25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼接頭組織及焊接質(zhì)量控制

武建朝, 左世飛, 劉思玲, 延雨龍

(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719000)

0 前言

隨著工業(yè)4.0的到來，傳統(tǒng)制造正在向智能制造轉(zhuǎn)變，我們?cè)谙硎芟冗M(jìn)科技技術(shù)和工業(yè)制造成果的同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。例如能源問題已成為全人類必須共同面對(duì)的難題，煤炭高效清潔轉(zhuǎn)化項(xiàng)目正在逐步代替石油產(chǎn)業(yè)成為新的工業(yè)基礎(chǔ)能源，煤化工也正由基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品向精細(xì)化工和集成工業(yè)產(chǎn)業(yè)集群轉(zhuǎn)變。展望十四五規(guī)劃，中國的煤化工產(chǎn)業(yè)也在工業(yè)建設(shè)占據(jù)了一定比例，然而焊接技術(shù)、材料工程技術(shù)作為工業(yè)建設(shè)中必不可少的工序及組成部分，與工業(yè)發(fā)展相輔相成。雙向不銹鋼因其獨(dú)特的焊接性能和材料性能已在煤化工項(xiàng)目中的得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也成為了工程技術(shù)人員一直以來討論研究的熱門課題。

1 雙相不銹鋼介紹

雙相不銹鋼(Duplex stainless steel，DSS)，指鐵素體與奧氏體各約占50%，一般較少相的含量最少也需要達(dá)到30%的不銹鋼[1-2]。在含C較低的情況下，Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%。有些鋼還含有Mo，Cu，Nb，Ti，N等合金元素。

1.1 結(jié)構(gòu)與類型

雙相不銹鋼由于含有奧氏體和鐵素體雙相組織，兩相組織比例基本各占50%，所以兼有奧氏體和鐵素體鋼的優(yōu)點(diǎn)。常溫條件下，屈服強(qiáng)度可達(dá)400～ 550 MPa，是普通奧氏體不銹鋼的2倍。硬度為普通不銹鋼1.76倍。固溶態(tài)的斷后伸長率達(dá)到15%以上，常溫韌性AKV(V形槽口)在100 J以上等特點(diǎn)。比奧氏體不銹鋼強(qiáng)度高，特別是屈服強(qiáng)度提高顯著，且耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能也有明顯的改善[3]。比鐵素體不銹鋼的韌性高，脆性轉(zhuǎn)變溫度低，特別是耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高；同時(shí)又保留了鐵素體不銹鋼的一些特點(diǎn)，如熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)小，具有超塑性及磁性等。

1.2 理化性能及分類定義

25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼常溫條件物理性能見表1。25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼化學(xué)成分見表2。

表1 25Cr-7Ni-4Mo雙相不銹鋼常溫條件下物理性能

表2 25Cr-7Ni-4Mo雙相不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

雙相不銹鋼的分類主要是按照耐氯化物對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕能力，就是通常說的PREN值[4](抗點(diǎn)蝕當(dāng)量)來分類，計(jì)算公式為：

PREN=Cr+3.3Mo+16N

(1)

式中：Cr，Mo，N 分別為其化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。按照不同的PREN值，可將雙相不銹鋼分為18Cr-5Ni-3Mo型(PREN值為24～25)，23Cr-4Ni-Mo型(PREN值為32～33)，22Cr-5Ni-3Mo型(PREN值為38～39)和25Cr-7Ni-4Mo型(PREN﹥40)4個(gè)類型。其中PREN﹥40的被稱為超級(jí)雙相不銹鋼，也就是25Cr-7Ni-4Mo-N型。25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼又可分為普通型(25Cr-6Ni-3Mo-Cu-N-W)和超級(jí)型(25Cr-7Ni-4Mo-N)，其中在煤化工項(xiàng)目應(yīng)用較多的是22Cr-5Ni-3Mo型和25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼。

根據(jù)式(1)可看出，25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼含有更高鎳、鉻、鉬和氮的含量，因此相比于其他雙相不銹鋼具有了更高的抗斑腐蝕、孔腐蝕、低壓力下耐氯離子應(yīng)力腐蝕、裂縫腐蝕的能力。再加上超低的碳含量更是大大降低了焊接熱處理過程中晶界碳化物的析出量，從而使其具有極高的耐碳化物晶間腐蝕能力。

1.3 使用環(huán)境溫度對(duì)25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼性能的影響

25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼不同環(huán)境溫度的沖擊耐沖擊性能見表3。25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼高溫張力特性見表4。

表3 25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼不同溫度沖擊性能 J

表4 25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼高溫張力特性

通過數(shù)據(jù)可以看出25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹具有很高的耐壓強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。這些特性適用于很多結(jié)構(gòu)零件及機(jī)械部件。尤其是在高溫條件下有更好的塑性和韌性，結(jié)合其優(yōu)良的腐蝕性能，所以被用于含硫量較高的氣化裝置的灰水、黑水管道和動(dòng)力站裝置的脫硫廢水及污泥管道中，另外通過觀察低溫沖擊性能看出超級(jí)雙相不銹鋼在較低的溫度下性能都會(huì)下降，尤其是在在-40 ℃以下的條件下沖擊吸收能量呈現(xiàn)直線下降狀態(tài)，所以該材料不適合在-40 ℃介質(zhì)及環(huán)境條件下使用。

2 焊接性分析及焊接注意事項(xiàng)

2.1 焊接方法及材料的選用

25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼因兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，所以可焊接性能較好，目前煤化工項(xiàng)目常用的管道壁厚一般在15 mm以下，所以常使用的焊接方法為GTAW和GTAW+SMAW，坡口形式主要為V形坡口，坡口加工宜采用機(jī)械加工，坡口加工完成后應(yīng)進(jìn)行100%VT檢測(cè)，不得有裂紋或夾層缺陷，焊絲/焊條主要采用ER2253/E2253,異種焊接接頭的焊接材料選用應(yīng)綜合焊接接頭的強(qiáng)度(包括高溫持久強(qiáng)度)與耐腐蝕性、線性膨脹系數(shù)的差異及焊接裂紋、氣孔的敏感性等因素。

2.2 焊接保護(hù)氣體及熱輸入控制

25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼GTAW焊接時(shí)應(yīng)采用直流正接(DCSP),使用高頻焊機(jī)焊接效果更佳。正面保護(hù)宜采用98%Ar+2%N2或100%Ar,背面保護(hù)宜采用100%N2或100%Ar，焊槍宜選用大噴嘴，正面保護(hù)氣流12～18 L/min，背部保護(hù)氣流控制在10～20 L/min，收弧時(shí)應(yīng)將弧坑填滿，息弧后焊槍應(yīng)多停留幾秒，檢查收弧質(zhì)量并去除表面缺陷。SMAW焊接時(shí)應(yīng)采用直流反接(DCRP)，SMAW焊接時(shí)應(yīng)采用小熱輸入、短電弧、小擺動(dòng)或不擺動(dòng)的操作方法，小擺動(dòng)是擺動(dòng)幅度應(yīng)不大于2.5倍焊條直徑。焊接熱輸入應(yīng)控制在5～15 kJ/cm，其它型號(hào)雙相不銹鋼焊接熱輸入應(yīng)控制在8～20 kJ/cm。

2.3 組對(duì)、預(yù)熱要求及工藝參數(shù)

定位焊的焊接材料和焊接工藝應(yīng)與正式焊接相同，焊工必須取得相應(yīng)項(xiàng)目的資格，且在有效期間內(nèi)方可擔(dān)任焊接工作，內(nèi)壁錯(cuò)邊量不應(yīng)大于壁厚的10%，且不得超過0.5 mm。組對(duì)卡具應(yīng)為雙相鋼或奧氏體不銹鋼，不得使用碳鋼卡具。定位焊縫應(yīng)均布，長度10～15 mm，高度2～4 mm，且不宜超過壁厚的2/3。

正常施焊時(shí)雙相鋼不需要預(yù)熱，當(dāng)管件溫度低于0 ℃時(shí)，應(yīng)對(duì)焊縫兩側(cè)各300 mm范圍內(nèi)加熱到15～20 ℃且應(yīng)熱透。采用氧乙炔加熱時(shí)，火焰不得與管壁直接接觸，可采用薄管夾套進(jìn)行隔離，同時(shí)應(yīng)將表面濕氣全部清除，對(duì)拘束性較大的厚壁焊件，宜將始焊處300 mm半徑范圍內(nèi)進(jìn)行局部預(yù)熱。

GTAW和SMAW焊接參數(shù)宜參照表5進(jìn)行選用焊接電流和電弧電壓。

表5 25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹焊接參數(shù)

2.4 冬季施工需做好焊前預(yù)熱

某項(xiàng)目施工過程在發(fā)現(xiàn)管線2220-BLW408-4"焊縫號(hào)8號(hào)(規(guī)格φ114 mm×6.3 mm)打底完成后填充過程中在母材三通一側(cè)有微裂紋，對(duì)該焊縫進(jìn)行PT檢測(cè)結(jié)果顯示：焊縫三通一側(cè)有裂紋兩處，長度分別為67 mm和28 mm。裂紋位于焊縫邊緣2 mm處，開裂位置正處于熱影響區(qū)。經(jīng)分析該管件為鑄造管件，焊接作業(yè)時(shí)時(shí)環(huán)境溫度為-5 ℃，焊前未采取預(yù)熱措施，GTAW打底過程因拘束應(yīng)力過大將焊縫熔合區(qū)與熱影響區(qū)撕裂，填充過程二次受熱，裂紋進(jìn)一步延伸擴(kuò)展，焊工焊接時(shí)肉眼觀察縫熱影響區(qū)焊縫開裂。所以冬季焊接一定要做好預(yù)熱措施，尤其是鑄造管件的焊接極其重要。同時(shí)加強(qiáng)焊后檢驗(yàn)工作。

3 25Cr-7Ni-4Mo型雙相不銹鋼焊接接頭組織控制

3.1 焊接環(huán)境溫度對(duì)接接頭組織的影響

雙相不銹鋼焊接成形后，主要控制鐵素體與奧氏體各約占50%，但正常焊接很難達(dá)到1∶1的效果，除控制焊接工藝參數(shù)外，焊接環(huán)境溫度對(duì)接接頭組織的影響非常重要，現(xiàn)場(chǎng)GTAW和GTAW+SMAW主要的控制方法為5～15 s內(nèi)將熔池金屬的顏色由紅色轉(zhuǎn)變至常規(guī)色，且1 min內(nèi)將熔敷金屬降至200 ℃，層間溫度控制在100 ℃以下。來控制有害相的析出。所以雙相不銹鋼焊宜選擇在冬季進(jìn)行施工，如夏季或南方地區(qū)施工雙相不銹鋼宜采用小電流或焊縫100 mm外的管壁上貼濕毛巾或水冷來控制有害相的析出。焊接時(shí)嚴(yán)禁在焊縫上直接澆水。

3.2 二次回火對(duì)接頭組織的影響

與奧氏體不銹鋼相反，雙相不銹鋼與接觸腐蝕介質(zhì)一面的焊縫先焊，使得最后施焊的焊縫保留在非接觸介質(zhì)一面，利用后焊道焊縫對(duì)現(xiàn)先焊焊道的二次回火作用來改善接頭組織。如設(shè)計(jì)文件要求接觸介質(zhì)的焊縫最后施焊或施焊條件不允許其先焊時(shí)，則應(yīng)在此焊縫表面在施焊一道工藝焊縫，但該工藝焊縫在焊接完成后應(yīng)采用打磨或機(jī)加工方法去除，也可以采用GTAW不填絲二次熔焊的方法來改善接頭組織。

3.3 GTAW和GTAW+SMAW不同熱輸入對(duì)接頭組織的影響

3.3.1耐腐蝕性能及鐵素體含量測(cè)定方法

如何測(cè)定雙向不銹鋼的耐腐蝕量，國內(nèi)應(yīng)按照GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》，實(shí)驗(yàn)室主要測(cè)試方法為不銹鋼-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)法，結(jié)果評(píng)定方法常用金相法。

要注意母材與焊縫鐵素體含量的測(cè)定執(zhí)行規(guī)范不一致，其中母材應(yīng)參照GB/T 13305—2008 《不銹鋼中α-相面積含量金相測(cè)定法》主要測(cè)試的方法：①α-相面積含量的測(cè)定法；②金相圖像定量分析法。焊縫應(yīng)參照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測(cè)量方法》主要測(cè)試方法:①磁性法；②金相法。磁性法測(cè)量鐵素體含量是會(huì)有±2.5%的誤差，但是磁性法測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)有測(cè)量范圍寬, 操作簡(jiǎn)單, 人為影響因素小, 測(cè)量精度能滿足工程要求,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)鐵素體含量的現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè),是比較理想的檢測(cè)方法之一,也是項(xiàng)目建設(shè)過程中較常用的檢測(cè)的方法，其他方法均為破壞性試驗(yàn)法，一般用于試驗(yàn)及焊接工藝定制作。

3.3.2磁性法實(shí)測(cè)不同焊接方法鐵素體含量

按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測(cè)量方法》采用磁性法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)GTAW和GTAW+SMAW兩種焊接方法各取6道焊縫進(jìn)行根部焊道鐵素體含量檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表6。

表6 磁性法實(shí)測(cè)不同焊接方法鐵素體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

經(jīng)分析由于GTAW+SMAW二次回火熱輸入量大。對(duì)焊縫接頭組織改善效果更好，所以測(cè)出根部焊道的鐵素體含量更加接近50%，因根部焊材為直接接觸介質(zhì)一面，所以測(cè)量根部焊道的鐵素體含量更為準(zhǔn)確的說明焊縫的抗腐蝕性和耐磨性能。

3.3.3金相法實(shí)測(cè)不同焊接方法鐵素體含量

圖1為金相法試驗(yàn)試件，試件1號(hào)和2號(hào)為GTAW試件，3號(hào)和4號(hào)為GTAW+SMAW試件。圖2為試驗(yàn)試件100倍熱影響區(qū)晶相照片。圖3為試驗(yàn)試件500倍焊縫區(qū)晶相照片。

圖1 金相法試驗(yàn)試件

圖2 100倍熱影響區(qū)晶相形貌

圖3 500倍焊縫區(qū)晶相形貌

通過以上試驗(yàn)照片對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)圖譜測(cè)得試驗(yàn)試件鐵素體含量值見表7。

表7 金相法實(shí)測(cè)不同焊接方法鐵素體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

按照金相法測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本與磁性法保持相同。GTAW+SMAW的焊縫鐵素體含量整體優(yōu)于GTAW。鐵素體與奧氏體所占比例更接近1∶1，GTAW焊縫鐵素體含量之所以偏高，與焊縫本身熱輸入較小，冷卻速度過快，更容易析出鐵素體有很大關(guān)系。

4 結(jié)論

試驗(yàn)依據(jù)主要為北方冬季施工時(shí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，GTAW+SMAW的焊接效果優(yōu)于GTAW，如果在夏季或者南方地區(qū)施工，應(yīng)采取積極的降溫措施，來保證焊縫鐵素體和奧氏體的占比。正面保護(hù)宜采用98%Ar+2%N2,背面保護(hù)宜采用100%N2來彌補(bǔ)焊接過程N(yùn)元素流失，更有利于增加焊縫的穩(wěn)定性，但此過程如果控制不好冷卻速度容易析出氮化鉻。另外極端寒冷條件不采取預(yù)熱措施，管道焊接很容易產(chǎn)生裂紋。

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