摘要：铁素体-奥氏体双相不锈钢于20世纪20年代研制开发成功，但由于存在冶金制备、焊接性能等问题的存在一直没有大规模应用。直至20世纪70年代冶金技术进步和对氮元素对不锈钢作用的研究和认识，成功开发出了第二代新型的含氮双相不锈钢，双相不锈钢的焊接性得到改善后才使双相不锈钢大量应用，我国于20世纪90年代开始逐步大规模使用。其中2205双相不锈钢是现代应用较广的一种双相不锈钢，其用途广泛，具有优良的力学性能和耐蚀性能，在化工设备、石油天然气管路、生物工程等行业具有广阔的应用前景。
关键词：2205双相不锈钢；焊接性能
引言
目前由于双相不锈钢焊接材料的研究双相钢的可焊性已经比较成熟，但由于在焊接热循环作用下双相钢的微观组织中会析出有害第二相，同时引起奥氏体、铁素体两相数量比例的变化，进而使双相不锈钢的强度、耐蚀性降低，形成脆断、点蚀、应力腐蚀开裂等，致焊接接头材料的失效。各个公司对于双相钢的研究参差不齐，因而2205双相不锈钢依然具有重要的研究价值。
1、背景介绍
现公司要制作使用2205双相不锈钢为主要材料制作换热器，容器规格为DN1000mm，介质为水和醋酸，管程压力2.0MPa壳程压力1.0MPa，所用双相钢规格在4~10mm。在开工前要深入研究2202双相不锈钢的焊接性能，最终形成成熟的焊接工艺评定和优良的焊接工艺规程。
2、实验准备和过程
2.1实验所采用的2205双相不锈钢是酒泉钢铁所生产，屈服强度648N/mm2（MPa）、抗拉强度850 N/mm2（MPa）、伸长率28%、硬度244HB，交货状态为固溶处理，具体化学成分见表1 。
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3、结果及分析
3.1力学性能测试及分析按照NB/T47014标准从试样上截取进行拉伸实验，期间进行了10次试验，选取有效数据7组（分别为830、841、836、859、845、842、850MPa）进行分析得出抗拉强度为843.3MPa。接头拉伸断裂位置均在母材上。通过资料文献和实验数据分析可知, 2205双相不锈钢具有优异的力学性能是由于双相钢具有特殊的化学成分和合理的双相组织比例分布,尤其是氮元素的加入,更是起到了关键作用。与奥氏体不锈钢相比,2205双相不锈钢具有导热性好,热膨胀系数小等特点 ,因此不会产生较大的残余应力,同时能更好的抵抗热裂纹的产生。通过查阅文献知道接头残余应力受焊接线能量变化的影响很小,同时多层焊的残余应力会不同程度的降低。
3.2通过控制变量的方法实验了保护气体的作用，通过多组实验可以得出使用（85%Ar+15%N2）的保护气体得到的焊缝成型最好且强度加高。当氮的质量分数超过0.002时, 由于氮的间隙固溶强化使得奥氏体的强度高于铁素体,氮元素以间隙固溶的形式弥散分布在奥氏体组织内部,可在一定程度上弥补双相不锈钢因碳含量低而造成的接头低强度的影响,氮含量每增加0.001材料的屈服强度可提高10MPa左右。因此保护气体中氮的加入,可促进两相的平衡 ,有利于2205 双相不锈钢接头得到更高的抗拉强度。但是,由于接头受到多次热循环的影响,易造成铁素体晶粒粗大,这在一定程度上降低了焊缝接头的抗拉强度。
4、结论
4.1 2205双相不锈钢的焊接质量决定于其焊缝的铁素体和奥氏体含量的平衡和两相组织的均匀性以及氮元素的含量。在焊接过程中，金属从熔融状态到冷却状态，从750～1200℃为铁素体组织，800～1200℃奥氏体从铁素体中析出，475～800℃将可能有碳化物、氮化物析出。因此，焊接热输入的大小，直接影响着焊缝熔池和热影响区中铁素体和奥氏体的含量。如果焊接过程中热输入量过大，则会引起合金元素Ｃｒ、Ｎｉ的烧损，且由于热输入过大，焊接接头的冷却速度也会随之降慢，会在不锈钢中析出碳化物、氮化物，并形成贫铬区，特别距熔合线稍远的地方被加热至700℃～900℃的范围，会析出中间等有害相。如果热输入量过小而冷却速度太快，则a相的析出减缓，那么在原固溶之碳或氮会以氮化铬、碳化物等组织的形式析出，导致形成缺铬层造成耐蚀性的劣化。所以，必须控制热输入。焊接热循环的最高温度和冷却速度过快可促使双相不锈钢组织的铁素体化，由于铁素体含量的增加导致了力学性能和耐蚀性下降。因此，选择合适的焊接电流、电压、速度等参数的选择就显得十分重要。与奥氏体不锈钢的焊接相比，2205双相不锈钢的焊接对污染更敏感，特别是对油和水。任何类型的油污和水分等污染物都会影响材料的抗腐蚀性及力学性能，因此在焊接前要对材料严格清理和烘干（埋弧焊和焊条）。通常情况下，2205双相不锈钢的焊接不采用预热，预热会降低焊接热影响区的冷却速度。如果焊缝的冷却速度太快，使得焊接热影响区的铁素体含量增加太大时，这时采用预热是有一定意义的。与奥氏体钢相比，双相不锈钢具有导热性好和热膨胀系数低的特点，因此不会产生很大的残余应力，具有更高的抵抗热裂纹的能力。2205双相不锈钢焊接最大的层间温度小于150℃。当焊接量很大时，应合理地安排焊接顺序以保证焊缝层间有足够的冷却时间，可以采用分段焊接、退焊法，这样既能保证层间温度，又能提高劳动生产率。
4.2通过实验和查阅文献可以得出了适合的焊接工艺规程和需要注意的事项。
4.2.1焊接材料要选用比母材含镍量高的双相钢焊材,焊缝确保奥氏体相占优势,焊缝铁素体含量要控制在小于40%为最佳。
4.2.2焊接工艺参数的选择焊接线能量不宜过大，一般控制在0.4～2.2kJ/cm 范围,其具体大小可以根据焊件厚度选择。焊接时一般不需要预热。
4.2.3气体保护焊时保护气体中加氮可以提高焊缝的耐蚀性。经过试验85%Ar+15%N2保护效果为最佳，有效的气体保护是保证焊接质量的前提,保护气体的纯度应满足焊接工艺的要求, 同时应该采取有效的背面保护工装。
5、总结
通过实验目前公司已制定了合理的焊接工艺规程，控制合适的焊接线能量以获得符合要求的力学性能和组织，并将焊接工艺成功地运到产品中，制定了合理的焊接工艺评定，为以后焊接工艺的制作提供了依据。
论文作者:吕忙忙
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6