双相不锈钢的焊接工艺研究毕业论文(编辑修改稿)

双相不锈钢的焊接工艺研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

不锈钢的定义和分类 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。 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： 2425，耐应力腐蚀方面可代替 AISI 304 或是 316 使用。 第二类中合金型，代表牌号 UNSS31803， PREN： 3233 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，有的还含有铜和钨，标准牌号有 UNSS32550，PREN： 3839 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） 双相不锈钢的组织和性能 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，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σ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。 双相不锈钢的基本性能 罗浩：双相不锈钢的焊接工艺研究 2 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： ⑴ 有良好的耐氯化物应力腐蚀裂纹的能力。 ⑵ 有较好的抗点蚀缝隙腐蚀性能，优于奥氏体不锈钢。 ⑶ 有良好的耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀性能。 ⑷ 结合力学性能好。 有较高的强度，屈服强度是 188 型奥氏体不锈钢的约两倍。 ⑸ 焊接性好，热裂倾向小。 一般不需要焊前预热和焊后热处理，可与 188 型奥氏体不锈钢及碳钢进行异种钢焊接。 ⑹ 低铬的双相不锈钢热加工温度范围比 188 型奥氏体不锈钢宽，抗力小，高铬的双相不锈钢热加工比 188 型奥氏体不锈钢难。 ⑺ 双相不锈钢比 188 型奥氏体不锈钢加工硬化效应大。 ⑻ 与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的热导率大，线涨系数小。 ⑼ 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。 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 11 所示： 铜陵学院毕业论文（设计） 3 表 11 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 低合金型 UNS S32304 SAF2304 23 4 24 UR 35N SS 2327 中合金型 UNS SAF2205 22 5 32/33 SS 2377 UR45N+ 6 35/36 UNS S31500 3RE60 5 29 A903 UNS S 32900 10RE51 25 30 SS 2324 AISI 329 UR50 21 29 UNS S32950 Carp7Mo+ 27 35 高合金型 UNS S32550 Ferralium 25 6 3 37 38 UNS S31250 DP3 25 7 3 37 UR47N 25 3 38/39 UR52N 25 3 38 VS25 25 3 38 超级 DDS UNS S32760 Zeron100 25 7 40 UNS S32750 SAF2507 25 7 41 UR47N+ SS 2328 UR52N+ 25 7 41 DP3W 7 3 2 39 罗浩：双相不锈钢的焊接工艺研究 4 第 2 章 双相不锈钢的焊接 双相不锈钢的焊接材料及选用 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 21 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 21 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 C Si Mn Smax Pmax Cr Ni Mo N 实芯焊丝 23 9 25 药芯焊丝 9 焊条 ≤ 22 9 ≤ 25 ≤ 22 9 ≤ 25 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γ 2。 因为，铁素体中 C、 N 的溶解度低，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α→γ 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α、γ中的溶解度的不一样， Cr、 Mo 在α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γ 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σ相析出比较敏感，奥氏体占优势可以有效地防止σ相析出。 焊接材料的选用 铜陵学院毕业论文（设计） 5 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 22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。 罗浩：双相不锈钢的焊接工艺研究 6 表 22 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 Cr18 00Cr18Ni5Mo3Si3RE60 TIG MIG ER309MoL H00Cr25Nil3Mo3 H00Cr20Nil0Mo3 焊条电弧焊 E309MoL E309MoL A022Si 00Cr18Ni6MoSiNb TIG MIG H00Cr18Nil4Mo2 H00Cr20Nil0Mo6 焊条电弧焊 E306l E309MoL Cr22 00Cr21Ni5Ti SAF2304 TIG MIG ER2209 ER329N 焊条电弧焊 E2209 E2209 E309MoL 00Cr22Ni5Mo3N SAF2507 TIG MIG ER2209 H00Cr22Ni8Mo3N ER329N 焊条电弧焊 ER2209T E2209 2205XKS ULTRAMET2205 FCAW E2209 E309MoL SUPERCODE2205 2592 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 双相不锈钢的焊接方法 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：。 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铜陵学院毕业论文（设计） 7 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 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 23 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 23 焊接线能量和层间温度 【 5】 钢的牌号 线 能量 /（ kJ/cm） 层间温度 /℃ SAF2304 5~25 250 SAF2205 5~25 250 SAF2507 2~15 150 ，多道次，低熔合比。 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（ 1000℃ ~1050℃），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。 双相不锈钢常用的焊接方法 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。 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 24 所示 : 罗浩：双相不锈钢的焊接工艺研究 8。