双相不锈钢的焊接工艺研究毕业(论文)设计

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1、学 号1010131030_毕 业 论 文（设计） 课 题 双相不锈钢的焊接工艺研究 学生姓名 罗 浩 院 部 机械工程学院 专业班级 10金属材料工程（2）班 指导教师 杨 付 双 二一四年 六 月双相不锈钢的焊接工艺研究摘 要双相不锈钢是由奥氏体和铁素体两相组织按一定比例所组成，它兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的性能。与单相组织的不锈钢相比较，具有强度高的特征。近年来，双相不锈钢应用范围迅速扩大，已成为奥氏体不锈钢在许多应用领域最有力的竞争对手。本论文首先介绍双相不锈钢的定义、分类和性能以及其内部组织和化学成分,并且具体对每一种化学成分进行介绍.然后阐述针对不同的双相不锈钢焊接方法的选择,

2、焊接设备的选用,焊接材料的选择,焊接工艺参数的制定等等.最后以2205双相不锈钢为例重点阐述其焊接工艺研究。关键词：焊接工艺;焊接参数;焊条电弧焊。The Welding Process ofduplex stainless steelAbstract Duplex stainless steel is made of austenite and ferrite two-phase structure composed by a certain percentage, which combines the performance of austenitic stainless steel an

3、d ferritic stainless steels. Compared with the single phase stainless steel with high strength characteristics. In recent years, the rapidly expanding range of applications of duplex stainless steel, austenitic stainless steel has become the most powerful competitor in many applications. This paper

4、introduces the definition of duplex stainless steel, classification and performance as well as its internal organization and chemical composition, and specific chemical constituents for each presentation. Then explained the choice for choosing different methods of duplex stainless steel welding, wel

5、ding equipment, Finally in 2205 as an example focuses on the selection of welding parameters for welding materials, etc. to develop their research welding process.Keyword:Welding process; Process parameters; SMAW目 录摘要Abstract第1章 双相不锈钢11.1 双相不锈钢的定义和分类11.1.1 双相不锈钢的定义11.1.2 双相不锈钢的分类11.2 双相不锈钢的组织和性能11.2

6、.1 双相不锈钢的基本组织特征11.2.2 双相不锈钢的基本性能11.3 双相不锈钢的化学成分2第2章 双相不锈钢的焊接42.1双相不锈钢的焊接材料及选用42.1.1 双相不锈钢的焊接材料42.1.2 对焊缝金属的要求42.1.3 焊接材料的选用52.2 双相不锈钢的焊接方法62.2.1 焊接方法的选择62.2.2 双相不锈钢常用的焊接方法72.2.3 多层焊和工艺焊缝82.2.4 几种双相不锈钢焊接接头的性能82.3 双相不锈钢的焊接工艺要点92.4 双相不锈钢焊缝金属的力学性能10第3章 SAF2205双相不锈钢的焊接113.1 SAF2205双相不锈钢的概述113.2 SAF2205双相

7、不锈钢的焊接特点123.3 SAF2205双相不锈钢的焊接技术123.4 SAF2205双相不锈钢的焊接方法133.4.1 SAF2205双相不锈钢焊接方法概述133.4.2 SAF 2205双相不锈钢的焊条电弧焊133.4.3 SAF 2205双相不锈钢的埋弧焊163.4.4 2205双相不锈钢的TIG焊17结论19参考文献20致谢21插图清单图 2-1 2205双相不锈钢的金相组织11表格清单表 1-1 各类型双相不锈钢的化学成分3表 2-1 双相不锈钢的焊接材料熔敷金属的化学成分4表 2-2 各类双相不锈钢焊接材料的选用6表 2-3 典型的双相不锈钢推荐的最佳的焊接线能量和层间温度7表

8、2-4 焊缝金属中的N含量和奥氏体含量8表 2-5 焊缝金属中的铁素体含量、化学成分和力学性能9表 3-1 00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的化学成分11表 3-2 00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的室温力学性能11表 3-3 SAF2205双相不锈钢焊缝金属冲击功技术标准12表 3-4 SAF2205双相不锈钢熔敷金属化学成分14表 3-5 SAF2205双相不锈钢熔敷金属力学性能14表 3-6 焊条电弧焊焊接参数14表 3-7 焊条电弧焊焊接接头铁素体含量及性能15表 3-8 AVESTA2205/ AVESTA805熔敷金属化学成分16表 3-9 AVESTA2205/ AVES

9、TA805熔敷金属力学性能16表 3-10 2205双相不锈钢SAW焊焊接参数16表 3-11 焊接接头性能16表 3-12 TIG焊熔敷金属化学成分17表 3-13 TIG焊熔敷金属力学性能17表 3-14 TIG焊焊接参数18铜陵学院毕业论文（设计）第1章 双相不锈钢1.1双相不锈钢的定义和分类1.1.1双相不锈钢的定义所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30%。在含C较低的情况下，Cr含量在18%28%，Ni含量在3%10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更

10、高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。1.1.2双相不锈钢的分类双相不锈钢一般可分为四类：第一类低合金型，代表牌号UNSS32304，钢中不含钼，PREN：24-25，耐应力腐蚀方面可代替AISI304或是316使用。第二类中合金型，代表牌号UNSS31803，PREN：32-33耐蚀性能介于AISI316L和6%MO+N奥氏体不锈钢之间。第三类高合金型，一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还

11、含有铜和钨，标准牌号有UNSS32550，PREN：38-39耐蚀性能高于22%Cr双相不锈钢。第四类超级双相不锈钢型，含高钼和氮，标准牌号有UNSS32750，有的也含钨和铜，PREN40可使用于苛刻的介质条件，具有良好的耐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相媲美1。（注：PREN：孔蚀抗力当量值）1.2双相不锈钢的组织和性能1.2.1双相不锈钢的基本组织特征双相不锈钢是由40%60%的铁素体加体积分数为60%40%的奥氏体组成的，因此又称奥氏体-铁素体双相不锈钢。双相不锈钢兼具奥氏体不锈钢具有的优良的塑性、韧性与铁素体系不锈钢具有的抗应力腐蚀裂纹性能。此外，由于其组织是双相的微细化组织

12、，所以，与单相组织的不锈钢相比较，具有强度高的特征（屈服强度是耐腐蚀性能相当的高合金化奥氏体不锈钢的2倍）。由于双相不锈钢具有奥氏体和铁素体双相组织结构，因而那它也兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，双相不锈钢与铁素体和奥氏体不锈钢相比，具有无可比拟的特点。与铁素体不锈钢相比，奥氏体-铁素体双相不锈钢的韧性高、脆性转变温度低、耐晶间腐蚀性和焊接性均显著提高;同时，它也保留了铁素体不锈钢的一些特点，如475脆性、在铁素体中析出相的脆化现象、热导率高、线涨系数小、具有超塑性、有磁性等。与奥氏体不锈钢相比，奥氏体-铁素体双相不锈钢的强度高，特别是屈服强度高，且耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐疲劳腐蚀等有

13、明显改善。目前用它替代奥氏体不锈钢作为耐应力腐蚀设备的材料已成为趋势。1.2.2双相不锈钢的基本性能 所谓双相不锈钢即其金属组织为奥氏体和铁素体各约占一半，或者其中之较少相的含量至少也有30%的不锈钢。因此，双相不锈钢的性能也是综合了奥氏体和铁素体组织的性能。将奥氏体不锈钢所具有的优良的韧性和焊接性与铁素体不锈钢的高强度和耐氯化物应力腐蚀性结合在一起2。奥氏体-铁素体双相不锈钢具有如下的基本性能：有良好的耐氯化物应力腐蚀裂纹的能力。有较好的抗点蚀缝隙腐蚀性能，优于奥氏体不锈钢。有良好的耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀性能。结合力学性能好。有较高的强度，屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的约两倍。 焊接性好

14、，热裂倾向小。一般不需要焊前预热和焊后热处理，可与18-8型奥氏体不锈钢及碳钢进行异种钢焊接。低铬的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽，抗力小，高铬的双相不锈钢热加工比18-8型奥氏体不锈钢难。双相不锈钢比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的热导率大，线涨系数小。仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆化倾向，不宜在高于300的温度下使用。若铬含量较低，脆性相析出的危害性较小。1.3双相不锈钢的化学成分 双相不锈钢一般可分为四类，按其分类，各类型双相不锈钢的化学成分如表1-1所示：表1-1双相不锈钢的化学成分表【2】类别标准商业牌号化学成分1%孔蚀当量低合

15、金型UNS S32304SAF23040.032340.10.10.224W.Nr1.4362UR 35NSS 2327中合金型UNSSAF22050.032252.80.1532/33SS 2377UR45N+0.0322.863.30.1835/36UNS S315003RE600.0318.552.70.129WNr1.4417A903UNS S 3290010RE510.08254.51.530W.Nr1.4460SS 2324AISI 329UR500.06217.52.51.529UNS S32950Carp7Mo+0.03274.81.750.2535高合金型UNS S32550

16、Ferralium0.0525630.181.83738UNS S31250DP30.0325730.160.537UR47N0.03256.530.2238/39W.Nr14507UR52N0.03256.530.171.538VS250.03256.530.1838超级DDSUNS S32760Zeron1000.032573.50.240.70.74041.5W.Nr1.4501UNS S32750SAF25070.032573.80.2841W.Nr1.4410UR47N+SS 2328UNS.S32550UR52N+0.032573.50.251.541W.Nr1.4507UNS.S

17、32740DP3W0.03730.2723942.5第2章 双相不锈钢的焊接2.1双相不锈钢的焊接材料及选用2.1.1双相不锈钢的焊接材料双相不锈钢的焊接材料列入标准的不多，目前国内外已开发出各种双相不锈钢用的焊接材料，具体有电弧焊用焊条。气体保护焊用实心焊丝和药芯焊丝。埋弧焊用焊丝和焊剂、堆焊用焊丝和焊带等。表2-1所示为国外（以瑞典Sandvik公司为代表）常用双相不锈钢所采用的填充材料的牌号及典型的化学成分。表2-1瑞典研制的双相不锈钢的焊接材料熔敷金属的化学成分（质量分数）【3】类别牌号CSiMnSmaxPmaxCrNiMoN实芯焊丝22.8.3.L0.020.51.60.0250.0

18、302393.20.1625.10.4.L0.020.30.4259.54.00.25药芯焊丝22.9.3LT0.020.61.522.593.00.15焊条22.9.3LR0.80.82293.00.1322.9.3Lb0.50.7259.54.00.2525.10.4LB0.80.82293.00.1525.10.4LB0.040.50.7259.54.00.252.1.2对焊缝金属的要求尽管说双相不锈钢是由奥氏体-铁素体这两相组成，但实际上，一般来说，焊缝金属并不是各占一半，而是奥氏体占优势。因为若铁素体占优势，铁素体组织晶粒粗大，部分铁素体会转变为二次奥氏体2。因为，铁素体中C、N的溶

19、解度低，将可能造成Cr的C、N化合物的析出，引起焊缝金属的脆化和耐腐蚀性下降。但若焊缝金属中奥氏体含量过高，必须提高Ni含量，这样焊缝金属的结晶将是的转变，造成铁素体含量太低，焊缝金属的强度必然下降。又由于Cr、Mo在、中的溶解度的不一样，Cr、Mo在相的过分集中而易于析出脆性相。实践证明，双相不锈钢焊缝金属中有60%70%的奥氏体，具有优良的力学性能和耐腐蚀性。可以有效的防止C、N化合物和二次奥氏体2的析出，而提高韧性和耐腐蚀性及细化晶粒，由于大部分铁素体在冷却时间要转变为奥氏体，可以形成较细的亮相组织，提高焊缝金属的韧性和抗裂性。由于奥氏体占优势，使得Cr、Mo、Ni等合金元素在两相中分配

20、比例适当，避免两相成分差异太大。对于一些超级双相不锈钢，脆性的相析出比较敏感，奥氏体占优势可以有效地防止相析出。2.1.3焊接材料的选用 在双相不锈钢研究初期，大多采用奥氏体焊接材料，如E309SiL、E309MoL/E316L等。这种奥氏体焊缝金属基本上能满足一些双相不锈钢的需求，至今仍有应用。但是，焊缝金属与母材在化学成分和组织上的差异，焊缝金属的强度比母材低，耐腐蚀性也不匹配3。现在，国内外已研制出适应于各种双相不锈钢的焊接材料，其特点是焊缝金属组织为奥氏体占优势的铁素体-奥氏体双相组织，主要耐腐蚀元素（Cr、Mo等）含量与母材相当，从而保证焊缝金属与母材有相当的耐腐蚀性。为了保证焊缝金

21、属中奥氏体含量，通常都要提高其Ni和N的含量，也就是提高约2%4%的镍当量。在双相不锈钢母材中，一般都有一定的N 含量，在焊接材料中也应有一定的N含量，但一般不宜太高，否则会产生气孔。因此，焊接材料的Ni含量比母材高就是一个主要差别。由于双相不锈钢发展时间不长，各国和不同厂家对焊接材料的选用差别较大，表2-2所示为我国和瑞典等各国选用的与母材相匹配的双相不锈钢焊接材料。表2-2各类双相不锈钢焊接材料的选用【4】类型母材焊接方法AWS国内瑞典英国Cr1800Cr18Ni5Mo3Si3RE60TIGMIGER309MoLH00Cr25Nil3Mo3-H00Cr20Nil0Mo3焊条电弧焊E309M

22、oLE309MoL-A022Si00Cr18Ni6MoSiNbTIGMIG-H00Cr18Nil4Mo2-H00Cr20Nil0Mo6焊条电弧焊-E306l-E309MoLCr2200Cr21Ni5TiSAF2304TIGMIGER2209-23.7LER329N22.8.3L焊条电弧焊E2209E220923.8LR-E309MoL22.9.3LR00Cr22Ni5Mo3NSAF2507TIGMIGER2209H00Cr22Ni8Mo3N22.8.3LER329N焊条电弧焊ER2209TE220922.9.3LR2205XKS22.9.3LBULTRAMET2205FCAWE2209E309

23、MoL22.9.3LTSUPERCODE220525-9-2注：FCAW-药芯焊丝电弧焊；L-焊丝；LR-钛型焊条；LB-碱性焊条；LT-药芯焊丝2.2 双相不锈钢的焊接方法2.2.1 焊接方法的选择由于双相不锈钢自身的冶金特点，在选择焊接方法上应注意一下几点：1.焊接能量和层间温度。过低的焊接线能量会使奥氏体的转变量减少，甚至于会抑制焊后冷却过程中的铁素体向奥氏体的转变，而得到单相铁素体组织，使其失去双相不锈钢的特点，使用性能大大降低。因此，激光焊、电子束焊和等离子焊等高能束焊不适于焊接双相不锈钢。过高的焊接线能量会使焊缝金属及焊接热影响区过热区的晶粒粗大，韧性降低。SMAW、TIG、MIG

24、可用来焊接双相不锈钢。为了获得双相不锈钢焊接接头的最佳性能，除合理地选用焊接材料外，还必须选择最佳的焊接线能量和层间温度，通常将焊缝金属的奥氏体含量控制在60%70%。表2-3给出了三种典型的双相不锈钢推荐的最佳的焊接线能量和层间温度。表2-3焊接线能量和层间温度【5】钢的牌号线能量/（kJ/cm）层间温度/SAF2304525250SAF2205525250SAF25072151502.适宜采用多层焊，多道次，低熔合比。3.适宜采用焊后热处理。因为焊后热处理存在诸多困难，生产上难以实现。固溶处理的温度太高（10001050），生产上难以实现。另外，中温处理会导致脆化相析出，韧性和耐腐蚀性降低

25、。2.2.2双相不锈钢常用的焊接方法2.2.2.1 焊条电弧焊焊条电弧焊适用于全位置焊接。对于双相不锈钢而言，钛型焊条比碱性焊条的焊接工艺性好，尤其是脱渣性好，这一点对多层焊很重要，可以提高效率和避免夹杂。但是，钛型焊条比碱性焊条得到的焊缝金属的韧性较差。所以，对于焊件有低温性能要求时应采用碱性焊条。2.2.2.2 钨极惰性气体保护焊 TIG焊常用于根部焊道的焊接或自动焊接，也常用于薄板或管板接头的焊接。TIG 焊能够保证焊件有良好的力学性能，特别是低温脆性。一般TIG焊的熔敷效率较低，即使自动焊也如此。TIG焊时应采用纯Ar或Ar+2% N2作为保护气体。但V型坡口根部焊接且双面成型时，背面

26、需用保护气体保护，且用Ar+5%N2作为保护气体。因为焊缝表面容易失N。应当推荐使用Ar+N2混合气体作为双相不锈钢TIG 焊的保护气体。因为正如前面已经提到的那样，为了保证双相不锈钢焊缝金属中奥氏体占优势，焊缝金属的铬当量/镍当量之比应比母材小。若使用Ar+N2混合气体，则可使焊缝金属增N，N是强奥氏体形成元素，焊缝金属增N就等于增大了镍当量，间接地达到了使铬当量/镍当量之比变小的目的。实践证明，在保护气中加N2后，焊缝金属中的N含量和奥氏体含量都增加了，如表2-4所示:表2-4 焊缝金属中的N含量和奥氏体含变化【5】母材焊接材料保护气体焊缝金属中的N含量焊缝金属中的奥氏体含量SAF2507

27、25.10.4L（N=0.25%）Ar0.23554.5Ar+N23%0.27-Ar+N25%-674.0Ar+N26%0.33-2.2.2.3 埋弧焊 埋弧焊可以用于双相不锈钢厚板的焊接，埋弧焊的问题是熔合比较大，可以通过调整坡口形式，正确的选用焊接线能量以及层间温度，对熔合比加以控制。若厚壁件的焊接，前几道由于熔合比较大，焊缝金属铁素体含量可能太大，加之冷却速度慢，晶粒粗大，有可能使焊缝金属和焊接热影响区发生脆化。这一点可以用调整焊接材料，即前几道熔合比较大时，采用镍当量稍大的焊接材料。2.2.3多层焊和工艺焊缝 采用WMAW法进行多层焊时，由于后道对前道的热处理作用，焊缝金属中的铁素体会

28、进一步转变成奥氏体，成为以奥氏体占优势的两相组织；毗邻焊缝的焊接热影响区组织中的奥氏体含量也会由于多次加热而增多，从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。但是，若是多次加热到中温区，引起脆性相析出，也可能发生脆化。 由于上述原因，我们可以在焊完之后再熔敷一道工艺焊缝，以便对最后一道焊缝及其焊接热影响区进行一次热处理，以利于改善组织和提高性能。工艺焊缝最后可以经过加工去除。2.2.4几种双相不锈钢焊接接头的性能耐点蚀性能双相不锈钢的点蚀率显著低于奥氏体不锈钢304L及316L。随着双相不锈钢含铬量的提高，点蚀率下降。各钢种焊接接头的点蚀率与母材基本一致。焊缝金属和焊接热影响区未出现集中腐蚀现象，

29、但随着温度的升高，点蚀率增加。耐晶间腐蚀性能研究表明，00Cr22Ni5Mo3N，00Cr25Ni6Mo2N，00Cr25Ni7WCuN三种钢均无晶间腐蚀发生。00Cr18Ni5Mo3Si2钢如果将相比例控制在各为50%时，也无晶间腐蚀发生。但当相比例发生变化，铁素体含量达到70%时，焊接接头将发生晶间腐蚀，但也只有12个晶粒的深度。耐缝隙腐蚀性能。 研究表明，00Cr22Ni5Mo3N钢和00Cr25Ni7WCuN钢在焊缝及焊接热影响区均未发现集中腐蚀现象，耐缝隙腐蚀性能良好。耐应力腐蚀性能 双相不锈钢耐应力腐蚀性能是与其主要相组成铁素体与奥氏体的平衡比例、分布状态以及晶粒大小密切相关。在相

30、比例相同条件下，细晶粒组织以及无方向性的第二相弥散分布也是提高耐应力腐蚀性能的重要条件。研究表明，双相不锈钢耐应力腐蚀性能较好。2.3 双相不锈钢的焊接工艺要点 从前面的分析可知，双相不锈钢（A-F型）的焊接要遵守一定的焊接工艺，关键的一点是要会在焊接热影响区形成过多粗大的晶粒及析出氮化铬等析出物。应在焊接材料的选择及焊接方法和焊接条件的配合上，使得焊缝金属中铁素体含量达到30%40%，否则，也应使其焊缝金属及焊接热影响区的铁素体含量在70%以下，不然的话，易于产生冷裂纹【6】。焊接含氮的双相不锈钢的要点如下：1. 填充金属应当用氮合金化，并且适当添加Ni含量。表2-5所示为含氮双相不锈钢焊缝

31、金属中的铁素体含量、化学成分和力学性能表 2-5焊缝金属中的铁素体含量、化学成分和力学性能【6】编号铁素体含量（%）焊接方法力学性能化学成分（质量分数%）0.2/MPab/MPa5（%）Ak/JCCrNiMoN其他11723SMAW62778623.6630.03420.839.152.710.15-22936SMAW62279223.1590.03622.218.812.820.13-34345SMAW64480822.6460.03422.798.212.840.13-42837GMAW60880926.8980.03722.528.513.030.14-52736SMAW69889232

32、.0400.04826.047.442.070.33Mn4.50 注：SMAW线能量911kJ/cm;GMAW线能量2022 kJ/cm，Ar+2.5%CO2，不预热，层间温度1001502.焊接时，焊缝金属和焊接热影响区过热区的冷却时间t不能太短。应根据板厚选择合适的焊接线能量，厚板的焊接线能量应大些，薄板的焊接线能量应小些。3.不加填充金属的焊接应予避免，因为焊缝金属中易产生高铁素体含量。4.如果焊接热影响区较窄，而且晶粒细小，铁素体含量也不高，其抗腐蚀性及韧性应当较好。5.应当使富Ni的填充金属与低Ni的母材的熔合比小，以避免焊缝金属含Ni量过低，铁素体含量太高，熔合比以低于35%为好。

33、6.焊接材料要按规定烘干和保存。7.要避免焊缝金属扩散氢含量过高，以免诱发冷裂纹。8.一般不需要预热，对厚大件可预热到100150。9.厚度小于12mm的焊件，层间温度不能大于150，厚度大于12mm的焊件，层间温度不能大于180。10.焊件一般不需要固溶退火。11.应在焊接过程中检测铁素体含量，以便控制之。12.不可在母材或焊缝金属上引弧。因为引弧区冷却速度太大，易导致引弧区铁素体含量太高，易超过80%。易导致引弧区抗腐蚀性降低。13.非合金钢或低合金钢与双相不锈钢焊接可采用双相不锈钢的填充金属。奥氏体钢与双相不锈钢焊接也可采用双相不锈钢的填充金属。2.4双相不锈钢焊缝金属的力学性能 由前所

34、知，铁素体含量为30%时，可获得令人满意的力学性能，并具有良好的抗腐蚀性。当加入Mn，并将N提高到w 0.35%左右时，屈服强度可提高到700MPa。为了防止长期工作产生475脆化，双相不锈钢和焊件的工作温度应在280以下。 第3章 SAF2205双相不锈钢的焊接3.1 SAF2205双相不锈钢的概述 SAF2205双相不锈钢是中合金双相不锈钢，它是瑞典的牌号，美国的牌号是UNS S31803，我国的牌号是00Cr22Ni5Mo3N，法国的牌号是UR 45N，日本的牌号是DP8.其化学成分及力学性能分别见表3-1和3-2。表3-1 00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的化学成分（质量分数）【7

35、】钢种CmaxSiMnPmaxSmaxCrNiMoN00Cr22Ni5Mo3N0.031.01.00.0350.0321235.56.52.53.5加SAF22050.031.02.00.030.02225.53.20.18W-Nr.1.44620.031.02.00.030.0221234.56.52.53.50.080.20表3-2 00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的室温力学性能【7】钢种规格/mmb/MPa0.2/MPa5（%）Ak/J硬度00Cr22Ni5Mo3N20棒材68045025150约20HRCSAF2205壁厚20管材68088045025-约260HV毛坯厚200锻材

36、68088041025-约260HV 其力学性能与钢板的回火温度有关，回火温度越高，强度越低。回火温度为600时，屈服强度为400MPa，抗拉强度为650MPa。a图3-1 2205双相不锈钢的金相组织图【8】 图3-1所示为2205双相不锈钢的金相组织（腐蚀剂30gKOH+30gKFe（CN）6+100mlHO），双相不锈钢的金相组织由铁素体（黑色）和奥氏体（白色）二相组成，具有体积分数大体相等的特征。 氮在强化2205双相不锈钢中起着重要的作用，但当氮的含量超过0.2%时，由于氮的间隙固溶强化使得奥氏体的强度大于铁素体。增加铁素体的含量，会导致冲击韧性降低，也导致氮在铁素体中的析出，生成氮

37、化铬，因为氮在铁素体中比在奥氏体中的溶解度低。冷加工能降低2205双相不锈钢的冲击韧性，提高脆性转变温度。而在280350区间过度时效也会导致韧性降低。 近年来，双相不锈钢应用范围迅速扩大，目前，双相不锈钢主要应用在海水等含氯离子腐蚀的环境，在石油化工、近海工程、船舶建设等领域正在不断推广应用。国际上一些主要技术标准对SAF2205双相不锈钢焊缝金属冲击功的要求见表3-3.表3-3 2205双相不锈钢焊缝金属冲击功的要求【8】技术标准试验温度/Akv/JDNV（制造业）-2027SPIE-CAPAG-2040NAM/NL-2041NORSOK/N-4627SHELL/UK-50273.2 SA

38、F2205双相不锈钢的焊接特点 SAF2205双相不锈钢在焊接过程中，最为突出的问题是热循环对焊接接头微观组织及其塑性、韧性和抗腐蚀性的影响。 与奥氏体不锈钢的焊接相比，SAF2205双相不锈钢的焊接对污染更敏感，因此在焊接前要对材料严格清理。焊接坡口常采用机械加工的方法，而一般不选择砂轮打磨的方法。 与奥氏体不锈钢相比，SAF2205双相不锈钢热导率大，线胀系数小，又包含两种组织，因此热裂倾向和变形小；与低合金高强钢相比，其组织中含有约50%的奥氏体，因此其冷裂纹倾向较小。从总体上看，SAF2205双相不锈钢的焊接性良好。 一般情况下，焊接双相不锈钢不需要进行预热，因此焊接热影响区的冷却速度

39、就不会受影响而境地太快。当冷却速度过快，焊接热影响区的铁素体含量增加太大时，这时最好进行预热。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的导热性良好，热膨胀系数较低，因此其产生的残余应力不会很大，抗热裂纹性显著提高，故双相不锈钢不怕用大的线能量进行焊接，层间温度可高达150。 焊后可以不用进行热处理，因为在3001000时双相不锈钢很敏感。在300700进行消除应力处理时可能导致析出相并产生475脆化现象，从而导致耐腐蚀性和韧性降低；在7001000进行应力消除处理时，金属间会析出化合物，也会导致耐腐蚀性和韧性的降低。3.3 SAF2205双相不锈钢的焊接技术1.焊接方法和焊接材料的选择。一般用于奥氏体不

40、锈钢的焊接方法，如焊条电弧焊，TIG焊和MIG焊等，都可用于双相不锈钢的焊接。双相钢焊接材料的含镍（或氮）量要比母材含镍（或氮）量高，以保证焊缝金属中的奥氏体占主要成分，焊缝金属中的铁素体的含量最好控制在30%45%。2.焊接参数的选择。焊接线能量不宜太大或也不宜太小，最好选择在525Kj/cm范围内的，焊件厚度决定其具体大小。焊接时一般不需要进行预热，但是有些时候的层间温度要控制，如多层多道焊的焊接就需要控制层间温度。3.焊接熔池及背面的保护。为提高焊缝的耐腐蚀性在进行气体保护焊时可以在保护气体中加氮，而为了保证焊接质量则必须进行有效的背面保护措施。一定要保证保护气体的纯度不背离工艺要求。4

41、.定位焊缝。定位焊接时，定位焊缝不可过长也不可过短，一定要确保焊接建立起平衡，这样焊缝冷却就不会太快，铁素体含量就不会过高、韧性不会过低。因此，采用定位焊时，最好规定定位焊缝的最短长度。并且尽可能的采用较大的线能量来对定位焊缝进行焊接。5.焊接过程材料的保护。材料表面的引弧和弧击，是一个很短的高温过程，冷却速度非常快，铁素体的含量非常之高。应全力避免这种对焊接裂纹和腐蚀很敏感的组织。如果不可避免则一定要用细砂轮去除干净。现场焊接过程中材料的保护非常重要，应避免碳钢，铜，低熔点金属或其他杂质对不锈钢的污染。不锈钢和碳钢应分开存放并分别进行焊接。焊接和切割过程中需要一直采取措施来防止飞溅、击弧、渗

42、碳、局部过热等8。3.4 SAF2205双相不锈钢的焊接方法3.4.1 SAF2205双相不锈钢焊接方法概述 SAF2205双相不锈钢可以采用TIG焊、MIG焊、SAW焊、SMAW焊的焊接方法进行焊接。用酸性焊条根部达不到设计对焊缝冲击韧度的要求，用碱性焊条则勉强能达到设计要求，钨极氩弧焊-40焊缝冲击值最高，达到170J以上，埋弧自动焊-40冲击值则在100J以上，也有相当的裕量，但埋弧自动焊的效率与成本的优点是钨极氩弧焊无法比拟的。3.4.2 2205双相不锈钢的焊条电弧焊3.4.2.1焊接性 双相不锈钢2205具有良好的焊接性，热裂纹和焊接冷裂纹的敏感性都较小。一般情况下焊前不必预热，焊

43、后也不进行热处理。由于有较高的氮含量，因此热影响区的单相铁素体化倾向较小，当选择合适的焊接材料时，并合理控制焊接线能量，就可以获得具有良好的综合性能的焊接接头。1.焊接冷裂纹。奥氏体含量高于50%的2205双相不锈钢，焊接冷热裂纹倾向非常小，淬透性也是非常小的。2.焊接热裂纹。相比奥氏体不锈钢,双相不锈钢的焊接热裂纹的敏感性要小得多。3.热影响区脆化。2205双相不锈钢的焊接接缝不存在大的问题，热影响区的问题则较大。因为在焊接热循环，该热影响区中的非平衡状态，冷却的冷却速度快并总是保留更多的铁素体，相比单相奥氏体不锈钢，敏感性较大和脆化腐蚀倾向比较敏感。4.475脆化。2205双相不锈钢通常含

44、有50%左右的铁素体，同样也存在475脆性，但相比铁素体不锈钢则不是那样的敏感。焊接时为了减少相脆化和475脆化，应进行980固熔处理，获得奥氏体-铁素体双相组织的不锈钢。3.4.2.2焊接材料选用AWS E2209焊条，其化学成分及力学性能分别见表3-4和3-5。建议线能量为1025KJ/cm,层间温度控制在150以下。表3-4熔敷金属化学成分（质量分数）【9】CSiMnSPCrNiMoN铁素体含量0.020.800.800.0020.01423.009.503.000.1730表3-5熔敷金属力学性能【9】0.2/MPab/MPa5(%) 温度 0-407008503355403.4.2.

45、3接头形式接头形式：对接；坡口形式：V形;钝边：00.5mm；坡口角度：70；间隙2.83.2mm；错边：00.5mm；余高：2mm；盖面焊缝宽度：比坡口宽度每侧增加0.52.0mm。3.4.2.4焊接参数焊条电弧焊的焊接参数如表3-6所示：表3-6焊条电弧焊焊接参数9焊条直径/mm极性焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（cm/min）线能量/（kJ/cm）2.5DECP701102022801200.81.53.25DECP801102224801200.81.53.25DECP801102225801000.81.54.0DECP15016026281802203.4.2.5焊接接头中铁素

46、体和奥氏体相比例的影响因素。焊接接头中铁素体和奥氏体的平衡关系受到钢中合金元素含量的影响，又受到填充金属、焊接热循环、保护气体的影响。1.合金元素的影响。研究发现，母材中含氮是很有用的。氮在保证焊缝金属和焊后热影响区内形成足够量的奥氏体方面具有重要作用。氮和镍一样是形成奥氏体和扩大奥氏体的元素，但是，氮的能力远超镍。在高温下，氮稳定奥氏体的能力也比镍大，可防止焊后出现单相铁素体，并能阻止有害金属间化合物相的析出。由于焊接热循环的作用，自熔焊或填充金属成分与母材相同时，焊缝金属的铁素体含量急剧增加，甚至出现纯铁素体组织。为了抑制焊缝中铁素体的过量增加，采用奥氏体占优势的焊缝金属是双相不锈钢的焊接

47、之必需。一般采取在焊接材料中提高镍或是加氮这两条途径。通常镍的含量比母材高出2%4%。用含氮的填充材料比只提高镍的填充材料效果更好，两种元素都可以增加奥氏体相比例并使其稳定，但加氮不仅能减缓金属间化合物相的析出，而且还可提高焊缝金属的强度和耐腐蚀性能。目前，填充材料一般都是在提高镍的基础上，再加入与母材含量相当的氮。对于双相不锈钢2205，钨极氩弧焊选用ER2209焊丝，焊焊条电弧焊选用Aves-ta2205AC/DC焊条是可以满足对焊接材料要求的。双相不锈钢2205及焊接材料在合金元素上的这些特点，为焊接参数即焊接线能量的选择提供了一定的范围，这对焊接时非常有利的。2.焊接热循环的影响。双相

48、不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头内的组织有影响，无论焊缝还是热影响区都会有相变发生，这对焊接接头的性能有很大的影响。因此，多层多道焊是有益的，后续焊道对前层焊道有热处理作用，焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体，成为以奥氏体占优势的两相组织；热影响区过热区中的奥氏体相也相应增多，且能细化铁素体晶粒，减少碳化物和氮化物从晶内和晶界析出，从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。也正是由于焊接热循环的影响，双相不锈钢焊接时要求与介质接触的焊道应先焊接，这一点与奥氏体不锈钢焊接顺序的要求恰恰相反。表3-7焊条电弧焊焊接接头铁素体含量及性能【10】铁素体含量（%）b/MPa弯曲试验Akv/JH

49、V平均腐蚀速度/mg.dm-2d-1焊缝表层焊缝内部HAZ母材34.229.533.749.7771180度不限962434.5479表3-7中的数据明显的说明了焊接热循环的这种作用。由于焊接热循环能够增加奥氏体的含量，因此，焊缝内部因受到后续焊道的热作用而提高了奥氏体的含量，降低了铁素体的含量。同样，由于焊接过程中热循环的作用，也提高了奥氏体的含量。3.焊接参数的影响。 焊接参数即焊接线能量对双相组织的平衡也起着重要的作用。由于双相不锈钢在高温下是100%的铁素体，若线能量过小，热影响区冷却速度快，奥氏体来不及析出，过量的铁素体就会在室温下保持下来。若线能量过大，冷却速度太慢，尽管可以获得足量的奥氏体，但也会引起热影响区得铁素体晶粒长大以及相等有害金属间化合物相的析出，造成接头脆化。为了避免上述情况的发生，最佳的措施是控制焊接线能量和层间温度，并使用奥氏体形成匀速高于母材的填充金属。4.保护气体的影响。 钨极氩弧焊时，可在氩气中加入2%氮气，防止焊缝表面因扩散而损失氧，有助于铁素体与奥氏体的平衡。3.4.3 2205双相不锈钢的埋弧焊3.4.3.1 2205双相不锈钢的埋弧焊的焊接材料。埋弧焊丝选用AVESTA22053.2mm，配套焊剂为AVESTA805。其熔敷