S32101 經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼焊接工藝研究

劉玉祥 森松（江蘇）重工有限公司上海分公司 上海 201323

雙相不銹鋼已有近80 年的歷史，早期第一代雙相不銹鋼雖然具有良好的性能，但在焊接狀態(tài)下局限性較大，其焊接接頭的熱影響區(qū)鐵素體過(guò)多而導(dǎo)致韌性低，同時(shí)耐腐蝕性明顯低于母材。隨著煉鋼的精煉技術(shù)的發(fā)展和氬氧脫碳工藝的發(fā)明，氮作為合金元素的刻意添加，使其焊接接頭的熱影響區(qū)韌性、耐腐蝕性得到了明顯的改善，發(fā)展出了第二代雙相不銹鋼[1]。第二代雙相不銹鋼根據(jù)化學(xué)成分的高低，又細(xì)分為經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼（如S32101，S32304 等）、標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼(如S31803、S32205等)、超級(jí)雙相不銹鋼（如S32750、S32760 等）。S32101 雙相不銹鋼與S32304 雙相不銹鋼相比，其化學(xué)成分中的鎳元素含量更低，而鎳元素價(jià)格昂貴，其含量的降低，讓S32101 雙相不銹鋼的經(jīng)濟(jì)性顯得更為突出。近年來(lái)，S32101 雙相不銹鋼在化工行業(yè)的濃縮器、蒸發(fā)器，核電行業(yè)的結(jié)構(gòu)模塊，火電廠煙氣脫硫設(shè)備、造紙工業(yè)設(shè)備、水處理設(shè)備上得到了大量的應(yīng)用[2-4]。

1 S32101 材料介紹

1.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能

S32101 雙相不銹鋼（后面簡(jiǎn)稱S32101 雙相鋼）于2002 年由瑞典Avesta Polarit 公司（OutoKumpu公司）開(kāi)發(fā)，企業(yè)牌號(hào)為L(zhǎng)DX 2101[5]，后被納入ASME 第II 分卷A 篇SA-240 標(biāo)準(zhǔn)中。SA-240 S32101 雙相鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

雙相鋼與304L、316L 奧氏體不銹鋼相比，其化學(xué)成分中鎳的含量更低，S32101 雙相鋼與標(biāo)準(zhǔn)雙相鋼S32205 以及經(jīng)濟(jì)型雙相鋼S32304 相比，化學(xué)成分中的鎳進(jìn)一步降低，僅有1.35%~1.70%，鎳元素的降低確保了S32101 雙相鋼的經(jīng)濟(jì)性。從表2 的力學(xué)性能對(duì)比中可以看出，S32101 雙相鋼比304L、316L 奧氏體不銹鋼、S32304 及S32205 雙相鋼具有更高的強(qiáng)度，在相同的設(shè)計(jì)條件下，采用S32101 雙相鋼可減小設(shè)備壁厚，使設(shè)備更輕，可節(jié)約更多的成本。S32101 雙相鋼雖然降低了鎳元素的含量，但提高了錳、氮元素的含量，使基體獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，從而達(dá)到了兩相平衡，同時(shí)，錳、氮元素的提高也對(duì)材料起到了一定的強(qiáng)化作用。

1.2 腐蝕性介紹

S32101 雙相鋼具有奧氏體、鐵素體兩相組織結(jié)構(gòu)，鐵素體組織使其具有出色的耐氯化物應(yīng)力腐蝕的能力，奧氏體組織使其具有非常好的抗晶間腐蝕的能力。S32101 雙相鋼在硫酸中比304L 不銹鋼具有更好的耐均勻腐蝕性能，在大多數(shù)無(wú)機(jī)酸及堿液環(huán)境中，耐腐蝕性與316L 不銹鋼相接近，而在有機(jī)酸液中，S32101 雙相鋼的耐蝕性接近或超過(guò)S32205 雙相鋼[7-8]。根據(jù)抗點(diǎn)蝕指數(shù)PREN 公式[9]計(jì)算，S32101 雙相鋼抗點(diǎn)蝕指數(shù)約為26%，304L不銹鋼約為19%，316L 不銹鋼約為24%，S32205雙相鋼約為35%，S32101 抗點(diǎn)蝕能力高于304L、316L 不銹鋼，低于S32205 雙相鋼。

PREN= %Cr+3.3 x(%Mo+ 0.5×%Mo)+16×%N[9]

1.3 焊接性能分析

由于存在奧氏體、鐵素體兩相組織結(jié)構(gòu)，因此，雙相鋼對(duì)焊接冷裂紋、熱裂紋均不具有敏感性。雙相鋼如何保證兩相組織平衡是焊接的關(guān)鍵點(diǎn)之一，焊接線能量過(guò)高以及焊接道間溫度過(guò)高，均會(huì)導(dǎo)致奧氏體組織偏高，焊接線能量過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致鐵素體組織偏高。雙相鋼等溫析出曲線見(jiàn)圖1。

圖1 雙相鋼等溫析出曲線（LDX2101 即S32101）

從圖1 可以看出，與含鉬較高的S32205、S32750雙相鋼相比，S32101 雙相鋼不容易產(chǎn)生Sigma 相，但當(dāng)溫度處于700℃左右時(shí)，停留時(shí)間約10 分鐘，就會(huì)有碳化物、氮化物析出，當(dāng)溫度處于475℃左右時(shí)，不到5 分鐘的時(shí)間便有Alpha 相析出。碳化物、氮化物、Alpha 相等有害相的析出，將會(huì)造成材料脆化，沖擊韌性、塑性下降。從上述的分析中可以看出，為了獲得奧氏體、鐵素體平衡的兩相組織，以及避免焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)有害相，焊接線能量既不能過(guò)大也不能過(guò)低，道間溫度應(yīng)控制在較低的范圍內(nèi)。

2 焊接試驗(yàn)

GTAW 焊接方法具有焊接質(zhì)量高、操作靈活、受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式影響小的優(yōu)點(diǎn)，SAW 焊接方法具有焊接效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，更適用于大壁厚設(shè)備的縱向及環(huán)向焊縫的焊接，故本文介紹的SA-240 S32101 雙相鋼焊接試驗(yàn)分別使用了GTAW和SAW 兩種焊接方法。GTAW 方法焊接的試板編號(hào)為Y-1，SAW 方法焊接的試板編號(hào)為Y-2。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用國(guó)內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的S32101 雙相鋼，試驗(yàn)材料板厚為16 mm，板材實(shí)際力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

2.2 焊接坡口

焊接過(guò)程中，由于焊接應(yīng)力的作用，不可避免會(huì)產(chǎn)生焊接變形，為了減小試板的焊接變形，試板的坡口設(shè)計(jì)成雙面坡口形式，具體的坡口形式見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 Y-1 試板坡口

圖3 Y-2 試板坡口

為了保證焊接坡口精度與質(zhì)量，坡口采用銑床機(jī)械加工。

2.3 焊接材料

到目前為止，S32304、S32205、S32750 等雙相鋼均有與各自化學(xué)成分、力學(xué)性能相匹配的焊材，但針對(duì)S32101 雙相鋼，國(guó)內(nèi)、外焊材廠家均未曾開(kāi)發(fā)出相對(duì)應(yīng)化學(xué)成分的焊材。對(duì)于S32101 雙相鋼焊接所使用的焊材，按照AWS D10.18《鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼管和管道的焊接指南》標(biāo)準(zhǔn)中的表5 推薦，焊接采用2209 型焊接材料，也就是S32205 雙相鋼相匹配的焊材[10]。GTAW 焊接采用的氬弧焊絲型號(hào)為ER2209，SAW 焊接采用的埋弧焊絲型號(hào)為ER2209，埋弧焊劑按廠家匹配的焊劑。

2.4 試板的焊接

試板焊接前，采用丙酮對(duì)坡口及其兩側(cè)邊緣25mm 的范圍進(jìn)行清洗，防止油污產(chǎn)生焊接氣孔，影響焊接質(zhì)量。試板組對(duì)時(shí)要保證根部間隙均勻一致，GTAW 根部間隙為3mm，SAW 根部間隙為0~1mm，組對(duì)點(diǎn)焊采用GTAW 方法。

GTAW 焊接時(shí)，正面及背面采用純度為99.999%的氬氣進(jìn)行保護(hù)，并采用直線焊道焊接，禁止焊接過(guò)程有較大的擺動(dòng)。SAW 焊接前，焊劑需要按照焊材廠家推薦的溫度烘干，焊劑領(lǐng)用時(shí)，需要放在焊劑筒中。

試板焊接時(shí)，不進(jìn)行預(yù)熱，為了保證組織的兩相平衡以及避免有害相析出，焊接過(guò)程中，道間溫度嚴(yán)格控制在150℃以內(nèi)，焊接線能量控制在10~15KJ/cm 的范圍內(nèi)，具體的焊接規(guī)范參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 焊接規(guī)范參數(shù)

GTAW 正面焊接后，進(jìn)行背面焊接，背面焊接不進(jìn)行清根。SAW 正面焊接后，背面采用砂輪清根，清根后背面SAW 焊接。

2.5 無(wú)損檢測(cè)

試板焊接后，按照ASME V 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Y-1、Y-2焊接試板進(jìn)行100%滲透檢測(cè)以及100%射線檢測(cè)。滲透檢測(cè)后未發(fā)現(xiàn)表面缺陷，射線檢測(cè)后，試板內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷，滲透檢測(cè)及射線檢測(cè)結(jié)果分別滿足ASME VIII-1 標(biāo)準(zhǔn)APP.8 和UW-51 的要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

Y-1、Y-2 試板按照ASME IX《焊接、釬接和粘接評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，同時(shí)又增加了鐵素體、硬度、宏觀金相、顯微組織、腐蝕等試驗(yàn)。

3.1 拉伸與彎曲試驗(yàn)

按照ASME IX 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Y-1、Y-2 每塊試板取2 個(gè)橫向拉伸試樣、4 個(gè)側(cè)向彎曲試樣。拉伸試驗(yàn)、側(cè)向彎曲試驗(yàn)取樣要求分別滿足ASME IX 卷QW462.1（a）與QW-462.2 要求，在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如見(jiàn)5、表6。

從表5 的拉伸試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，抗拉強(qiáng)度值均大于S32101 母材標(biāo)準(zhǔn)的下限值650MPa，滿足ASME IX 標(biāo)準(zhǔn)中QW-193 要求的合格指標(biāo)。從表6 彎曲結(jié)果來(lái)看，焊接接頭經(jīng)過(guò)彎曲變形后，焊接接頭表面沒(méi)有任何開(kāi)裂，證明焊接接頭具有良好的致密性和塑性，進(jìn)一步表明焊縫內(nèi)部沒(méi)有缺陷。拉伸、彎曲試驗(yàn)的合格，說(shuō)明S32101 雙相不銹鋼采用2209 型焊材焊接，可以得到滿足強(qiáng)度與塑性要求的焊接接頭。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 側(cè)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.2 沖擊與鐵素體試驗(yàn)

按照ASME VIII-1 標(biāo)準(zhǔn) UG 84 要求的位置進(jìn)行沖擊取樣，根據(jù)最低設(shè)計(jì)金屬溫度，進(jìn)行-20℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

按ASTM E562《用系統(tǒng)人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法測(cè)定體積分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鐵素體檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 鐵素體試驗(yàn)結(jié)果

從表7 的沖擊結(jié)果可以看出，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功均大于要求的34J，側(cè)向膨脹量均大于0.38 mm，表8 數(shù)據(jù)中的鐵素體均滿足通常要求30%~65%的范圍。由于焊接材料選擇2209 型焊材，焊縫金屬中的鎳元素含量高，鎳為奧氏體化元素，鎳元素?cái)U(kuò)大了組織中的奧氏體相區(qū)，因此，焊縫的鐵素體含量低于焊接熱影響區(qū)，同時(shí)，由于奧氏體相的增多，使焊縫金屬具有更優(yōu)異的沖擊韌性，因此，焊縫的沖擊功均高于焊接熱影響區(qū)。受電弧熱輸入的作用，熱影響區(qū)的母材組織進(jìn)一步長(zhǎng)大，導(dǎo)致熱影響區(qū)的沖擊性能下降，因此，相對(duì)于表3 母材的沖擊功，熱影響區(qū)的沖擊功也有一定程度的下降。

3.3 宏觀金相試驗(yàn)

按照ASTM E340《金屬和合金宏觀腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Y-1、Y-2 試板進(jìn)行了宏觀金相試驗(yàn)。對(duì)Y-1、Y-2 試板取焊縫截面試樣，經(jīng)打磨拋光后，采用王水溶液進(jìn)行浸蝕，宏觀金相試樣在電子顯微鏡下10 倍放大觀察，焊縫金屬與母材熔合良好，無(wú)裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，宏觀金相試樣照片見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 Y-1 宏觀照片

圖5 Y-2 宏觀照片

圖6 Y-1 焊縫顯微組織

圖7 Y-1 熱影響區(qū)顯微組織

圖8 Y-2 焊縫顯微組織

宏觀金相試驗(yàn)的合格，表明S32101 雙相鋼采用2209 型焊材焊接，選擇GTAW 和SAW 焊接方法，其焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

3.4 硬度試驗(yàn)

按照ISO9015-1《金屬材料焊接的破壞性試驗(yàn)—硬度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Y-1、Y-2 試板進(jìn)行硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 硬度試驗(yàn)結(jié)果(HV10)

表9 的硬度數(shù)據(jù)中，硬度值均小于310HV10，滿足工程技術(shù)規(guī)范的硬度指標(biāo)要求。

3.5 顯微組織

按照ASTM E407-07e1《金屬和合金微蝕的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Y-1、Y-2 試板焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行顯微組織試驗(yàn)。試樣拋光后，經(jīng)氫氧化鈉水溶液電解，在高倍顯微鏡下500 倍放大觀察，焊縫和焊接熱影響區(qū)的顯微組織為奧氏體+鐵素體組織，顯微組織中未見(jiàn)顯微裂紋缺陷以及碳化物、氮化物、Alpha 相等有害相，焊縫、熱影響區(qū)的顯微組織見(jiàn)6~圖9。

圖9 Y-2 熱影響區(qū)顯微組織

3.6 腐蝕試驗(yàn)

對(duì)奧氏體、鐵素體雙相鋼金屬間有害相，除了通過(guò)顯微組織試驗(yàn)觀察外，還可以通過(guò)腐蝕試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證。焊縫及熱影響區(qū)如產(chǎn)生了有害相，耐腐蝕性將明顯下降。對(duì)S32205、S32750 雙相鋼，按照ASTM 923 標(biāo)準(zhǔn)中的C 法—氯化鐵溶液進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，對(duì)于鎳含量低于S32205、S32750 的S32101 經(jīng)濟(jì)型雙相鋼，采用ASTM A1084《經(jīng)濟(jì)型雙相奧氏體鐵素體不銹鋼有害相檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)中方法C 進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)更為合適[11]。對(duì)Y-1、Y-2試板取樣、拋光后，按照ASTM 1084 標(biāo)準(zhǔn)中的C 法，將腐蝕試樣置于25℃恒溫的三氯化鐵-硝酸鈉溶液中腐蝕24 h 后，取出清潔稱重，經(jīng)計(jì)算，Y-1、Y-2腐蝕試樣的腐蝕率分別為2.4 mdd、3.4 mdd，滿足標(biāo)準(zhǔn)中≤10 mdd 的要求。腐蝕試驗(yàn)的合格，也證明了焊縫和熱影響區(qū)中沒(méi)有有害相析出。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)S32101 雙相鋼采用GTAW、SAW 焊接方法焊接，焊接材料采用2209 型焊材，可獲得良好的拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能，選擇2209 型焊材的焊縫金屬，其沖擊性能優(yōu)于焊接熱影響區(qū)。合理的控制焊接線能量，可獲得奧氏體、鐵素體平衡的兩相組織，焊縫及焊接熱影響區(qū)的顯微組織中未見(jiàn)有害相析出，且保證焊接接頭具有良好的耐腐蝕性。焊縫、焊接熱影響區(qū)的硬度值均可以滿足工程規(guī)范的要求。

（2）無(wú)損檢測(cè)及宏觀金相試驗(yàn)的合格，證明S32101 雙相鋼GTAW 和SAW 焊接方法的焊接工藝可靠，可獲得良好質(zhì)量的焊接接頭。

（3）S32101 雙相鋼具有較高的經(jīng)濟(jì)性，國(guó)外已經(jīng)形成成熟的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并在國(guó)外壓力容器行業(yè)中得到了推廣使用。目前國(guó)內(nèi)的鋼廠對(duì)S32101 雙相鋼具有成熟的坯料冶煉、軋制生產(chǎn)工藝，板材質(zhì)量穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)應(yīng)形成自己的板材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計(jì)規(guī)范，提高國(guó)內(nèi)壓力容器設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性。