2205雙相不銹鋼的焊接工藝

摘

要本文分析了2205雙相不銹鋼的材料特性和焊接性，施工前對(duì)該種材質(zhì)的板材進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，確定了其焊接工藝。在實(shí)際施焊過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，既保證了焊接質(zhì)量，又提高了焊接效率，滿足了設(shè)計(jì)、規(guī)范和建設(shè)單位要求。關(guān)鍵詞

2205

雙相不銹鋼

焊接工藝

鐵素體前言2009年，第八工程公司在廣東河源電廠脫硫廢水深度處理安裝工程施工過(guò)程中，遇到了環(huán)管的組對(duì)焊接。該循環(huán)管主體材質(zhì)為，為便于現(xiàn)場(chǎng)焊接，建設(shè)單位要求設(shè)計(jì)人員將接頭處的材質(zhì)改為純2205現(xiàn)場(chǎng)施工中只涉及到純2205的焊接。該工程為全國(guó)首套脫硫廢水深度處理項(xiàng)目，最終目的是實(shí)現(xiàn)含鹽廢水零排放，具有極大的示范意義；安裝工程的施工效果，直接關(guān)系著我單位的聲譽(yù)和后續(xù)工程的承接，其中循環(huán)管的安裝和組對(duì)焊接，在施工中屬于核心技術(shù)之一。因2205材質(zhì)的焊接在我公不多見(jiàn)，為保證焊接質(zhì)量，特別對(duì)2205雙相鋼的焊接工藝進(jìn)行了研究，下面介紹一下。1．材料特性1.1成分特點(diǎn)奧氏體－鐵素體不銹鋼，簡(jiǎn)稱雙相不銹鋼。雙相鋼廣泛應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)、化學(xué)和石化加工工業(yè)、化肥工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、造紙和制鹽輕工業(yè)等。第二代雙相不銹鋼一般稱為標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼,成分特點(diǎn)是超低碳含氮其典型成分為22%Cr+5%Ni+0.17%N與第一代雙相不銹鋼相比進(jìn)一步提高氮含量,增強(qiáng)在氯離子濃度較高的酸性介質(zhì)中的耐應(yīng)力腐蝕和抗點(diǎn)蝕性能。氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成元,加入到雙相不銹鋼,既提高鋼的強(qiáng)度且不顯著損傷鋼的塑韌性,又能抑制碳化物析出和延緩相形成。1.2組織特點(diǎn)雙相不銹鋼在室溫下固溶體中奧氏體和鐵素體約各占半數(shù)(2205鐵素體含量應(yīng)為30%～55%,典型值是45%左右,兼有兩相組織特征。它保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐點(diǎn)蝕、縫隙及氯化物應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)；又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉(zhuǎn)變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學(xué)性能和焊接性能好的優(yōu)點(diǎn)。-1-1.3性能特點(diǎn)在性能上的突出表現(xiàn)是屈服強(qiáng)度高和耐應(yīng)力腐蝕。雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度高近1,同樣的壓力等級(jí)條件下,可以節(jié)約材料。比奧氏體不銹鋼的線性熱膨脹系數(shù)低，與低碳鋼接近。使得雙相不銹鋼與碳鋼的焊接較為合適,這有很大的工程意義。鍛壓及冷沖成型性不如奧氏體不銹鋼。2．焊接性鋼為超低碳的奧氏體－鐵素體不銹鋼過(guò)固溶處理后大約含45％～70的奧氏體和30～％的鐵素體組織，該鋼具有良好的韌性、強(qiáng)度和焊接性，由于該鋼Cr當(dāng)量與Ni當(dāng)量比值適當(dāng)，在高溫加熱后仍保留有較大量的一次奧氏體組織，又可使二次奧氏體組織在冷卻中生成，結(jié)果鋼中的奧氏體相總量不低于％～％，因而使鋼具有良好的耐腐蝕性能；因母材中含有較高的N，焊接近縫區(qū)不會(huì)形成單相鐵素體區(qū)，奧氏體含量一般不低于％。雙相不銹鋼2205具有良好的焊接性，焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性都較小通常焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理。當(dāng)焊接材料選擇合理，焊接線能量控制適當(dāng)時(shí)，焊接接頭具有良好的綜合性能。1）熱裂紋2205鋼熱裂紋的敏感性比奧氏體不銹鋼小得多。這是由于含鎳量不高，易形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)極少，不易產(chǎn)生低熔點(diǎn)液膜。另外，晶粒在高溫下沒(méi)有急劇長(zhǎng)大的危險(xiǎn)。2）熱影響區(qū)脆化雙相不銹鋼焊接的主要問(wèn)題不在焊縫，而在熱影響區(qū)。因?yàn)樵诤附訜嵫h(huán)作用下，熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài)，冷卻后總是保留更多的鐵素體，從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋(脆化)的敏感性。3）鐵素體475℃脆化雙相不銹鋼含有50%左右的鐵素體，同樣也存475℃脆性但不如鐵素體不銹鋼那樣敏感。雙相不銹鋼焊接過(guò)程中，在熱循環(huán)的作用下，焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織發(fā)生著一系列的變化。在高溫下，所有的雙相不銹鋼的金相組織全部由鐵素體組成，奧氏體是在冷卻過(guò)程中析出的。奧氏體析出的多少受諸多因素的影響。雙相不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能取決于焊接接頭能否保持適當(dāng)?shù)南啾?-例，因此，焊接是圍繞如何保證其雙相組織進(jìn)行的。當(dāng)鐵素體和奧氏體量各接近5時(shí)，性能較好，接近母材的性能。改變這個(gè)比例關(guān)系，將使雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能和力學(xué)性能(尤其是韌性)下降。雙相不銹鋼2205素體含量的最佳值是。過(guò)低的鐵素體含量(將導(dǎo)致強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力下降；過(guò)高的鐵素體含量(也會(huì)有損于耐蝕性和降低沖擊韌性。相比例的影響因素如下：焊接接頭中鐵素體和奧氏體的平衡關(guān)系既受到鋼中合金元素含量的影響，又受到填充金屬、焊接熱循環(huán)、工藝參數(shù)的影響。（1）合金元素的影響根據(jù)研究和大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，母材中含氮是非常重要的。氮在保證焊縫金屬和焊后熱影響區(qū)內(nèi)形成足夠量的奧氏體方面具有重要作用。氮和鎳一樣是形成奧氏體和擴(kuò)大奧氏體元素,是,的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鎳。在高溫下，氮穩(wěn)定奧氏體的能力也比鎳大，可防止焊后出現(xiàn)單相鐵素體，并能阻止有害金屬相的析出。由于焊接熱循環(huán)的作用，自熔焊或填充金屬成分與母材相同時(shí)，焊縫金屬的鐵素體量急劇增加，甚至出現(xiàn)純鐵素體組織。為了抑制焊縫中鐵素體的過(guò)量增加，采用奧氏體占優(yōu)勢(shì)的焊縫金屬是雙相不銹鋼的焊接趨勢(shì)。一般采取在焊接材料中提高鎳或是加氮這兩條途徑。通常鎳的含量比母材高出2%～4%，例如2205填充金屬的鎳含量就高達(dá)8%～10%。用含氮的填充材料比只提高鎳的填充材料效果更好兩種元素都可以增加奧氏體相的比例并使其穩(wěn)定，但加氮不僅能延緩金屬間相的析出，而且還可提高焊縫金屬的強(qiáng)度和耐蝕性能。填料金屬有比基材金屬更高的含量，主要是為了使焊區(qū)域產(chǎn)生相平衡，讓焊縫區(qū)域和基材金屬有用樣的化學(xué)成分。目前，填充材料一般都是在提高鎳的基礎(chǔ)上，再加入與母材含量相當(dāng)?shù)牡?。?）熱循環(huán)的影響雙相不銹鋼焊接的最大特點(diǎn)是焊接熱循環(huán)對(duì)焊接接頭內(nèi)的組織有影響，無(wú)論焊縫還是熱影響區(qū)都會(huì)有相變發(fā)生，這對(duì)焊接接頭的性能有很大影響。因此，多層多道焊是有益的，后續(xù)焊道對(duì)前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，成為以?shī)W氏體占優(yōu)勢(shì)的兩相組織；毗鄰焊縫的熱影響區(qū)中的奧氏體相也相應(yīng)增多，且能細(xì)化鐵素體晶粒，減少碳化物和氮化物從晶內(nèi)和晶界析出，從而使整個(gè)焊接接頭的組織和性能顯著改善。（3）工藝參數(shù)的影響焊接工藝參數(shù)即焊接線能量對(duì)雙相組織的平衡也起著關(guān)鍵的作用。由于雙相不銹鋼--在高溫下是100%的鐵素體，若線能量過(guò)小，熱影響區(qū)冷卻速度快，奧氏體來(lái)不及析出，過(guò)量的鐵素體就會(huì)在室溫下過(guò)冷保持下來(lái)。若線能量過(guò)大，冷卻速度太慢，盡管可以獲得足量的奧氏體但也會(huì)引起熱影響區(qū)的鐵素體晶粒長(zhǎng)大以及等有害金屬相的析出,造成接頭脆化。為了避免上述情況的發(fā)生，最佳的措施是控制焊接線能量和層間溫度，并使用鎳含量比母材高、氮含量與母材相當(dāng)?shù)奶畛浣饘佟?．焊接工藝評(píng)定2009年8月，根據(jù)廣東河源項(xiàng)目的實(shí)際情況，我們選擇一組尺寸為、厚度為12的2205雙相不銹鋼板，來(lái)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。3.1焊接位置和焊接方法的選擇焊接位置選擇水平固定。為保證內(nèi)部質(zhì)量，根據(jù)施工要求，選用鎢極氬弧焊打底、手工電弧焊填充蓋面。3.2焊接材料的選擇焊絲選用瑞士Avesta公司生產(chǎn)的氬弧焊絲（Φ2.4），焊條選用四川大西洋生產(chǎn)的E2209（Φ3.2、Φ）。母材和選擇的焊接材料成分對(duì)比如下：表3.2焊接材料的選擇一覽表母材或焊縫熔敷金屬化學(xué)成分%）

抗拉強(qiáng)度

伸長(zhǎng)率

屈服點(diǎn)材料C

Mn

Si

SPCr

Ni

Mo

Cu

N

（）

δ5%（MPa2205

0.02

0.07

0.40

0.0010.025

22.4

5.8

3.3

-

0.16

700

35

515ER2209

0.0171.70

0.41

0.0010.01822.87

8.67

3.05

0.12

0.17

806

28

637E22090.035

1.120.7010.0100.03022.479.533.040.1490.1481029-（Φ3.2）E220901．0807400229．29700

79528-（Φ4.0）3.3坡口形式和尺寸根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，坡口形式采用單V形坡口（坡口形式和尺寸見(jiàn)下表），單面焊接。表3.3

坡口形式和尺寸一覽表-4-坡口尺寸項(xiàng)次

厚度坡口T(mm)名稱

坡

口

形

式

間隙鈍邊c(mm)P(mm)

坡口角度a(o)112Ⅴ型0-30-355-65TcP3.4焊接參數(shù)的選擇評(píng)定時(shí)選擇的規(guī)范參數(shù)如下：表3.4

焊接參數(shù)一覽表焊縫層次打底層其余層

焊接電源DC+DC-DC-

焊接方法GTAWSMAWSMAW

填充金屬（:mm）420

焊接電流（）75-9595-115120-140

電弧電壓（）±±22±2

焊接速度（cm/min）15

線能量（KJ/cm）8.809500440氬氣流量外部為12L/min，內(nèi)部為4L/min。焊接過(guò)程中，每焊完一層，MP－30鐵素體測(cè)定儀對(duì)焊縫進(jìn)行鐵素體成分測(cè)定，結(jié)果均在40－50％之間，表明相比例合格。3.5焊縫表面清理、外檢查和酸洗鈍化后，進(jìn)行射線探傷，探傷結(jié)果符合JB/T4730.2-2005Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。3.6按照J(rèn)B4708規(guī)定，對(duì)試件截取試樣，進(jìn)行下列試驗(yàn)：拉伸（拉伸試驗(yàn)符《金屬拉伸試驗(yàn)方法GB228的規(guī)定，拉伸強(qiáng)度分別720MPa、725MPa）

2；側(cè)彎（彎曲試驗(yàn)符合《金屬?gòu)澢囼?yàn)方法》的規(guī)定）4個(gè)；焊縫和熱影響區(qū)沖沖擊試驗(yàn)符金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法GB/T229的規(guī)定，焊縫區(qū)沖擊功分別為107J139J均為118J影響區(qū)沖擊功分別為282J282J、276J，平均為280J）

各3個(gè)；點(diǎn)腐蝕（點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)符合《不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法》的規(guī)定，3個(gè)試樣的腐蝕量分別2.3292.560、2.138mg/24h，平均為2.342mg/24h，質(zhì)量損失小于0.1mg/cm）

3。結(jié)果各項(xiàng)檢測(cè)和試驗(yàn)均符合規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)定，證明選擇的焊接材料和焊接工藝是正確的，在此基礎(chǔ)上編制了焊接作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，并進(jìn)行了技術(shù)交底。--4．焊接工藝2009年8月下旬，在焊接工藝評(píng)定的基礎(chǔ)上，循環(huán)管的安裝正式開(kāi)始。施工程序如下：4.1選擇焊接方式及焊接材料，見(jiàn)下表：表4.1

焊接方法和焊接材料選擇一覽表序號(hào)1

施焊鋼種2205

焊接方法GTAW/SMAW

焊接材料及規(guī)格打底：ER2209(Φ2.4)其余：E2209(Φ3.2、Φ4.0)

備注注：以上適用于對(duì)接焊縫；對(duì)角焊縫，采用全手工電弧焊。焊接材料入庫(kù)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)核對(duì)合格證、質(zhì)量證明書(shū)，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后才能投入使用。將焊材存放在干燥、通風(fēng)良好、溫>5，且空氣相對(duì)濕<60%的庫(kù)房?jī)?nèi)；設(shè)置焊材二級(jí)庫(kù)，并由保管員專門(mén)負(fù)責(zé)焊材的保管、烘烤、發(fā)放和回收，并做好各種記錄；焊條使用前按說(shuō)明書(shū)的要求進(jìn)行烘烤，然后存放到100～℃恒溫箱里隨用隨取；焊條使用超過(guò)4時(shí)應(yīng)重新烘烤，并且重復(fù)烘烤不得超過(guò)兩次；焊工憑焊接技術(shù)員簽發(fā)的領(lǐng)料單領(lǐng)取焊材。4.2坡口加工因本工程循環(huán)管由設(shè)備廠家供貨，并已下料完成，現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行坡口加工。對(duì)接焊縫坡口形式和尺寸見(jiàn)表3.3。現(xiàn)場(chǎng)采用等離子弧切割方法開(kāi)制坡口，并用磨光機(jī)進(jìn)行修磨。應(yīng)避免將切割熔渣濺落在母材表面上，坡口表面應(yīng)平整、光潔。4.3焊前清理焊前應(yīng)采用機(jī)械方法及有機(jī)溶劑焊接坡口內(nèi)外兩側(cè)至少各范圍內(nèi)的油、銹、垢、毛刺、氧化膜等清除干凈，且坡口表面不得有裂紋、夾層等缺陷；多層多道焊時(shí)，必須清除前道焊縫表面的熔渣和缺陷等。為防止焊接飛濺物污染不銹鋼表面，應(yīng)在坡口兩側(cè)各100mm范圍內(nèi)涂上石灰水。4.4內(nèi)部充氬裝置安裝為防止內(nèi)側(cè)焊縫金屬被氧化，循環(huán)管接頭組對(duì)前，應(yīng)先放好內(nèi)部充氬裝置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，我們用高密度海綿、三合板等制作堵頭，分別放在組對(duì)前坡口兩端，距坡口約100mm。用籃球的氣門(mén)芯作為進(jìn)氣嘴，接上氧氣管，作為內(nèi)部充氬裝置。為便于-6-焊接完成后取出充氬裝置，應(yīng)在堵頭上固定好鐵絲，便于拽出。見(jiàn)下面的示意圖：氬氣進(jìn)口管

高密度海綿裝置間距

200圖4.4

內(nèi)部充氬裝置示意圖4.5組對(duì)為避免增加內(nèi)應(yīng)力和產(chǎn)生應(yīng)力集中，內(nèi)外壁應(yīng)盡量平齊，其內(nèi)壁錯(cuò)邊量不宜超過(guò)壁厚的，且不大于2mm.不得對(duì)焊接接頭進(jìn)行加熱校正，不得用強(qiáng)力對(duì)口。因循環(huán)管已在廠家下好料，現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行修磨。但修磨時(shí)應(yīng)注意控制好焊縫兩側(cè)純2205材質(zhì)的長(zhǎng)度，確?，F(xiàn)場(chǎng)焊縫與廠家自帶焊縫之間的距離不得小于。4.6定位焊必須由合格焊工施焊，工藝跟正式焊相同，注意仔細(xì)檢查焊縫質(zhì)量，如有裂紋、氣孔等缺陷應(yīng)立即磨掉重新點(diǎn)固；每個(gè)焊縫應(yīng)保證足夠數(shù)量的點(diǎn)固焊縫，點(diǎn)固后不得敲擊搬運(yùn)工件，以免裂開(kāi)。嚴(yán)禁在被焊工件表面引燃電弧、試驗(yàn)電流或隨意焊接臨時(shí)支撐物。定位焊縫的長(zhǎng)度、厚度和間距，應(yīng)能保證焊縫在正式焊接過(guò)程中不致開(kāi)裂。可采用手工電弧焊進(jìn)行定位焊，用氬弧焊進(jìn)行打底過(guò)程中，將定位焊縫逐步磨掉。4.7正式焊接2205雙相鋼對(duì)接焊縫的焊接規(guī)范參數(shù)，見(jiàn)下表：表4.7

正式焊接時(shí)的焊接規(guī)范參數(shù)一覽表焊縫層次打底層其余層

焊接電源DC+DC-DC-

焊接方法GTAWSMAWSMAW

填充金屬（:mm）420

焊接電流（）75-9595-115120-140

電弧電壓（）±±22±2

焊接速度（cm/min）15

線能量（KJ/cm）8.809500440角焊縫為全手工電弧焊，其焊接規(guī)范參數(shù)參見(jiàn)表中的“其余層焊接注意事項(xiàng)：a.氣象管理1）現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，氬弧焊時(shí)風(fēng)速≥2m/s，手工電弧焊時(shí)風(fēng)速≥8m/s應(yīng)采取防風(fēng)措施。2）焊接電弧1米范圍內(nèi)的相對(duì)濕度＞90%室外作業(yè)在下雨時(shí)應(yīng)停止施焊。--3當(dāng)母材表面潮濕或下雨刮風(fēng)期間焊工及焊件無(wú)保護(hù)措施時(shí)不應(yīng)進(jìn)行焊接。b.焊工代號(hào)管理參與本工程施工的焊工進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，代號(hào)一經(jīng)確定，在施工過(guò)程中不再變動(dòng)，一名人員離崗后，與其對(duì)應(yīng)的代號(hào)即相應(yīng)空缺。焊工將本人焊口焊完后應(yīng)進(jìn)行清理，經(jīng)自檢合格后在焊縫附近用記號(hào)筆作上永久性標(biāo)記。．為防止合金元素的氧化和燒損，降低焊接殘余應(yīng)力，避免產(chǎn)生晶間腐蝕，同時(shí)防止熱裂紋的產(chǎn)生，在保證焊透和熔合良好的條件下，應(yīng)適當(dāng)選用小電流、短電弧、快焊速、窄焊道和多層多道焊工藝，并應(yīng)控制層間溫度不超過(guò)℃.．打底前，先將接頭縫隙用美紋紙封住，當(dāng)內(nèi)部充氬達(dá)到效果后，方可進(jìn)行焊接。打底時(shí)氬氣流量：外部為12L/min，內(nèi)部為4L/min。焊接完成后，將堵頭拽出。．施焊過(guò)程中應(yīng)保證起弧和收弧處的質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)將弧坑填滿。多層焊的層間接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)。．焊接時(shí)注意焊接順序，盡量采用對(duì)稱焊接。．焊后應(yīng)仔細(xì)清理焊件表面的焊渣、焊瘤、飛濺物及其它污物。必要時(shí)應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行局部修整。h.鐵素體測(cè)量確保焊縫中鐵素體的含量符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范規(guī)定焊完一層，我們用德國(guó)菲希爾公司生產(chǎn)MP－鐵素體含量測(cè)定儀縫的鐵素體含量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定的鐵素體含量均在45－55％之間，結(jié)果表明，焊縫的雙相比例是合格的。4.8外觀檢查外觀檢查采用目視或4-10倍放大鏡檢查，檢查率為。焊縫外形和幾何尺寸應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)定。焊縫及熱影響區(qū)表面不得有裂紋、氣孔、未焊透、未熔合、弧坑、夾渣、飛濺物等缺陷；因?qū)儆诓讳P鋼，焊縫不允許有咬邊。對(duì)接焊縫的余高不超過(guò)3mm焊縫的焊腳尺寸應(yīng)為組對(duì)接頭中較薄件的厚度焊縫與母材應(yīng)圓滑過(guò)渡。4.9酸洗鈍化焊縫表面清理后，對(duì)焊縫表面，應(yīng)進(jìn)行酸洗鈍化。4.10內(nèi)部質(zhì)量檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)方法、比例及合格級(jí)別，執(zhí)行設(shè)計(jì)文件規(guī)定。對(duì)焊縫無(wú)損檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的缺陷，應(yīng)分析原因消除缺陷后再進(jìn)行補(bǔ)焊，并對(duì)補(bǔ)焊處用原-8-規(guī)定的方法進(jìn)行檢驗(yàn)；焊縫返修應(yīng)采用與正式焊接相同的焊接材料及工藝。返修后的焊縫應(yīng)修磨成與原焊縫基本一致，并按原無(wú)損檢測(cè)要求檢驗(yàn)。當(dāng)同一部位的返修次數(shù)超過(guò)兩次時(shí)，應(yīng)制訂返修措施，并經(jīng)焊接技術(shù)負(fù)責(zé)人審批后方可進(jìn)行返