雙相不銹鋼焊接性問題產(chǎn)生的原因及控制策略

梅明

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)與科技的不斷發(fā)展，我國工業(yè)技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，尤其是在焊接工藝技術(shù)中領(lǐng)域中，技術(shù)人員經(jīng)過不斷的開發(fā)研究已經(jīng)優(yōu)化了不銹鋼焊接技術(shù)，極大地提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率，推動(dòng)了我國工業(yè)化發(fā)展的腳步。然而對于雙相不銹鋼焊接工藝來說，其在實(shí)際的應(yīng)用過程中容易受到環(huán)境因素以及其他外界因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)焊接問題，影響最終的焊接成果。本文將從雙相不銹鋼焊接性能與特征、雙相不銹鋼焊接性問題產(chǎn)生的原因及控制策略兩個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)論述，以供參考。

關(guān)鍵詞：雙相不銹鋼 焊接技術(shù) 焊接問題 原因分析 控制策略

Causes and Control Strategies of Weldability Problems of Duplex Stainless Steel

Mei Ming

Abstract：With the continuous development of Chinas economy and technology， Chinas industrial technology has also been rapidly developed， especially in the field of welding technology. After continuous development and research， technicians have optimized the stainless-steel welding technology and greatly improved the efficiency of industrial production， and promoted the pace of industrialization in our country. However， for the welding process of duplex stainless steel， it is susceptible to environmental factors and other external factors in the actual application process， which in turn leads to welding problems and affects the final welding results. This article will discuss the welding performance and characteristics of duplex stainless steel， the causes of duplex stainless-steel weldability， and control strategies for reference.

Key words：duplex stainless steel， welding technology， welding problem， cause analysis， control strategy

1 引言

雙相不銹鋼焊接技術(shù)是一種重要的工業(yè)焊接技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用較為廣泛，其中的雙相不銹鋼指的是鐵素體以及和奧氏體，其不僅具有良好的抗氯化物應(yīng)力腐蝕性能，同時(shí)還體現(xiàn)出極高的屈服強(qiáng)度，再加上奧氏體相的特征，使得雙相不銹鋼還具有較好的耐腐蝕性以及韌性，這樣的鋼材強(qiáng)度與韌性都更好，同時(shí)也更加容易被焊接使用。隨著我國工業(yè)化的不斷推進(jìn)，我國雙相不銹鋼材料的應(yīng)用越來越廣泛，其中應(yīng)用最為頻繁的就是石油、化工以及海洋工程等領(lǐng)域中，甚至已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼的應(yīng)用地位。技術(shù)人員在使用雙相不銹鋼構(gòu)件的時(shí)候一般都采取焊接的方式進(jìn)行材料加工，而受到各種因素的影響，材料將會(huì)出現(xiàn)不同的焊接效果。本文就將對應(yīng)用雙相不銹鋼焊接效果的因素進(jìn)行具體分析，并提出針對性的解決方法與意見，希望能夠?yàn)闃I(yè)內(nèi)人士提供有用的參考信息。

2 雙相不銹鋼焊接性能與特征分析

經(jīng)過技術(shù)人員的觀察與實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，室溫下的雙相不銹鋼固溶體中同時(shí)具備奧氏體與鐵素體，材料的結(jié)構(gòu)賦予了雙相不銹鋼材料兩相的結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)過上文分析總結(jié)能夠知道，雙相不銹鋼材料即具備鐵素體的導(dǎo)熱系數(shù)大、耐點(diǎn)蝕等特征，同時(shí)也體現(xiàn)出奧氏體良好的強(qiáng)度與韌性優(yōu)勢，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境溫度，同時(shí)還具備優(yōu)秀的力學(xué)性能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比探究能夠知道，雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度高于原奧氏體不銹鋼，因此在同等壓力等級(jí)下，使用雙相不銹鋼材料能夠有效節(jié)約材料資源。與傳統(tǒng)的材料相比，雙相不銹鋼的焊接性更好，經(jīng)過焊接之后不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的冷裂紋與熱裂紋現(xiàn)象。技術(shù)人員使用雙相不銹鋼材料進(jìn)行焊接的時(shí)候不需要進(jìn)行預(yù)熱處理，如果在寒冷的環(huán)境中進(jìn)行焊接，只需要將坡口清理之后并將其加熱至100℃去除濕氣就可以，即使在焊接之后也并不需要熱處理。再加上雙相不銹鋼材料的氮含量較高，其受到溫度影響的程度要小于鐵素體，因此其具備更加良好的焊接綜合性能。

3 雙相不銹鋼焊接性問題產(chǎn)生的原因及控制策略

3.1 合金元素的影響

對于雙相不銹鋼材料來說，其原材料中氮的含量將直接影響兩相的比例。氮能夠幫助奧氏體在焊縫金屬和焊后熱影響區(qū)內(nèi)形成，但是從應(yīng)用效果來看，氮的作用要大于鎳。因此，技術(shù)人員在進(jìn)行焊接的過程中總是有意識(shí)地提高鎳的含量，進(jìn)而保障奧氏體的形成，通常情況下技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)控制鎳的含量比母材高出2%～4%。盡管氮含量的在呢個(gè)價(jià)也能夠起到控制鐵素體含量的作用，但是氮含量過高卻容易導(dǎo)致材料在焊接過程中出現(xiàn)氣孔問題，最終導(dǎo)致接頭內(nèi)應(yīng)力增大，影響材料的使用性能，因此技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)控制其中的填充金屬氮含量。就目前的焊接情況來看，一般都要求鎳含量高于母材，而氮含量則可以與母材相同。之所以采取這樣的比例是因?yàn)殒嚭炕虻康奶岣叨寄軌騼?yōu)化焊接性能，同時(shí)促進(jìn)奧氏體的形成[1]。

3.2 熱循環(huán)的影響

從反應(yīng)本質(zhì)上來看，焊接其實(shí)就是一個(gè)冶金的過程，因此在焊接的過程中，根據(jù)環(huán)境溫度的變化，焊接金屬也將按照溫度由高到低的順序析出不同的組織。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)總結(jié)能夠知道，在1200℃至凝固點(diǎn)溫度之間，材料將會(huì)析出鐵素體組織，而在800～1 200℃溫度之間，材料將會(huì)析出奧氏體，在475～800℃之間，材料將會(huì)析出碳化物、氮化物等。因此，接頭奧氏體的形成數(shù)量不僅受到原材料的化學(xué)成分比例影響，同時(shí)還會(huì)受到冷卻速度的影響。從研究結(jié)果中進(jìn)行對比分析能夠發(fā)現(xiàn)，較快的冷卻速度能夠提高焊縫組織的鐵素體含量。因此，要想提高材料的焊接性能，技術(shù)人員就應(yīng)該合理地控制熱輸入量，根據(jù)焊接材料的實(shí)際厚度合理選擇層間溫度。經(jīng)過對類似研究文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)與總結(jié)能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接熱輸入超過一定溫度值的時(shí)候，隨著環(huán)境溫度的升高，其鐵素體的含量將會(huì)降低;且焊接輸入量將會(huì)直接影響焊縫組織的兩相比例以及高溫?zé)嵊绊憛^(qū)的寬度，其對于高溫?zé)嵊绊憛^(qū)的兩相比例影響較小并不大;而150℃的層間溫度是最利于焊接組織的，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵素體與奧氏體的等比存在，同時(shí)不存在二次奧氏體析出的現(xiàn)象。

因此，要想提升雙相不銹鋼材料的焊接工藝以及焊接效果，技術(shù)人員可以使用多層多道焊的方法，這樣就能夠有效控制兩相比例。在多層多道焊過程中，前面的一層焊道將會(huì)受后面焊道的熱處理作用，促進(jìn)鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，這樣就能夠增強(qiáng)熱影響，進(jìn)而降低奧氏體析出的比例，同時(shí)還能夠降低碳化物以及氮化物的析出量，進(jìn)而提高焊接接頭的性能。在這樣的焊接技術(shù)下，技術(shù)人員在實(shí)際的焊接過程中應(yīng)該首先焊接觸介質(zhì)面，之后在進(jìn)行非接觸介質(zhì)面的焊接處理，這樣的焊接方法與之前的奧氏體不銹鋼焊接方法完全不同。如果技術(shù)人員在焊接的過程中收到最后施焊接觸介質(zhì)面的硬性要求，則技術(shù)人員可以在最后焊接結(jié)束的時(shí)候在其焊縫表面補(bǔ)焊一層工藝焊縫，這樣就能夠在進(jìn)行一次熱處理，能夠有效提升焊接的工藝

效果[2]。

3.3 保護(hù)氣體的影響

另外，保護(hù)氣體同樣能夠起到改善兩相組織的效果。一般情況下，純氫已經(jīng)能夠達(dá)到良好的保護(hù)效果，但是受到多種因素的影響，雙相不銹鋼材料在焊接的過程中總是會(huì)出現(xiàn)表面氮損失的情況。要想改善氮損失的現(xiàn)象，技術(shù)人員應(yīng)該采取針對性的防護(hù)措施，降低焊接過程中的氮損失，而其中應(yīng)用最廣泛的方法就是使用含氮的氣體實(shí)施保護(hù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氣中添加2%的氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體時(shí)能夠達(dá)到最好的焊接效果，這樣的保護(hù)氣體不僅能夠降低焊接表面金屬氮的損失，同時(shí)還能夠降低鐵素體奧氏體相比例，使得焊接接頭的兩相比例更加接近母材，這樣就能夠提升材料的抗腐蝕能力[3]。

3.4 氫致裂紋的影響

一般情況下，雙相不銹鋼材料對于氫致裂紋并不敏感，但是在實(shí)際的焊接過程中也偶有發(fā)生因氫致裂紋導(dǎo)致的雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)破壞事件出現(xiàn)，之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的事故，其主要的原因就在于焊縫金屬內(nèi)顯微組織以及氫含量存在問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，如果雙相不銹鋼材料焊縫金屬顯微組織中鐵素體的體積分?jǐn)?shù)超過60%，且其氫含量達(dá)到一定水平時(shí)，材料就會(huì)出現(xiàn)對氫致裂紋敏感的現(xiàn)象。

面對這樣的問題，技術(shù)人員首先應(yīng)該防止過高的峰值溫度出現(xiàn)，嚴(yán)格控制焊縫金屬內(nèi)的鐵素體含量，并將其保持在合適的范圍，這樣就能夠促進(jìn)網(wǎng)狀?yuàn)W氏體組織的形成。這樣一來，晶界和鐵素體晶都能夠有效限制氫的擴(kuò)散，這樣就降低了氫致裂紋產(chǎn)生的概率。除此之外，技術(shù)人員還應(yīng)該盡量避免在焊接過程中處于氫含量較高的環(huán)境，進(jìn)一步提高焊接的質(zhì)量[4]。

3.5 殘余應(yīng)力與變形

與傳統(tǒng)使用的奧氏體鋼性能相比，盡管雙相不銹鋼在導(dǎo)熱性能、熱膨脹表現(xiàn)、殘余應(yīng)力以及變形方面都體現(xiàn)出優(yōu)勢，但是由于在實(shí)際焊接的過程中總是使用局部加熱的方法，這樣就會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力和變形的出現(xiàn)。要想提高雙相不銹鋼材料的焊接效果，技術(shù)人員就應(yīng)該想辦法控制其殘余應(yīng)力以及變形情況。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析之后能夠發(fā)現(xiàn)，雙相不銹鋼經(jīng)過焊接后如果開展300～700℃消除應(yīng)力處理或者變形矯正處理都會(huì)導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)脆化的現(xiàn)象。而如果開展700～1 000℃處理則會(huì)導(dǎo)致金屬間化合物析出，進(jìn)而降低焊接接頭的韌性與抗腐蝕能力。因此，技術(shù)人員不能夠通過焊接結(jié)束之后的熱處理消除應(yīng)力與變形，其應(yīng)該從焊接工藝參數(shù)的調(diào)整方面進(jìn)行研究。經(jīng)過類似文獻(xiàn)的研究與學(xué)習(xí)能夠知道，通過優(yōu)化工藝參數(shù)、選用合理的焊接裝配程序的方法就能夠消除應(yīng)力與變形，同時(shí)還能夠提升焊接的效果[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，要想提升雙相不銹鋼材料的焊接效果與性能，技術(shù)人員應(yīng)合理控制填充金屬元素的種類與含量，同時(shí)還應(yīng)該及時(shí)調(diào)整保護(hù)氣體的體積分?jǐn)?shù)，這樣就能夠優(yōu)化奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的比例。其次，技術(shù)人員還應(yīng)該不斷調(diào)整焊縫的金屬化學(xué)成分，同時(shí)控制焊接熱輸入量，這樣才能夠促進(jìn)奧氏體的形成，從而減少有害相的析出。最后，技術(shù)人員還應(yīng)該合理控制峰值溫度以及周圍環(huán)境的氫含量，這樣才能夠降低氫致裂紋敏感性，選擇合理的焊接裝配程序則能夠有效消除應(yīng)力與變形，進(jìn)一步提高焊接的效果。

參考文獻(xiàn)：

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