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雙相不鏽鋼焊接的細則

日期：2024-04-26 04:56

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摘要： 雙相不鏽鋼焊接的細則 奧氏體不鏽鋼的焊接問題常常與焊縫金屬本身有關，尤其是在全奧氏體或奧氏體占優勢的焊縫凝固過程中產生的熱裂紋傾向。對於一般奧氏體不鏽鋼，調整填充金屬的成分，使之具有一定的鐵素體含量， <a name="一、通用焊接準則"></a>一、通用焊接準則 雙相不鏽鋼和奧氏體不鏽鋼的區彆 奧氏體不鏽鋼的焊接問題常常與焊縫金屬本身有關，尤其是在全奧氏體或奧氏體占優勢的焊縫凝固過程中產生的熱裂紋傾向。對於一般奧氏體不鏽鋼，調整填充金屬的成分，使之具有一定的鐵素體含量，可將這些問題減至低程度。高合金奧氏體不鏽 鋼需要使用鎳基填充金屬，奧氏體凝固不可避免，需要通過降低熱輸入、多道焊來控製。 由於雙相不鏽鋼鐵素體含量高， 具有非常好的抗熱裂性，焊接時很少考慮熱裂。雙相不鏽鋼焊接主要的問題與熱影響區有關，而不是焊縫金屬。熱影響區的問題是耐蝕性及韌性損失或焊後開裂。為了避免發生上述問題，焊接工藝的重點是大程度減少在“紅熱” 溫度範圍總的停留時間，而不是控製任何一道焊接的熱輸入。經驗表明，這種方法可使焊接工藝從技術和經濟角度都優化。 這裡將給出雙相不鏽鋼焊接的一些一般準則，以及這些基本知識和準則在具體焊接方法中的應用。 1.原材料的選擇 雙相不鏽鋼對焊接的適應性可隨化學成分和生產工藝的變化而發生顯著變化。已反複強調過母材含有足量氮的重要性。如果原材料緩慢地冷卻通過700 - 1000℃ (1300 - 1800℉) 溫度區間，或允許在水淬前空冷通過該區間一分鐘左右，那麼本應留給焊工 完成焊接而不產生任何有害相析出的時間被耗儘。需要注意的是，實際進行加工製造的材料，其成分和生產過程的冶金條件應當與用於焊接工藝評定的材料的質量條件相同。此係列文章的 “終端用戶技術條件和質量控製” 部分給出了根據成分和合適試驗規範選擇原材料的方法。 2.焊前清理 焊前應清理全部加熱部位，這一要求不僅適用於雙相不鏽鋼，而且適用於所有不鏽鋼。確定母材和填充金屬化學成分的前提條件是冇有額外的汙染源。灰塵、油脂、油汙、油漆和任何形式的水分都會乾擾焊接操作並對焊件的耐蝕性和力學性能產生不 利影響。如果焊前不對材料進行徹底清理，則無論多少工藝評定均是無效的。 3.接頭設計 雙相不鏽鋼的接頭設計必須有助於完全焊透並避免在凝固的焊縫金屬中存在未熔合的母材。好采用機加工而不采用砂輪打磨坡口，以便使焊接區厚度或間隙均勻。必須打磨時，應特彆注意坡口加工及其裝配的均勻一致。為了保證完全熔合和焊透，應當去掉任何打磨毛刺。對於奧氏體不鏽鋼，有經驗的焊工可通過控製焊炬克服坡口加工的某些缺陷。但對於雙相不鏽鋼，這些技巧會造成材料在有害溫度區間停留時間比預期的時間長，導致結果超出合格工藝要求。 雙相不鏽鋼的一些接頭設計如圖18所示。其他設計如能保證焊縫完全焊透且燒穿的危低，則它們也是合理的。 4.預熱 由於預熱可能是有害的，所以一般不推薦預熱。如果冇有特殊正當的理由，不應當把預熱作為一個工序。若用於消除天冷或夜間冷凝形成的濕氣時，預熱可能是有益的。當采用預熱去除濕氣時，應將鋼均勻地加熱到約100℃ (200℉) 且隻能在坡口清理後進行。 5.熱輸入與層間溫度 雙相不鏽鋼能夠容許相對高的熱輸入。焊縫金屬凝固後的雙相組織的抗熱裂性大大優於奧氏體焊縫金屬。 雙相不鏽鋼具有較高的導熱率和較小的熱膨脹係數，焊縫處冇有像奧氏體不鏽鋼那樣高的局部熱應力。儘管有必要對焊縫要求提出嚴格限製，但熱裂紋不是個常見的問題。 極低的熱輸入可導致母材熔合區和熱影響區鐵素體含量過高，韌性和耐蝕性降低。極高的熱輸入增加了形成金屬間相的危險。為了防止熱影響區的問題，焊接工藝規程應允許該區域焊後快速冷卻。工件溫度很重要， 因為它對熱影響區的冷卻影響大。 作為一般準則，經濟型和標準雙相不鏽鋼的高層間溫度限製在150℃ (300℉)， 超級雙相不鏽鋼限製在100℃ (210℉)。進行焊接工藝評定時應采用該限製值，生產性焊接中也應監測以確保層間溫度不高於工藝評定時所采用的溫度。電子溫度探頭和熱電偶是監控層間溫度較好的手段。在焊接工藝評定中，使多道焊試件的層間溫度低於實際製造中能夠經濟合理地達到的層間溫度，這種做法是不慎重的。進行大量焊接時，規劃好焊接工序使各道次間有足夠的冷卻時間是良好、經濟的做法。 6.焊後熱處理 雙相不鏽鋼不需要進行焊後應力消除處理，且這樣做可能是有害的， 因為熱處理可 使金屬間相 (700 - 1000°C/1300 - 1830°F) 或 α’ (475℃/ 885℉) 脆性相析出，降低韌性和耐蝕性。焊後熱處理溫度超過315℃ (600℉) 會導致有害相的析出。 雙相不鏽鋼的焊後熱處理應當包括完全固溶退火，然後水淬 (見表 11)。自熔焊後應考慮完全固溶退火， 因為如果在焊接過程中冇有采用過合金化的填充金屬，則顯微組織中鐵素體含量將很高。 如果焊後打算進行完全固溶退火和淬火，例如零部件的製造，則熱處理應視為焊接工藝的一部分。退火處理可解決鐵素體過多及金屬間相相關的問題，製造工藝允許在終退火處理前存在一些不太如意的中間狀態。 7.理想的相平衡 常常說雙相不鏽鋼的相平衡為 “50-50”，等量的奧氏體與鐵素體。 然而，嚴格說來這是不正確的，因為現代雙相不鏽鋼中鐵素體約為40％ - 50％，其餘為奧氏體。通常認為，當鐵素體含量至少為25 - 30％、其餘為奧氏體時，可以獲得雙相不鏽鋼特有的優點。 在一些焊接方法中，特彆是以焊劑保護為基礎的方法中，相平衡向奧氏體含量較高的方向調整以改善韌性，補償因焊劑使焊縫氧含量增加引起的韌性損失。這些填充金屬的韌性遠低於鋼板或鋼管固溶處理後可能達到的很高的韌性值，但焊縫金屬的韌性仍足以滿足預期的要求。冇有一種焊接方法可使焊縫金屬的韌性與鍛軋材完全退火處理後所達到的韌性一樣高。如果將焊縫金屬的鐵素體含量限製在軋鋼廠退火處理的雙相不鏽鋼所要求的小值之上，會對可用的焊接方法形成不必要的限製。 熱影響區的相平衡，即原始鍛軋鋼板或鋼管加上額外的焊接熱循環，其鐵素體含量通常略高於原始材料。用金相法**測定熱影響區的相平衡幾乎是不可能的。如果該區域鐵素體含量很高，也許說明出現過極快速冷卻的異常情況，從而導致鐵素體含量過高和韌性降低。 8.異種金屬的焊接 雙相不鏽鋼可與其他雙相不鏽鋼、奧氏體不鏽鋼、碳素鋼和低合金鋼焊接。 雙相不鏽鋼與其他雙相不鏽鋼焊接時，通常使用鎳含量高於母材的雙相不鏽鋼填充金屬。提高填充金屬的鎳含量可保證焊縫在冷卻過程中形成足夠的奧氏體。 雙相不鏽鋼與奧氏體不鏽鋼焊接時，常使用低碳和鉬含量介於二者之間的奧氏體不鏽鋼填充金屬；通常使用AWS E 309LMo/ER309LMo。雙相不鏽鋼與碳素鋼和低合金鋼的焊接一般采用上述同樣的填充金屬或AWS E309L/ER309L。如果使用鎳基填充金屬，則它們不應當含有铌。由於奧氏體不鏽鋼的強度比雙相不鏽鋼低，故使用奧氏體不鏽鋼填充金屬的焊接接頭不如雙相不鏽鋼母材強度高。 表16歸納了雙相不鏽鋼與異種金屬焊接時常用的填充金屬。這些例子給出了AWS焊條牌號 (E)，但是根據焊接工藝、接頭形狀和其他條件的不同，可考慮采用焊絲 (AWS牌號ER) 和藥芯焊絲。 表16 異種金屬焊接用焊接材料 <a name="二、焊接工藝評定"></a>二、焊接工藝評定 對於標準奧氏體不鏽鋼，焊接工藝評定試驗是相當簡單的，僅進行一定數量的試驗以證明材料、焊材和焊接方法是合格的。這些評定試驗包括硬度試驗和彎曲試驗 (分彆檢驗馬氏體和熱裂)，反映了長期使用鐵素體、馬氏體或奧氏體不鏽鋼時可能出現的問題。雙相不鏽鋼滿足這些要求冇有困難，但是這些試驗不可能發現雙相不鏽鋼中可能出現的金屬間相或過量鐵素體問題。同時，由於需要限製在熱影響區溫度範圍內的總時間，雙相不鏽鋼的性能將對截麵厚度和實際焊接操作的細節很敏感。因此，必須廣義地考慮 “評定”，即證明在製過程中將使用的焊接工藝不會導致材料的工程特性，特彆是韌性和耐蝕性出現不可接受的損失。 對每種厚度和形狀的焊接都進行焊接工藝評定是比較保險的做法，因為方案上的微小差彆在實際製造結果中差彆可能很大。然而，實際加工的複雜性使得這樣的試驗成本很高。如果每種焊接方法對厚斷麵進行焊接工藝評定，則可達到節約的目的。

雙相不鏽鋼焊接的細則

奧氏體不鏽鋼的焊接問題常常與焊縫金屬本身有關，尤其是在全奧氏體或奧氏體占優勢的焊縫凝固過程中產生的熱裂紋傾向。對於一般奧氏體不鏽鋼，調整填充金屬的成分，使之具有一定的鐵素體含量，

一、通用焊接準則

雙相不鏽鋼和奧氏體不鏽鋼的區彆

奧氏體不鏽鋼的焊接問題常常與焊縫金屬本身有關，尤其是在全奧氏體或奧氏體占優勢的焊縫凝固過程中產生的熱裂紋傾向。對於一般奧氏體不鏽鋼，調整填充金屬的成分，使之具有一定的鐵素體含量，可將這些問題減至低程度。高合金奧氏體不鏽鋼需要使用鎳基填充金屬，奧氏體凝固不可避免，需要通過降低熱輸入、多道焊來控製。

由於雙相不鏽鋼鐵素體含量高，具有非常好的抗熱裂性，焊接時很少考慮熱裂。雙相不鏽鋼焊接主要的問題與熱影響區有關，而不是焊縫金屬。熱影響區的問題是耐蝕性及韌性損失或焊後開裂。為了避免發生上述問題，焊接工藝的重點是大程度減少在“紅熱” 溫度範圍總的停留時間，而不是控製任何一道焊接的熱輸入。經驗表明，這種方法可使焊接工藝從技術和經濟角度都優化。

這裡將給出雙相不鏽鋼焊接的一些一般準則，以及這些基本知識和準則在具體焊接方法中的應用。

1.原材料的選擇

雙相不鏽鋼對焊接的適應性可隨化學成分和生產工藝的變化而發生顯著變化。已反複強調過母材含有足量氮的重要性。如果原材料緩慢地冷卻通過700 - 1000℃ (1300 - 1800℉) 溫度區間，或允許在水淬前空冷通過該區間一分鐘左右，那麼本應留給焊工完成焊接而不產生任何有害相析出的時間被耗儘。需要注意的是，實際進行加工製造的材料，其成分和生產過程的冶金條件應當與用於焊接工藝評定的材料的質量條件相同。此係列文章的 “終端用戶技術條件和質量控製” 部分給出了根據成分和合適試驗規範選擇原材料的方法。

2.焊前清理

焊前應清理全部加熱部位，這一要求不僅適用於雙相不鏽鋼，而且適用於所有不鏽鋼。確定母材和填充金屬化學成分的前提條件是冇有額外的汙染源。灰塵、油脂、油汙、油漆和任何形式的水分都會乾擾焊接操作並對焊件的耐蝕性和力學性能產生不利影響。如果焊前不對材料進行徹底清理，則無論多少工藝評定均是無效的。

3.接頭設計

雙相不鏽鋼的接頭設計必須有助於完全焊透並避免在凝固的焊縫金屬中存在未熔合的母材。好采用機加工而不采用砂輪打磨坡口，以便使焊接區厚度或間隙均勻。必須打磨時，應特彆注意坡口加工及其裝配的均勻一致。為了保證完全熔合和焊透，應當去掉任何打磨毛刺。對於奧氏體不鏽鋼，有經驗的焊工可通過控製焊炬克服坡口加工的某些缺陷。但對於雙相不鏽鋼，這些技巧會造成材料在有害溫度區間停留時間比預期的時間長，導致結果超出合格工藝要求。

雙相不鏽鋼的一些接頭設計如圖18所示。其他設計如能保證焊縫完全焊透且燒穿的危低，則它們也是合理的。

4.預熱

由於預熱可能是有害的，所以一般不推薦預熱。如果冇有特殊正當的理由，不應當把預熱作為一個工序。若用於消除天冷或夜間冷凝形成的濕氣時，預熱可能是有益的。當采用預熱去除濕氣時，應將鋼均勻地加熱到約100℃ (200℉) 且隻能在坡口清理後進行。

5.熱輸入與層間溫度

雙相不鏽鋼能夠容許相對高的熱輸入。焊縫金屬凝固後的雙相組織的抗熱裂性大大優於奧氏體焊縫金屬。雙相不鏽鋼具有較高的導熱率和較小的熱膨脹係數，焊縫處冇有像奧氏體不鏽鋼那樣高的局部熱應力。儘管有必要對焊縫要求提出嚴格限製，但熱裂紋不是個常見的問題。

極低的熱輸入可導致母材熔合區和熱影響區鐵素體含量過高，韌性和耐蝕性降低。極高的熱輸入增加了形成金屬間相的危險。為了防止熱影響區的問題，焊接工藝規程應允許該區域焊後快速冷卻。工件溫度很重要，因為它對熱影響區的冷卻影響大。作為一般準則，經濟型和標準雙相不鏽鋼的高層間溫度限製在150℃ (300℉)，超級雙相不鏽鋼限製在100℃ (210℉)。進行焊接工藝評定時應采用該限製值，生產性焊接中也應監測以確保層間溫度不高於工藝評定時所采用的溫度。電子溫度探頭和熱電偶是監控層間溫度較好的手段。在焊接工藝評定中，使多道焊試件的層間溫度低於實際製造中能夠經濟合理地達到的層間溫度，這種做法是不慎重的。進行大量焊接時，規劃好焊接工序使各道次間有足夠的冷卻時間是良好、經濟的做法。

6.焊後熱處理

雙相不鏽鋼不需要進行焊後應力消除處理，且這樣做可能是有害的，因為熱處理可使金屬間相 (700 - 1000°C/1300 - 1830°F) 或 α’ (475℃/ 885℉) 脆性相析出，降低韌性和耐蝕性。焊後熱處理溫度超過315℃ (600℉) 會導致有害相的析出。

雙相不鏽鋼的焊後熱處理應當包括完全固溶退火，然後水淬 (見表 11)。自熔焊後應考慮完全固溶退火，因為如果在焊接過程中冇有采用過合金化的填充金屬，則顯微組織中鐵素體含量將很高。

如果焊後打算進行完全固溶退火和淬火，例如零部件的製造，則熱處理應視為焊接工藝的一部分。退火處理可解決鐵素體過多及金屬間相相關的問題，製造工藝允許在終退火處理前存在一些不太如意的中間狀態。

7.理想的相平衡

常常說雙相不鏽鋼的相平衡為 “50-50”，等量的奧氏體與鐵素體。然而，嚴格說來這是不正確的，因為現代雙相不鏽鋼中鐵素體約為40％ - 50％，其餘為奧氏體。通常認為，當鐵素體含量至少為25 - 30％、其餘為奧氏體時，可以獲得雙相不鏽鋼特有的優點。

在一些焊接方法中，特彆是以焊劑保護為基礎的方法中，相平衡向奧氏體含量較高的方向調整以改善韌性，補償因焊劑使焊縫氧含量增加引起的韌性損失。這些填充金屬的韌性遠低於鋼板或鋼管固溶處理後可能達到的很高的韌性值，但焊縫金屬的韌性仍足以滿足預期的要求。冇有一種焊接方法可使焊縫金屬的韌性與鍛軋材完全退火處理後所達到的韌性一樣高。如果將焊縫金屬的鐵素體含量限製在軋鋼廠退火處理的雙相不鏽鋼所要求的小值之上，會對可用的焊接方法形成不必要的限製。

熱影響區的相平衡，即原始鍛軋鋼板或鋼管加上額外的焊接熱循環，其鐵素體含量通常略高於原始材料。用金相法**測定熱影響區的相平衡幾乎是不可能的。如果該區域鐵素體含量很高，也許說明出現過極快速冷卻的異常情況，從而導致鐵素體含量過高和韌性降低。

8.異種金屬的焊接

雙相不鏽鋼可與其他雙相不鏽鋼、奧氏體不鏽鋼、碳素鋼和低合金鋼焊接。

雙相不鏽鋼與其他雙相不鏽鋼焊接時，通常使用鎳含量高於母材的雙相不鏽鋼填充金屬。提高填充金屬的鎳含量可保證焊縫在冷卻過程中形成足夠的奧氏體。

雙相不鏽鋼與奧氏體不鏽鋼焊接時，常使用低碳和鉬含量介於二者之間的奧氏體不鏽鋼填充金屬；通常使用AWS E 309LMo/ER309LMo。雙相不鏽鋼與碳素鋼和低合金鋼的焊接一般采用上述同樣的填充金屬或AWS E309L/ER309L。如果使用鎳基填充金屬，則它們不應當含有铌。由於奧氏體不鏽鋼的強度比雙相不鏽鋼低，故使用奧氏體不鏽鋼填充金屬的焊接接頭不如雙相不鏽鋼母材強度高。

表16歸納了雙相不鏽鋼與異種金屬焊接時常用的填充金屬。這些例子給出了AWS焊條牌號 (E)，但是根據焊接工藝、接頭形狀和其他條件的不同，可考慮采用焊絲 (AWS牌號ER) 和藥芯焊絲。

表16 異種金屬焊接用焊接材料

二、焊接工藝評定

對於標準奧氏體不鏽鋼，焊接工藝評定試驗是相當簡單的，僅進行一定數量的試驗以證明材料、焊材和焊接方法是合格的。這些評定試驗包括硬度試驗和彎曲試驗 (分彆檢驗馬氏體和熱裂)，反映了長期使用鐵素體、馬氏體或奧氏體不鏽鋼時可能出現的問題。雙相不鏽鋼滿足這些要求冇有困難，但是這些試驗不可能發現雙相不鏽鋼中可能出現的金屬間相或過量鐵素體問題。同時，由於需要限製在熱影響區溫度範圍內的總時間，雙相不鏽鋼的性能將對截麵厚度和實際焊接操作的細節很敏感。因此，必須廣義地考慮 “評定”，即證明在製過程中將使用的焊接工藝不會導致材料的工程特性，特彆是韌性和耐蝕性出現不可接受的損失。

對每種厚度和形狀的焊接都進行焊接工藝評定是比較保險的做法，因為方案上的微小差彆在實際製造結果中差彆可能很大。然而，實際加工的複雜性使得這樣的試驗成本很高。如果每種焊接方法對厚斷麵進行焊接工藝評定，則可達到節約的目的。

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