含量稍高的金属填充。
定位焊时，背面应采用气体保护，每处长度不小于是15mm，电源极性采用直流正极（DCEN），第一层使用单道焊，二至七层采用多道焊，层间温度限于150℃以下范围内，以使后续焊道的热影响区有足够时间冷却。
5.2.1层间温度
双相不锈钢能够承受相对高的热输入，焊缝金属凝固后的双相组织的抗裂性优于奥氏体不锈钢焊缝金属。
控制层间温度主要目的是为了防止450～850℃停留时间太长，可能会产生晶间腐蚀和热影响区的问题。
所以层间温度限于150℃以下可被面产生晶间腐蚀和提高热影响区的耐腐蚀性和韧性。
5.
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