通过对双相不锈钢2205采用埋弧焊焊接,通过外观、力学性能及其它性能的检验,结果表明:埋弧焊焊接在双相不锈钢压力容器设备中,完全能焊制出符合制造标准要求的焊接接头,提高生产效率。

1双相不锈钢概述

随着现代工业技术的日益发展,一般奥氏体不锈钢难以满足应力腐蚀、点腐蚀和缝隙隧洞式腐蚀的要求。所以不锈钢系列中,开发出了新钢种,如奥氏体—铁素体型不锈钢(简称双相不锈钢)。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%。双相不锈钢中一般含有较高的铬、钼合金元素,而加入这些元素都能使不锈钢具有较好的耐腐蚀性能。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。其生产成本与S31603没有大的差别,而在设计上由于双相不锈钢强度高,可以达到轻量化,减少钢材使用量。

双相不锈钢具有良好的焊接性,焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。通常焊前不预热,焊后不热处理。由于有较高的氮含量,热影响区的单相铁素体化倾向较小,当焊接材料选择合理,焊接线能量控制适当时。焊接接头则具有良好的综合性能。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、船舶建造等领域正在不断推广应用。

埋弧焊作为高效率、低成本的焊接方法,在造船业双相不锈钢焊接中已有较多的应用,但在石油化工行业的双相不锈钢压力容器设备制造中,由于技术要求偏严,仍主要采用手工焊条电弧焊、钨极氩弧焊。为了提高双相不锈钢的焊接效率,我公司将埋弧焊技术列为开发与应用的对象,对双相不锈钢进行了一系列的焊接工艺试验,取得了满意的效果,并成功应用于本公司双相不锈钢产品的埋弧焊。

2焊接试验

2.1原材料成分特点

本试验原材料采用标准为ASTM A240-10B,UNS编号为S32205双相不锈钢2205,属于第二代双相不锈钢。第二代双相不锈钢一般称为标准双相不锈钢,成分特点是低碳、含氮,其典型成分为22%Cr+5%Ni+0.17%N。与第一代双相不锈钢相比,S32205进一步提高氮含量,增强在氯离子浓度较高地酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点腐蚀性能。氮是强烈的奥氏体形成元素,加入到双相不锈钢中,既提高钢的强度且不显著损伤钢的塑韧性,又能抑制碳化物析出和延缓σ相析出。

2.2原材料化学成分及力学性能

化学成分见表1,力学性能见表2

2.3焊接认可性材料

双相不锈钢选用填充金属焊丝与基本金属成份相匹配的焊接材料。正确选择焊接材料是保证焊接接头的关键,接头质量和性能与焊接材料关系密切,焊缝及熔合区的组织和性能主要取决于填充金属材料及熔合比。如焊接材料选择不当,就会大大降低焊接接头的质量。在此,埋弧焊焊丝选用Sandvik 22.8.3.LER2209),规格φ4,焊剂选用Sandvik 15W。首先对焊材进行熔敷金属试验,其熔敷金属化学成分见表3,力学性能见表4:试验结果表明,ER2209/Sandvik 15W熔敷金属化学成分和力学性能相当,且力学性能有一定富裕量。说明本试验所选用的焊丝和焊剂能满足焊缝金属的性能要求。

2.4焊接试验

对双相不锈钢的焊接,除应正确选择焊材、焊接方法、坡口等参数外,在兼顾焊接效率的情况下,应适当采用多道焊,低熔敷率。这是因为采用多道焊时,后续焊道能促进前层焊道金属中得F(铁素体)进一步转变成A(奥氏体),最终的焊缝成为以A(奥氏体)占优势的两相组织。同时,焊接HAZ(热影响区)中的奥氏体也增多,从而显著改善整个焊接接头的组织和性能。确定了焊接方法和焊接材料后,随即开展焊接工艺试验。

力学性能评定标准:NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》;焊缝外观检查和无损检测结果不得有裂纹,执行标准:JB/T4730-2005《承压设备无损检测》。

2.4.1焊前准备:坡口在去除氧化皮后,采用机加工制备试板坡口。采用不锈钢专用砂轮片打磨坡口及坡口两侧各30mm范围,并用丙酮清洗,以除去氧化膜、油污。由于双相不锈钢对焊接环境要求严格,所以必须将双相不锈钢的焊接现场与碳钢现场隔离开,避免双相不锈钢焊接接头遭到碳污染。

2.4.2焊接坡口:坡口角度越小,熔合比(在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例)越大,所以为了得到合适的全焊透焊缝,通常在焊接双相不锈钢时,坡口根部间隙要比奥氏体不锈钢宽,坡口角度也要稍大一些。坡口形式见图1

2.4.3焊材的烘干及保温:焊剂使用前必须在350℃温度下烘干4小时,然后置于低温恒温箱内。

2.4.4预热和后热管理:双相不锈钢焊接性能优于其他类型不锈钢,一般焊前不需预热,焊后不需热处理。

2.4.5层间温度:合适的层间温度具有降低前道焊缝冷却速度的作用,有利于焊缝金属中γ相的形成,但若层间温度过高,会使焊缝组织和性能恶化。从查阅资料上得到信息,只要将层间温度控制在150℃以下,即可获得性能满意的焊接接头。

2.4.6焊接参数:焊接工艺参数即焊接线能量对双相不锈钢组织的平衡也起着关键的作用,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过冷保持下来。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的铁素体晶粒长大以及σ相等有害金属相的析出,造成接头脆化。所以在采用埋弧焊时焊接热输入不可过大也不可以过小。经过大量资料查阅,建议使用的线能量为5-25KJ/cm,所以特将本试验的线能量严格控制在15 KJ/cm左右。具体焊接参数详见表5

2.4.7焊缝清理:在焊接前后,都需要对焊缝进行清理,选用细砂纸打磨并用丙酮擦拭。避免使用钢刷,因为这样会产生微观裂缝,并降低耐腐蚀性。

2.4.8工艺焊缝:所谓工艺焊缝是指焊接终了时,在焊缝表面再施焊一层焊缝,以对表层焊缝和邻近的HAZ进行所谓的热处理,从而改善组织,提高性能,最后再将工艺焊缝加工去除。通过对焊缝铁素体含量测定时发现,面层铁素体含量均比心部组织要高,通过增加工艺焊缝,铁素体含量可降低6-10%。通过工艺焊缝,可以保证铁素体的含量不会过高。另外,双相不锈钢突出的耐应力腐蚀性能与其相比例有密切的关系,要保证双相钢的焊接接头具有同母材一样的各项优异性能,特别是优良的抗腐蚀性能,就必须使焊接接头中保持有适量的铁素体和奥氏体组织。由此看来,工艺焊缝是非常有必要的。

2.5焊接试验结果

2.5.1外观检验:无裂纹,合格;

2.5.2射线检验:按JB/T4730-2005,Ⅰ级合格;

2.5.3拉伸试验:抗拉强度780783MPa,均断于母材,合格;

2.5.4弯曲试验:弯轴直径40mm,弯曲角度180℃,4个侧弯均无裂纹,合格;

2.5.5铁素体含量:经测量5个点的平均值为47.1%,合格;

2.5.6耐腐蚀试验:腐蚀后失重0.09940.0404g,腐蚀率为2.621.07 g/m 2 h,合格;通过以上试验,结果表明:该双相不锈钢焊接接头性能能满足各项性能指标要求,试验所选择的各项参数均适用。说明埋弧焊工艺在双相不锈钢2205上的焊接是成功的。

3结论

经过本焊接试验证明:只要选择合适的焊接材料,配以合理的焊接工艺参数,双相不锈钢埋弧焊焊接接头性能符合各项指标要求。因此,埋弧焊值得在双相不锈钢压力容器设备制造中予以推广,以提高工效,降低生产成本,提高焊接质量。