常清芝

中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

1 序言

20世紀(jì)70年代以來(lái)雙相不銹鋼作為耐局部腐蝕的結(jié)構(gòu)材料，其應(yīng)用和開(kāi)發(fā)極其迅速，不論作為耐中性氯離子的應(yīng)力腐蝕材料、耐氯化物的孔蝕與縫隙腐蝕材料等的腐蝕疲勞材料，還是在其他別的方面，雙相不銹鋼憑借其組織結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，已取代了304L、316L，甚至904L等奧氏體不銹鋼。隨著工業(yè)的發(fā)展，雙相不銹鋼被廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備、海水與廢水處理設(shè)備、輸油輸氣管線、造紙機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，近年來(lái)也被研究用于橋梁承重結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，發(fā)展前景良好。在排氣、輸水、廢氣與廢液處理等工程中，由于服役環(huán)境嚴(yán)苛，所以對(duì)材料局部耐蝕性要求很高，國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目使用X2CrNiMoCuN25-6-3雙相不銹鋼用于這些系統(tǒng)并與奧氏體不銹鋼進(jìn)行連接。

2 雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼的焊接性

雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的差異主要體現(xiàn)在組織結(jié)構(gòu)上。雙相不銹鋼由鐵素體和奧氏體兩相組成，因此其性能便同時(shí)兼具鐵素體和奧氏體不銹鋼的性能特性，即將鐵素體不銹鋼強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕等特點(diǎn)與奧氏體不銹鋼所具有的良好韌性和焊接性相結(jié)合。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕明顯提高。

X2CrNiMoCuN25-6-3雙相不銹鋼其在歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 10216-5—2021[1]中鋼號(hào)編碼是1.4507（以下稱(chēng)1.4507）；其在海水和其他含氯化物環(huán)境下具有出色的耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，臨界點(diǎn)蝕溫度超過(guò)50℃，延展性和沖擊強(qiáng)度在室溫和零度以下的溫度結(jié)合耐磨性高，耐侵蝕和汽蝕。1.4507與奧氏體不銹鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 1.4507與奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

從表1中可以看出，雙相不銹鋼1.4507為高Cr低Ni鋼，且N、Mo含量也明顯高于奧氏體不銹鋼。Cr、Mo、N是影響鋼點(diǎn)蝕性能的主要元素。按照耐孔蝕當(dāng)量指數(shù)（PREN）評(píng)價(jià)綜合耐蝕性能，其值越高，抗局部孔蝕能力越強(qiáng)。

由此可知，在抗腐蝕方面，特別是介質(zhì)環(huán)境比較惡劣的條件下，其耐縫隙腐蝕、點(diǎn)蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能也優(yōu)于奧氏體不銹鋼。1.4507雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 1.4507雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能

由表2可以看出，1.4507力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于奧氏體不銹鋼，其屈服強(qiáng)度高于奧氏體不銹鋼一倍以上，抗拉強(qiáng)度也明顯高于奧氏體不銹鋼。

雙相不銹鋼1.4507與奧氏體不銹鋼一樣，對(duì)焊接方法的選擇沒(méi)有特殊要求，一般焊接方法都可以選用。兩者不足之處：一是奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性較大；二是雙相不銹鋼1.4507焊接接頭因σ相的析出，會(huì)使接頭脆化，性能變差。因此焊接時(shí)盡量選用小的熱輸入。

雙相不銹鋼1.4507與奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 15608—2005[3]鋼分組原則屬于異種鋼焊接。因成分、組織、性能的差異，異種鋼在焊接高溫作用下，會(huì)發(fā)生有別于同種鋼焊接特點(diǎn)。主要體現(xiàn)在以下幾方面：①接頭中存在化學(xué)成分的不均勻性：接頭金屬成分是由填充金屬成分、母材金屬成分及其熔合比所確定。雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的物理性能存在差異（見(jiàn)表3[4]），在相同熱量作用下，其兩側(cè)母材熔化金屬量不同。焊接時(shí)在稀釋作用下，熔敷金屬和母材熔化區(qū)的成分發(fā)生變化，這就導(dǎo)致焊縫-母材、焊縫-焊縫本身的成分不均勻。成分差異越大，不均勻性也越大。②接頭熔合區(qū)組織的不均勻性：雙相不銹鋼中含有大量鐵素體，而奧氏體不銹鋼鐵素體含量很少，在焊接熱循環(huán)以及成分不均勻的雙重作用下，接頭內(nèi)各區(qū)域形成不同組織結(jié)構(gòu)，甚至個(gè)別區(qū)域還會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。③性能不均勻：成分、組織差異，導(dǎo)致性能的差異。例如：雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼Cr、Ni含量差距會(huì)造成碳遷移，形成增脫碳層，使接頭高溫持久強(qiáng)度和塑性降低。④應(yīng)力狀態(tài)不均勻：雙相不銹鋼熱膨脹系數(shù)比奧氏體不銹鋼系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)不同引起塑性區(qū)域不同，產(chǎn)生應(yīng)力就不同。

表3 雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼物理常數(shù)

3 焊接中出現(xiàn)的問(wèn)題及預(yù)防措施

因接頭組織、成分、性能、應(yīng)力不均勻性的影響，接頭易出現(xiàn)下述焊接缺陷。

3.1 焊接接頭脆化

在焊接過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)嶙饔孟?，由于高Cr、Mo含量的影響以及組織特性鐵素體相的影響，所以?shī)W氏體-鐵素體相界和鐵素體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)σ相，造成脆化。與此同時(shí)，鐵素體相在一定溫度范圍內(nèi)是不穩(wěn)定的，會(huì)析出對(duì)接頭塑性、韌性和抗腐蝕性有害的高鉻碳化物、金屬間化合物以及σ相，從而使接頭性能變差，易脆變，因此需采取以下措施進(jìn)行控制。

1）焊接工作溫度控制在250℃以下[2]。

2）選用利于奧氏體穩(wěn)定的Ni、N含量高的焊材，以促進(jìn)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，但是N含量不能超過(guò)0.035%，這是因?yàn)檫^(guò)高的N含量可能促使焊縫中氣孔的形成。

3）控制冷卻速度。由于冷卻速度快會(huì)導(dǎo)致鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變被遏制，鐵素體含量增高，因此應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行緩慢冷卻。

3.2 熱裂紋

焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的原因主要有：①奧氏體不銹鋼與雙相不銹鋼相比，線膨脹系數(shù)大，在局部加熱和冷卻條件下，接頭處熱脹冷縮易形成較大的拉應(yīng)力。②奧氏體不銹鋼易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶組織，促使形成晶間液膜。③有害元素S、P等易形成低熔點(diǎn)共晶成分。④元素遷移，碳化鉻等金屬化合物的大量析出偏聚，導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生。

為防止裂紋的產(chǎn)生，可采取如下措施。

1）控制材料（母材、焊材）中的C、S、P等有害元素的含量。

2）選用小的焊接熱輸入。

3）層間溫度不宜過(guò)高。

4）選擇合理的焊接接頭形式和焊接順序，以便減小焊接應(yīng)力。

5）選用高M(jìn)o焊材。

4 焊接工藝試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)存在φ60.3m m×3.2m m、φ33.4m m×2.6mm、φ21.3mm×2.6mm、φ13.7mm×2.6mm 4種規(guī)格焊道，按照覆蓋原則選取規(guī)格為φ33.4mm×2.6mm、φ13.7mm×2.6mm進(jìn)行工藝試驗(yàn)。這里以規(guī)格為φ33.4mm×2.6mm雙相不銹鋼1.4507和奧氏體不銹鋼1.4404為例，進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)說(shuō)明。

4.1 焊接方法的選擇

由于現(xiàn)場(chǎng)為小管徑薄壁厚坡口，TIG焊具有低電流下電弧穩(wěn)定，焊縫成形良好，焊接熔池易于控制等特點(diǎn)，便于單面焊雙面成形，因此采用TIG焊接方法。

4.2 焊材的選擇

正確選擇焊接材料是異種鋼焊接的關(guān)鍵，為此根據(jù)母材性能，參考ANSI AWS A5.9[5]標(biāo)準(zhǔn)初步選擇ER309L焊絲。選用的ER309L焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能應(yīng)符合ANSI AWS A5.9[5]和RCC-M 2007[6]標(biāo)準(zhǔn)要求，詳見(jiàn)表4、表5。

表4 ER309L焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) ） （%）

表5 ER309L焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

4.3 材料的準(zhǔn)備

按照BS EN 10216-5—2021[1]要求選用母材材料，試件長(zhǎng)度應(yīng)≥150mm，工藝評(píng)定理化試驗(yàn)要求進(jìn)行拉伸、彎曲、金相檢測(cè)等，因此試件截取的數(shù)量應(yīng)滿足理化試驗(yàn)的取樣要求，至少8個(gè)試件。焊接前對(duì)焊縫及相鄰區(qū)域的母材所有表面進(jìn)行徹底清理，去除表面污垢和油脂，焊縫粗糙的邊緣應(yīng)用細(xì)磨光機(jī)打磨。

4.4 坡口準(zhǔn)備

坡口加工應(yīng)采用機(jī)械加工制備。由于金屬焊接時(shí)，焊接熔池具有流動(dòng)性差、黏滯性強(qiáng)和熔透深度較小特性，為保障焊縫全焊透，并無(wú)燒穿的危險(xiǎn)，同時(shí)方便焊工更好地控制電弧以及焊接熔池和熔渣的流動(dòng)，所以坡口角度應(yīng)足夠?qū)挕＞唧w坡口尺寸如圖1所示。

圖1 坡口形式

4.5 焊接參數(shù)的選擇

雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼焊接時(shí)參數(shù)選擇應(yīng)嚴(yán)格遵循控制工作溫度和熱輸入要求，初步擬定的焊接參數(shù)見(jiàn)表6，焊道如圖2所示。

表6 焊接參數(shù)

圖2 焊道示意

4.6 焊接

規(guī)格為φ33.4mm×2.6mm的異種鋼管道TIG焊接，采用對(duì)接雙層焊（1層打底+1層填充蓋面），保護(hù)氣體為99.99%Ar。焊接時(shí)需注意控制層間溫度和熱輸入，冷卻時(shí)需適當(dāng)緩冷。實(shí)際的焊接參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 實(shí)際的焊接參數(shù)

5 焊接接頭試驗(yàn)

5.1 無(wú)損檢測(cè)

焊接完成的試件要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，包括外觀檢測(cè)、液體滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)，并符合RCCM 2007[6]標(biāo)準(zhǔn)的要求，見(jiàn)表8。

表8 無(wú)損檢測(cè)

5.2 理化檢驗(yàn)

理化性能檢驗(yàn)包括化學(xué)成分分析、彎曲試驗(yàn)（面彎、背彎）、橫向拉伸試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果符合RCCM 2007[6]標(biāo)準(zhǔn)要求，見(jiàn)表9。

表9 理化檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)采用三氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕，焊接接頭宏觀金相、微觀金相如圖3～圖6所示。從圖中可以看出，焊縫與母材熔合良好，未見(jiàn)顯微裂紋和沉淀物。

圖3 宏觀金相

圖4 焊縫組織

圖5 1.4404側(cè)熔合線附近顯微組織

圖6 1.4507側(cè)熔合線附近顯微組織

6 結(jié)束語(yǔ)

1）實(shí)踐證明，對(duì)于雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼異種鋼焊接，選用ER309L不銹鋼焊絲焊接是可行的，并且所選擇的焊接參數(shù)能確保接頭焊縫的各項(xiàng)性能滿足技術(shù)要求，保障了焊接接頭的質(zhì)量。同時(shí)為新材料的工藝試驗(yàn)積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

2）嚴(yán)格控制焊接參數(shù)、合理控制熱輸入、適當(dāng)?shù)鼐徛鋮s，可以使焊接接頭具有良好的接頭組織，無(wú)有害金屬沉淀物生成。