雙相不銹鋼S31803的焊接性研究

孫丹丹

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211188）

0 引言

S31803 是標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼，占雙相不銹鋼總量的80%以上。在生產(chǎn)中S31803 應(yīng)用很廣，尤其是在操作介質(zhì)為辛酸、氮氣、苯乙酮的設(shè)備中應(yīng)用很多，這些介質(zhì)具有中高度毒性和爆炸危險性，且設(shè)備的工作溫度一般較高，接近200℃，所以對焊縫的要求很高。基于S31803 在生產(chǎn)中應(yīng)用很廣且接觸的介質(zhì)使用條件惡劣，所以選擇S31803作為焊接母材來研究其焊接性具有廣泛的實踐意義。

1 雙相不銹鋼的性能分析

1.1 雙相不銹鋼的概況

圖1 雙相不銹鋼的組織

雙相不銹鋼是指金屬金相組織中既有奧氏體又有鐵素體且各占約50%的不銹鋼，其顯微組織如圖1 所示。雙相不銹鋼一般分為四種類型：Cr18 型、Cr21 型、Cr25 型及含Cr25%～26%的超級雙相不銹鋼。S31803 屬于Cr21 型。

1.2 材料特性

1）成分特點。雙相不銹鋼S31803 的成分如表1 所示?？梢钥闯鯯31803 的C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02%～0.03%之間，屬于超低碳；Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在23%～26%之間，屬于高Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 S31803 的成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

2）組織特點。雙相不銹鋼的組織由鐵素體和奧氏體兩相組成且獨立存在，一般最少相的含量應(yīng)大于15%，而實際工程中應(yīng)用的奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼多以奧氏體為基并含有不小于30%的鐵素體。S31803 就是兩相各約占50%的雙相不銹鋼。

3）性能特點。雙相不銹鋼由于兼?zhèn)淞顺吞?、室溫為鐵素體和奧氏體的雙相組織、Cr 含量高以及添加了Mo、N 等元素的特點，使其具有更高的耐應(yīng)力腐蝕、耐縫隙腐蝕、耐Cl-點腐蝕、耐晶間腐蝕、耐高速泥沙沖刷［1］等能力，具有較高的力學(xué)性能、較低的熱膨脹性能、較好的可焊性和較低的使用成本等優(yōu)點。S31803 的力學(xué)性能如表2 所示。

表2 S31803 的力學(xué)性能

2 焊接冶金

焊接過程中，雙相不銹鋼在熱循環(huán)的作用下，焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織發(fā)生了一系列的變化。在高溫下，雙相不銹鋼的金相組織全部由鐵素體組成，奧氏體則是在冷卻過程中析出的。

2.1 相分析

雙相不銹鋼從液相凝固后首先形成鐵素體組織，這一組織保留至鐵素體溶解度曲線的溫度，隨著溫度的降低開始生成奧氏體相，即在更低溫度下才發(fā)生鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，形成雙相組織。雙相不銹鋼的焊接熱影響區(qū)的組織變化取決于鋼種自身的化學(xué)成分和熱循環(huán)的狀態(tài)。當(dāng)Creq/Nieq＞2.0 時，隨比值的增大，鐵素體溶解度曲線溫度急劇下降，熱影響區(qū)鐵素體相的范圍隨之?dāng)U大；當(dāng)Creq/Nieq＞2.5 時，熔合線附近形成較寬的鐵素體單相區(qū)。由表1 得到：S31803 的Creq/Nieq=3.54，故焊接后其焊縫區(qū)域有較寬的鐵素體單向區(qū)。除成分影響外，焊接熱循環(huán)的參數(shù)，如加熱速度、高溫停留時間和通過相區(qū)的冷卻速度都會影響焊接熱影響區(qū)的組織變化。

2.2 相比例要求

雙相不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能取決于焊接接頭能否保持適當(dāng)?shù)南啾壤?，因此，焊接是圍繞如何保證其雙相組織進(jìn)行的。當(dāng)鐵素體和奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)各接近50%時，性能較好，接近母材的性能。改變這個比例關(guān)系，將使雙相不銹鋼焊接接頭的耐腐蝕性能和力學(xué)性能下降。雙相不銹鋼S31803 鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最佳值是45%。過低的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（＜25%）將導(dǎo)致強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降；過高的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（＞75%）會有損于耐腐蝕性和降低沖擊韌性。

2.3 相比例影響因素

焊接接頭中鐵素體和奧氏體的平衡關(guān)系既受到鋼中合金元素含量的影響，又受到填充金屬、焊接熱循環(huán)和保護(hù)氣體的影響。

1）合金元素的影響。合金元素的含量直接影響到雙相不銹鋼的相比例和有關(guān)性能。合金元素主要是Cr、Mo、N、Ni、W、Cu 等。其中Cr 是保證雙相不銹鋼有合理相比例的主要鐵素體形成元素，隨著Cr 含量的增加，雙相不銹鋼耐蝕性也提高；Mo 是鐵素體形成元素，Mo 能提高雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能，但Mo 含量較高時，會增加鋼的脆性；N 是強(qiáng)烈形成奧氏體的元素，在雙相不銹鋼中，高溫時N 穩(wěn)定奧氏體的能力比Ni 大，N 還能提高雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能；Ni 能調(diào)整雙相不銹鋼有一個合理的相比例；W 是鐵素體形成元素，它也能提高雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能；Cu 能提高鋼在還原性介質(zhì)中的耐蝕性。

2）填充金屬的影響。填充金屬成分與母材相同時，焊縫金屬的鐵素體量會急劇增加，甚至出現(xiàn)純鐵素體組織。為了抑制焊縫中鐵素體的過量增加，采用奧氏體占優(yōu)勢的焊縫金屬是雙相不銹鋼的焊接趨勢。一般采取在焊接材料中提高鎳或加氮這兩種途徑。通常焊縫金屬中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好比母材高出2%～4%。

3）熱循環(huán)的影響。雙相不銹鋼的最大焊接特點是熱循環(huán)對焊接接頭組織的影響較大，制定焊接工藝的關(guān)鍵點在于使焊縫和熱影響區(qū)保持適量的鐵素體和奧氏體組織。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體化。因此，多層多道焊是有益的，后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用，使焊縫金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，成為以奧氏體占優(yōu)勢的兩相組織；同時毗鄰焊縫的熱影響區(qū)中的奧氏體也相應(yīng)增多，且能細(xì)化鐵素體晶粒，減少碳化物和氮化物從晶內(nèi)和晶界析出，從而使整個焊接接頭的組織和性能顯著改善。正是由于焊接熱循環(huán)的影響，焊接S31803 時要求先焊接與介質(zhì)接觸的焊道。

4）工藝參數(shù)的影響。焊接工藝參數(shù)中的焊接熱輸入對雙相組織的平衡起著關(guān)鍵的作用，除了影響焊縫兩相中的合金元素分配，還影響焊縫金屬的兩相比例。由于雙相不銹鋼在高溫下是100%的鐵素體，如果熱輸入過小，熱影響區(qū)冷卻速度過快，奧氏體來不及析出，過量的鐵素體就會在室溫下過冷保持下來；如果熱輸入過大，冷卻速度過慢，盡管可以獲得足量的奧氏體，但也會引起熱影響區(qū)的鐵素體晶粒長大以及σ 相等有害金屬相的析出，造成接頭脆化。為了避免上述情況的發(fā)生，焊接S31803 時要控制焊接熱輸入和層間溫度，并使用填充金屬。

5）保護(hù)氣體的影響。鎢極氬弧焊時，可以在氬氣中加入2%的氮氣，有助于鐵素體與奧氏體的平衡，并能防止焊縫表面因擴(kuò)散而損失氮。

3 雙相不銹鋼的組織

1）雙相不銹鋼中的析出相。雙相不銹鋼焊接時可能出現(xiàn)三種析出相，即鉻的氮化物、二次奧氏體、σ 相等。這些析出相會降低鋼的耐腐蝕性能和韌性，尤其是σ 相的存在會降低雙相不銹鋼在10%H2SO4和3.5%NaCl 溶液中的腐蝕電位。同時高溫時，氮在鐵素體中的溶解度增加，冷卻時溶解度減小。氮的減少或者氮的損失會使鐵素體量增加，促進(jìn)了氮化物析出，對焊縫金屬的耐蝕性能和力學(xué)性能造成影響。焊縫金屬若是健全的兩相組織，氮化物析出量會很少?？刂坪附訜彷斎肓亢驼{(diào)整焊縫金屬化學(xué)成分可以維持奧氏體相形成的穩(wěn)定性，從而減少有害相的析出［5］。

2）焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變。組織轉(zhuǎn)變首先發(fā)生在鐵素體中，奧氏體相中無變化。α+γ 兩相的比例隨加熱溫度升高而變化，鐵素體數(shù)量增多，奧氏體數(shù)量減少。隨加熱溫度的升高，會發(fā)生γ—α 轉(zhuǎn)變，一般加熱到1300℃以上時，出現(xiàn)單相鐵素體組織。冷卻時隨著溫度的降低鐵素體數(shù)量減少，奧氏體數(shù)量增多。

3）焊接熱影響區(qū)的組織和性能。焊接熱影響區(qū)的組織和性能與母材的相比例直接有關(guān)。當(dāng)雙相不銹鋼的相比例失調(diào)，在焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)單相鐵素體或奧氏體相極少時，由于氮在鐵素體中溶解度很低，導(dǎo)致大量的氮化物析出，性能會急劇下降。S31803 是兩相各約占50%的雙相不銹鋼，其熱影響區(qū)的組織α 和γ 接近，如果焊接工藝得當(dāng)，熱影響區(qū)的性能：韌性、塑性和耐蝕性可以達(dá)到優(yōu)異水平。

4 雙相不銹鋼S31803 的焊接性

李為衛(wèi)、宮少濤等［2］在對雙相不銹鋼的焊接性及焊接技術(shù)的研究中提到，雙相不銹鋼焊接工序復(fù)雜，工藝要求高，焊接問題容易出現(xiàn)質(zhì)量事故，在焊接施工中必須制定合理的焊接工藝規(guī)程和工藝紀(jì)律，才能保證焊接質(zhì)量。張建勛等［3］總結(jié)了雙相不銹鋼的焊接性主要取決于焊接熱影響區(qū)（HAZ）的性能，焊接熱循環(huán)會對基體的組織和性能產(chǎn)生很大的影響。

對于以S31803為代表的超低碳和含氮的雙相不銹鋼，鋼中鐵素體和奧氏體約各占50%，通過提高焊縫含氮量，使焊縫和焊接熱影響區(qū)保持足夠的奧氏體，能改善接頭塑性和耐蝕性能，使雙相不銹鋼的焊接性轉(zhuǎn)好，但是在具體的焊接過程中，要得到各項指標(biāo)都合格的焊接件，仍然需要根據(jù)現(xiàn)場情況制定嚴(yán)格的焊接工藝。S31803 焊接過程中應(yīng)該注意以下三個方面的問題。

1）焊接裂紋。焊接裂紋的敏感性用Creq/Nieq 比值來衡量，當(dāng)Creq/Nieq 比值在1.5～2.0 之間時，焊縫處于兩相凝固區(qū)，對凝固裂紋不敏感。S31803 的Creq/Nieq 較高，Cr 的含量達(dá)23%，Ni 的含量達(dá)6.5%，即雙相不銹鋼S31803 的Creq/Nieq=3.54，故S31803 的焊縫屬于鐵素體凝固區(qū)，對凝固裂紋有一定敏感性。

針對焊接裂紋，要在焊接過程中采用合適的焊接材料、焊接方法和控制焊接工藝參數(shù)，才能使焊縫具有很好的抗凝固裂紋能力。冷裂紋與材料對氫致延遲裂紋敏感性有關(guān)，但如果焊接材料選用正確，可以避免冷裂紋的出現(xiàn)。

2）熱影響區(qū)脆化。焊接過程中在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫熱影響區(qū)處于快冷非平衡狀態(tài)，冷卻后總是保留更多的鐵素體，從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋的敏感性。所以S31803 焊接的主要問題在熱影響區(qū)。熱影響區(qū)的問題主要在于耐蝕性能的損失、韌性損失和后焊接裂紋問題。

為了避免這些問題，焊接工藝應(yīng)考慮減少材料處在紅熱溫度范圍的時間。

3）氣孔敏感性。S31803 的焊縫金屬結(jié)晶時冷卻速度快，在焊縫表面和內(nèi)部有產(chǎn)生氮氣孔的傾向。另外，焊條、焊劑受潮或使用含氫氣體有可能導(dǎo)致產(chǎn)生氫氣孔。

氣孔的形成取決于焊接參數(shù)和合金成分。為防止產(chǎn)生氣孔，降低氣孔敏感性，在焊接過程中要控制焊縫含氮量，加強(qiáng)對焊縫的保護(hù)和提高焊渣的透氣性。

5 結(jié)論

焊接雙相不銹鋼S31803 時容易出現(xiàn)焊接裂紋、熱影響區(qū)脆化以及形成氣孔等問題。其焊接性與母材及焊縫金屬的化學(xué)成分、焊接接頭處的組織狀態(tài)等因素有關(guān)，可以從合理選擇焊接材料和合理制定焊接工藝兩個方面去優(yōu)化焊接性。

1）對于雙相不銹鋼S31803，鎢極氬弧焊選用Sandvik22.8.3.L（ER2209）焊絲；焊條電弧焊選用Avesta2205AC/DC 焊條；埋弧焊的焊絲選用Autrod16.10，焊劑選用FLUX10.93。實踐證明這些焊接材料能滿足焊接工藝的要求。

2）焊接時采取多層多道焊且首先焊接與介質(zhì)接觸的焊道；焊接過程中要嚴(yán)格控制熱輸入和層間溫度；在鎢極氬弧焊時用到的氬氣中要加入2%的氮氣。

［1］申艷麗，孟慶森，張丙靜，等.焊接工藝對2205 雙相不銹鋼焊接接頭綜合性能的影響［J］.焊接，2007（6）：47-51.

［2］李為衛(wèi)，宮少濤，熊慶人，等.2205 雙相不銹鋼的焊接性及焊接技術(shù)［J］.熱加工工藝，2006，35（3）：36-38.

［3］張建勛，李為衛(wèi)，李慶琰，等.2205 雙相不銹鋼的焊接性研究綜述［J］.焊管，2005（9）：6-9.