雙相鋼焊接

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至德鋼業雙相不銹鋼管線材焊接技術

來源:至德鋼業 日期:2021-04-02 11:46:50 人氣:354

  近年來,雙相不銹鋼由于其優良的力學性能及耐蝕性能,可長期在苛刻環境和惡劣工況條件下服役,因此日益受到用戶的青睞。如正在建設中的港珠澳跨海大橋工程中大量使用了SAF2205、2304、2102型雙相不銹鋼筋;西氣東輸工程項目中采用了2205雙相不銹鋼無縫管及等離子直縫焊管作為輸氣管道。為了保證焊接接頭的性能,為用戶提供焊接工藝技術支持,技術人員對雙相不銹鋼筋及鋼管進行了焊接工藝試驗及接頭性能的評測。本文就雙相不銹鋼管線材的焊接工藝要點及焊接接頭的金相組織及力學性能特點進行了簡要介紹。


一、雙相不銹鋼管線材及其焊接性特點


 雙相不銹鋼(奧氏體+鐵素體組織,較少相含量≥30%)集優良的耐蝕性、高強度和易于加工制造諸多優點于一身,其物理性能(導熱性、熱脹系數等)介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間。雙相鋼的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕能力與其鉻、鉬和氮元素含量有關,明顯高于奧氏體不銹鋼,強度也大大高于奧氏體不銹鋼,同時具有良好的塑性和韌性。在一含些氯化物、硫化物、醋酸、甲酸等介質的石化裝置中,一般奧氏體不銹鋼難以防止應力腐蝕(SCC)、點蝕和洞穴式局部腐蝕,雙相不銹鋼是具有理想的綜合性能的材料。目前太鋼不銹生產的雙相不銹鋼牌號由低到高包括2003、2102、2304、2205、2507等類型,分別適用于不同腐蝕環境中。雙相不銹鋼焊接材料有ER2209(適用于22%Cr雙相不銹鋼等)、ER2553(適用于25%Cr超級雙相不銹鋼等)型實芯焊絲和E2209、E2553型手工藥皮焊條等。


 雙相不銹鋼具有良好的焊接性。與奧氏體不銹鋼相比,有較低的熱裂傾向;與鐵素體不銹鋼相比,加熱脆化傾向較低,不會發生鐵素體不銹鋼焊接時熱影響區由于晶粒嚴重粗化而塑韌性大幅度降低的情況??刹捎脦缀跛械暮附臃椒ㄟM行焊接加工,一般焊接前不需要預熱,焊后不需要熱處理。


 然而,雙相不銹鋼的焊接對于雙相不銹鋼而言也是非常關鍵的一項技術,只有掌握雙相不銹鋼的焊接性特點,制定合理的焊接工藝,獲得優良的焊接接頭,才能充分發揮雙相不銹鋼的優點,從而使雙相不銹鋼能成功應用于各種嚴酷環境下,避免焊接接頭先于母材發生失效。太鋼在前期生產制造雙相不銹鋼板材基礎上,已成功開發了雙相不銹鋼無縫鋼管和建筑用鋼筋,以及采用“UO成形法”和等離子+氬弧焊接工藝制造直縫焊管。焊接加工在產品應用中是一項重要的技術,相對于板材、管材及線材具有自身的焊接工藝特點。


 不同牌號的雙相不銹鋼具有相近的焊接性和焊接工藝特點,以2205型雙相不銹鋼為例,母材中鐵素體的奧氏體的含量在35%~65%之間,為了保證焊縫金屬具有合適的奧氏體相,須選用配套的焊接材料為ER2209型實芯焊絲或牌號為E2209的手工藥皮焊條及合理的焊接工藝。圖1所示是68%Fe處的Fe-Cr-Ni三元截面相圖,從圖中可以看出,隨著溫度的降低,該合金先以鐵素體(a)凝固,當溫度處于約1350-1220℃之間時,從液相中析出奧氏體,為三相共存區。溫度繼續下降到1220℃以下時,液相消失,為鐵素體和奧氏體兩相共存區,在鎳和氮等奧氏體化元素作用下,部分鐵素體會轉變為奧氏體(y),在更低的溫度下,處于平衡狀態的鐵素體和奧氏體相比例幾乎不再發生變化。為了使雙相鋼具有理想的相平衡,主要是通過調整鉻、鉬、鎳和氮的含量,其次是控制不銹鋼的熱循環過程。冷卻速度和高溫停留時間決定了可轉變為奧氏體的液相和鐵素體相的數量,因此焊接高溫后的冷卻速度將影響相平衡,快冷會使更多的鐵素體保留到室溫。如果使用低熱輸入來進行焊接的話,由于冷卻速度快,高溫停留時間短,會導致焊縫及HAZ有過量的鐵素體,影響接頭的韌性及耐蝕性。


 圖是雙相不銹鋼的等溫析出動力學曲線,從圖中可以看出,如果冷卻速度控制不合適的話,會在不銹鋼中析出碳化物、氮化物、o相、x相a’相等有害相,它們使不銹鋼硬化和脆化,但是由于雙相不銹鋼中含有50%以上的奧氏體,弱化了這些相帶來的危害,在焊接時,如果線能量和冷卻速度沒有控制好,可能會在焊縫及HAZ中產生少量的這些有害相,但是總體而言,雙相組織的優良性能使這些危害降到了很低的程度,且由于焊接過程加熱時間短,熱量集中,冷卻速度也較快,一般不會產生這些有害相,或者這些有害相含量非常少,因此在焊接過程中不需要過多地考慮這些相帶來的有害影響。焊接熱輸入的范圍可以在0.5~2.5kJ/mm之間,只要保證焊縫及HAZ的相比例處于一個合理有范圍即可,即鐵素體的含量在35%~65%之間,焊接接頭就具有良好的綜合性能。


 由于雙相不銹鋼管材及線材的應用領域的特點,一般在施工現場進行焊接,較多采用鎢極氬弧焊和手工電弧焊方法。雙相不銹鋼筋對接時普遍采用螺紋套筒進行機械連接,搭接時則可采用手工點焊的方法。雙相不銹鋼管對接時,需用車床加工30~35°的坡口,鈍邊厚度為1.5~2mm,裝配成60~70°的V型坡口,間隙為1.5~3mm,定位點焊后采用TIG焊完成打底焊道,對于壁厚t≤8mm;直徑D≤108mm的鋼管,填充焊道和蓋面焊接都可采用TIG焊完成,壁厚和直徑較大的鋼管可采用手工藥皮電弧焊完成填充和蓋面焊道。


二、雙相不銹鋼直縫焊管制造工藝


 西氣東輸工程中大量采用了2205雙相不銹鋼直縫焊管作為輸送管道,包括多種規格,壁厚和直徑都較大。焊管由2205雙相鋼板卷板并焊接而成,具體的制造工藝為板材下料→開坡口(厚度≥6mm)→畫制成型道次線一預彎邊→“U”成型→“O”成型(坡口清理→點焊→加焊引弧、收弧板)→等離子弧打底、鎢極氬弧焊填充、蓋面→外觀檢測及修補→X射線無損探傷檢測。


 等離子焊接方法具有能量集中、穿透力強、效率高等特點,且容易實現自動化焊接,焊接質量好。因此,采用等離子焊接方法制造厚壁直縫焊管是一種理想的焊接工藝,填充材料為ER2209型雙相不銹鋼焊絲,主要化學成分為21.5%~23.5%Cr、8.5%~1.5%Ni、2.5%~3.5%Mo和0.08%~0.20%N及≤0.04%C。


 對于雙相不銹鋼直縫焊管,為了保證焊接接頭的力學性能和耐蝕性能,焊后熱處理是關鍵環節。雙相不銹鋼焊管在成型過程中會產生很大的內部應力,在焊接過程中,焊接熱循環過程的加熱和冷卻速度都比較快,焊縫和HAZ的組織都處于非平衡態,很難保證奧氏體含量大于40%,因此塑韌性和耐蝕性能都低于母材。焊后進行固溶處理可優化焊接接頭的相比例,提高力學性能和耐蝕性能。具體的熱處理工藝為1020~1100℃保溫1~2h后水冷,使更多的奧氏體相保留至室溫。


 雙相不銹鋼耐熱性較差,高溫時強度下降幅度大,因此在熱處理保溫過程中,鋼管極易發生變形,圓度和直線度都大幅降低,因此,熱處理后需要進行整圓及校直以保證鋼管的圓度和直線度。圖3及圖4分別是325×14mm規格的焊管經熱處理后焊縫及HAZ的金相組織,經檢測焊縫的鐵素體含量為35%~45%之間,HAZ的鐵素體含量為50%~55%之間,相比例滿足使用要求。以焊縫為中心取樣進行點蝕及晶間腐蝕試驗,結果都合格。


 在焊接接頭取樣進行了力學性能檢測,包括拉伸和彎曲試驗、-40℃沖擊試驗和硬度檢測等,結果表明,拉伸試樣斷裂位置均位于母材,屈服強度為500~600MPa之間,斷裂強度為750~800MPa之間,斷后伸長率為35%~45%,沖擊吸收功平均值為170J左右,硬度值<HV300,d=10彎曲試驗無裂紋產生,力學性能檢測結果均合格,滿足使用要求。


 三、雙相不銹鋼筋焊接工藝


 雙相不銹鋼筋作為耐海水腐蝕性極強的建筑材料,在港珠澳大橋的建設中發揮了重要作用。使用的雙相不銹鋼筋涉及多種牌號及規格,包括2205、2304和2102等牌號,規格從16~40mm。下面以p16mm的2304雙相不銹鋼筋為例來介紹點焊工藝和焊點的組織及力學性能特點。


 接頭形式采用搭接接頭,焊接方法為手工電弧焊,3.2mmE2209型焊條。在鋼筋兩側進行點焊,焊點的面積不小于1cm2,電流為110~120A,電弧電壓為29-31V(空載電壓約為60V),極性為直流反接(即工件接負),去渣后用不銹鋼酸洗鈍化膏去除焊點及周邊表面的氧化色。


 圖5是2304雙相不銹鋼筋的室溫金相組織,圖6和圖7分別是焊點處的金相組織和HAZ的金相組織,焊點周邊的HAZ的晶粒在焊接熱循環過程中長大,晶粒較為粗大。采用鐵素體含量測定儀測定了不同位置的鐵素體含量,結果表明,焊點處的鐵素體含量為50%~55%;焊點周邊HAZ為60%~65%;母材為50%~55%。檢測結果表明采用上述的焊接工藝和材料時,焊點處的相比例都在合格范圍內。對焊接試樣進行拉伸破壞試驗,測得最大力,然后根據斷點處的截面的大小估算出抗剪強度約為600-650MPa,斷裂位置都位于焊點的中間,滿足建筑用鋼筋斷裂強度高于500MPa的要求。


四、雙相不銹鋼無縫管焊接工藝


 這里以60mm×4mm和325mm×14mm兩種不同規格的2205雙相不銹鋼無縫管全位置焊接對接接頭為例簡要介紹焊接工藝及接頭性能特點。端部加工好坡口及鈍邊后,為了保證背部焊縫成形,裝配時須留出適當的間隙,然后用TIG焊接方法定位點焊。保護氣體為純度為99.99%的氬氣,管內通入氬氣作為內部保護氣體,以保證背部焊道不被氧化并具有良好的耐蝕性能。60×4mm鋼管具體的焊接工藝示于表1,焊接方法均采用TIG焊接;325×14mm無縫管對接的焊接工藝示于表2,其中打底焊道采用的焊接方法為TIG,填充和蓋面焊采用手工藥皮電弧焊。


 多層多道焊接時,層間溫度要控制在150℃以下,用角磨砂輪面對焊縫的焊趾部位進行清理,以免在后道焊縫中形成夾渣。后一道焊縫對前一道焊縫進行了二次焊接熱循環加熱,可在隨后的冷卻過程中促進鐵素體向奧氏體的轉變,使焊縫和HAZ中的相比例達到一個比較滿意的范圍內,但是表層焊縫由于沒有受到二次加熱,鐵素體的含量相對較大。


 焊接完成后取樣進行金相組織觀察及力學性能試驗,包括鐵素體含量測定、拉伸、沖擊、彎曲和硬度等試驗,以及耐蝕性能試驗。檢測結果全部滿足技術要求,表明采用上述焊接方法及材料進行無縫鋼管的對接可獲得滿足使用要求的焊接接頭。


五、結論


 焊接加工作為雙相不銹鋼管材及線材的一種重要的熱加工工藝,很大程度上決定了該產品能否滿足使用要求。在了解雙相不銹鋼焊接性特點的基礎上,選擇適當的焊接方法,采用合適的焊接材料和合理的焊接工藝參數,雙相不銹鋼的管材及線材均可獲得相比例、力學性能及耐蝕性能合格的焊接接頭。


 雙相不銹鋼管材及線材在施工現場進行焊接時,焊前不需預熱,焊后也不需要熱處理,制定合理的焊接工藝,控制層間溫度和焊接熱輸入,完全可獲得滿足技術規范的焊接接頭,因此國產雙相不銹鋼鋼筋及鋼管由于其優良的綜合性能及使用成本,將逐漸在許多應用領域替代進口材料。




本文標簽:雙相不銹鋼焊接 

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