帶極堆焊2205雙相不銹鋼焊材應用研究

劉玉華

北京燕華工程建設有限公司設備制造公司 北京 102502

1 序言

近幾年我公司承接了多臺熱高分氣與混氫換熱器、預加氫進料換熱器等設備。由于介質特殊，設備中的U形換熱管多采用S32750超級雙相不銹鋼或S32205雙相不銹鋼，而管板大都采用12Cr2Mo1Ⅳ鍛件（或14Cr1Mo鍛件或16Mn鍛件）堆焊309MoL+2205雙相鋼。2205為Cr、Ni含量分別（質量分數(shù)，下同）為22%和5%的雙相不銹鋼，即組織為50%鐵素體+50%奧氏體的雙相組織。而帶極堆焊技術條件中要求帶極堆焊層鐵素體含量為35%~65%，堆焊層Ni含量6.5%~9.5%（見表1）。

表1 堆焊層化學成分（質量分數(shù)）技術要求 （%）

2 焊接工藝的確定

2.1 進口堆焊焊帶、焊劑試驗

之前我公司制造過多臺管板要求堆焊雙相鋼的設備，當時進行了廣泛地調(diào)研并查閱了有關資料，國內(nèi)幾家雙相鋼帶極堆焊大部分處于試驗階段。試驗結果表明帶極堆焊層鐵素體含量偏低，一般在20%左右。為了能達到設備堆焊技術條件中鐵素體含量為35%~65%，堆焊層Ni含量6.5%~9.5%的要求，我公司最終采用進口比利時蘇得凱的焊帶和焊劑（過渡層：焊帶Soudotape 21.13.3L/焊劑Record INT109；表面層：焊帶Soudotape 22.6.3L/焊劑Record EST 4462-1）。焊帶的化學成分見表2。

使用蘇得凱的焊帶進行了焊接工藝評定，雖然蘇得凱Soudotape 22.6.3L焊帶的Ni含量只有6%，但通過堆焊過程中焊劑的合金過渡，堆焊層的Ni含量能滿足6.5%~9.5%的要求，見表3。且鐵素體含量為35%~65%。完全滿足堆焊技術條件的要求。

表2 焊帶的化學成分（質量分數(shù)） 技術要求 （%）

表3 堆焊層化學成分分析（質量分數(shù)） （%）

2.2 國產(chǎn)堆焊焊帶、焊劑試驗

但由于進口焊帶價格貴（進口焊帶是國內(nèi)價格的2.5倍，進口焊劑是國內(nèi)焊劑價格的3.5倍）且供貨周期太長，往往不能滿足設備制造工期的要求。因此我們進行了國內(nèi)2205雙相鋼帶極堆焊試驗。通過試驗，我們發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)雙相鋼帶極堆焊基本上堆焊層滿足鐵素體含量35%~65%的要求，但滿足不了Ni含量6.5%~9.5%的要求。而當Ni含量滿足6.5%~9.5%的要求時，鐵素體含量基本上達不到下限35%的要求。其他化學成分沒有問題。

2205雙相鋼為Cr、Ni含量分別為22%和5%的雙相不銹鋼，即組織為50%鐵素體+50%奧氏體的雙相組織，雙相不銹鋼材料S32205化學成分見表4。

表4 雙相不銹鋼S32205化學成分（質量分數(shù)）（%）

雙相不銹鋼焊接的難點是焊縫組織鐵素體比例很難控制在35%~65%之間。影響因素主要是兩個方面：一方面是焊材的影響。眾所周知，熔焊意味著對焊接接頭和近縫區(qū)母材做了一次局部熱處理，由于焊接熱循環(huán)非?？?，從熱動力學角度來看焊縫金屬達不到平衡狀態(tài)，用與母材化學成分相同的填充金屬焊接就會獲得鐵素體過高、力學與腐蝕性能較差的焊縫金屬。鎳是奧氏體穩(wěn)定元素，因此，填充金屬含較多的鎳可使焊縫獲得高比例的奧氏體。故一般2205雙相鋼焊條中的含鎳量9%（母材含鎳量5%），即焊條牌號為E2209。另一方面是焊接參數(shù)的影響。如前所述，熔焊意味著對近縫區(qū)造成不希望的熱處理。這個區(qū)域，即熱影響區(qū)（HAZ）或者更精確地稱為高溫熱影響區(qū)，材料被加熱到幾乎全部變成鐵素體的溫度，冷卻時部分鐵素體才轉變?yōu)閵W氏體[1-2]。焊接雙相不銹鋼時，熱輸入和冷卻速度是很重要的。為了獲得最優(yōu)的結果，焊接時應嚴格控制熱輸入，焊接熱輸入見表5。

表5 焊接熱輸入

另外，熱輸入的大小還取決于材料的厚度和焊接工藝，如薄管件，最好取下限且≤0.5kJ/mm；壁厚越厚，熱輸入越要接近上限。層間溫度在任何情況下都應該控制在＜150℃。

雙相鋼焊條電弧焊使用E2209焊條完美解決了鐵素體含量35%~65%，Ni含量6.5%~9.5%的要求。

而對于管板帶極堆焊雙相不銹鋼的焊接，由于管板帶極堆焊的焊帶較寬為0.4mm×60mm，管板帶極堆焊的焊接參數(shù)過高，層間溫度較高，焊后冷卻速度較慢，當焊帶中Ni含量為9%時，使得焊縫中鐵素體含量過低，從而達不到技術條件中鐵素體含量35%~65%的要求。

而目前國內(nèi)還做不到通過焊劑過渡Ni，所以如果采用和蘇得凱焊帶一樣Ni含量6%的焊帶，堆焊層鐵素體含量能達到35%~65%的要求，但就滿足不了Ni含量6.5%~9.5%的要求。為此，我們采用北京鋼鐵研究總院的D309MoL+ D2209焊帶。焊帶的化學成分見表6。

表6 焊帶的化學成分（質量分數(shù)） （%）

從表6可以看出，2205雙相鋼堆焊的焊帶Ni含量是7.72%，我們通過與SJ15B焊劑（電渣堆焊）、SHD202焊劑（電渣堆焊）、SJ2209DM焊劑（埋弧堆焊）進行了焊接試驗，并使用蘇得凱Soudotape 22.6.3L焊帶分別與Record EST 4462-1和SJ15B匹配，進行了焊接試驗。焊接試驗結果見表7。

表7 焊接試驗結果

從表7中可以看出，使用同一種堆焊焊帶，配用不同的焊劑，鐵素體含量有很大區(qū)別。由于SJ15B焊接脫渣性非常好，堆焊后渣殼立即脫落，使得堆焊層冷卻速度加快，鐵素體含量較高，滿足了堆焊技術條件中鐵素體含量35%~65%的要求，同時也滿足了Ni含量6.5%~9.5%的要求。而采用SHD202焊劑，脫渣性略差，冷卻速度減慢，鐵素體含量不能滿足堆焊技術條件中鐵素體含量35%~65%的要求，但滿足了Ni含量6.5%~9.5%的要求。SJ2209DM是埋弧焊焊劑同時過渡合金元素，鐵素體含量和Ni含量都能滿足技術要求，但焊劑吸潮嚴重，400℃×2h烘干后，還是在堆焊層中出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，無法滿足堆焊要求。

蘇得凱Soudotape 22.6.3L焊帶配蘇得凱Record EST4462-1焊劑，雖然焊帶含Ni量不高，但堆焊層滿足了堆焊技術條件中鐵素體含量35%~65%的要求，同時也滿足了Ni含量6.5%~9.5%的要求。而蘇得凱Soudotape 22.6.3L焊帶使用SJ15焊劑，鐵素體含量可以達到堆焊技術條件中鐵素體含量35%~65%的要求，但Ni含量只有5.99%。這也證明了蘇得凱焊帶是通過焊劑過渡合金元素的。

3 結束語

1）國內(nèi)雙相鋼焊帶目前現(xiàn)狀：如果滿足堆焊層鐵素體含量35%~65%，就達不到Ni含量6.5%~9.5%的要求。而Ni含量滿足6.5%~9.5%的要求，堆焊層鐵素體含量就達不到下限35%的要求。

2）目前國內(nèi)雙相鋼焊帶堆焊是通過調(diào)節(jié)Cr含量取上線，Ni含量偏下限，然后提高冷卻速度（可以通過改善焊劑的脫渣性）來達到堆焊層鐵素體含量35%~65%，同時也滿足了Ni含量6.5%~9.5%的要求。

3）國內(nèi)焊帶也在嘗試通過埋弧焊劑過渡合金元素來達到鐵素體和Ni含量的要求。但我們試驗的結果是埋弧焊劑成形很差，容易產(chǎn)生缺陷，應用還不成熟。

4）國內(nèi)目前也在做試驗，采用電渣焊焊劑過渡合金元素，達到鐵素體和Ni含量的要求。但還需要進一步試驗改進。

5）根據(jù)試驗結果，合理匹配國內(nèi)焊帶、焊劑，是可以保證堆焊層鐵素體含量35%~65%和Ni含量6.5%~9.5%的要求。