1、双相不锈钢焊接知识 1.1 1.1 主要成分：主要成分：CrCr、NiNi、MoMo、N N。其中，其中，CrCr、MoMo铁素体形成元素铁素体形成元素 Ni Ni、N N 奥氏体形成元素奥氏体形成元素 N N主要固溶强化元素主要固溶强化元素 Cr Cr、MoMo、NN提高耐氯化物点蚀性能提高耐氯化物点蚀性能 耐点蚀当量：耐点蚀当量：PREPREN N=(Cr)+3.3(Cr)+3.3(Mo)+16(Mo)+16(N)(N)正常含正常含MoMo双相不锈钢：双相不锈钢：PREPREN N=30=303636 超级双相不锈钢：超级双相不锈钢：PREPREN N40401 1双相不锈钢双相不锈钢的成
2、分、组织和性能的成分、组织和性能根据成分和根据成分和PREPREN N值值分类：分类：低合金型，低合金型，23%Cr23%Cr无无MoMo双相不锈钢：双相不锈钢：Cr:23%Ni:4%Cr:23%Ni:4%N:0.1-0.2%N:0.1-0.2%PREPREN N=24=242525 中合金型，中合金型，22%Cr22%Cr标准双相不锈钢：标准双相不锈钢：Cr:22%Ni:5-5.5%Cr:22%Ni:5-5.5%Mo:3%N:0.14-0.17%Mo:3%N:0.14-0.17%PREPREN N=30=303636 高合金型，高合金型，25%Cr+(0-2.5%)Cu25%Cr+(0-2.
3、5%)Cu双相不锈钢：双相不锈钢：Cr:25-27%Cr:25-27%Ni:4-7%Mo:1.5-3.3%N:0.15-0.25%Ni:4-7%Mo:1.5-3.3%N:0.15-0.25%PREPREN N=32=324040 25%Cr25%Cr超级双相不锈钢：超级双相不锈钢：Cr:25-26%Ni:6-7%Cr:25-26%Ni:6-7%Mo:3.5-4%N:0.25-0.28%Mo:3.5-4%N:0.25-0.28%PRE PREN N4040不锈钢的PREN值的比较 1.2 1.2 组织组织 相（铁素体）相（铁素体）+相（奥氏体）双相组织，其中相（奥氏体）双相组织，其中相与相与相相
4、的体积分数之比（的体积分数之比（/）约各占）约各占50%50%。其中：铁素体其中：铁素体提供高的屈服强度、耐氯化物应力腐蚀性能；提供高的屈服强度、耐氯化物应力腐蚀性能；奥氏体奥氏体提供好的韧性和耐全腐蚀性能。提供好的韧性和耐全腐蚀性能。相含量过高相含量过高引起脆化；引起脆化；相含量过高相含量过高降低耐应力腐蚀性能。降低耐应力腐蚀性能。1.3 1.3 性能性能 1)1)具有良好的耐氯化物应力腐蚀的能力；具有良好的耐氯化物应力腐蚀的能力；2)2)具有良好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能，优于奥氏体不锈钢；具有良好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能，优于奥氏体不锈钢；3)3)有良好的耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀性能；有良好的耐
5、腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀性能；4)4)综合力学性能好。有较高的强度（包括疲劳强度），屈服强综合力学性能好。有较高的强度（包括疲劳强度），屈服强度是普通度是普通Cr-NiCr-Ni奥氏体不锈钢的奥氏体不锈钢的2 2倍；倍；5)5)焊接性好，热裂倾向小。一般不需要焊前预热和焊后热处理，焊接性好，热裂倾向小。一般不需要焊前预热和焊后热处理，可与可与18-818-8型奥氏体不锈钢及碳钢进行异种钢焊接；型奥氏体不锈钢及碳钢进行异种钢焊接；6)6)低铬（低铬（Cr18%Cr18%）的双相不锈钢热加工温度范围比的双相不锈钢热加工温度范围比18-818-8型奥氏型奥氏体不锈钢宽，抗力小，高铬（体不锈钢宽，抗力小，
6、高铬（Cr25%Cr25%）的双相不锈钢热加工比的双相不锈钢热加工比18-818-8型奥氏体不锈钢困难；型奥氏体不锈钢困难；7)7)双相不锈钢比双相不锈钢比18-818-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大；型奥氏体不锈钢加工硬化效应大；8)8)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的热导率大，线胀系数小；与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的热导率大，线胀系数小；9)9)仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆化倾向，不宜在高于仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆化倾向，不宜在高于300300C C的温度下使用。若含铬量较低，脆性相析出危害性较小。的温度下使用。若含铬量较低，脆性相析出危害性较小。奥氏体奥氏体-铁素体双相不锈钢的性
7、能主要受铁素体和奥氏体比例的铁素体双相不锈钢的性能主要受铁素体和奥氏体比例的影响，奥氏体和铁素体各占影响，奥氏体和铁素体各占50%50%时，具有良好的耐腐蚀性和时，具有良好的耐腐蚀性和焊接性。在平衡状态下，两相的比例主要由钢中的合金元素，焊接性。在平衡状态下，两相的比例主要由钢中的合金元素，即铬当量和镍当量来决定。即铬当量和镍当量来决定。CrCreqeq=CrCr+MoMo+1.51.5 Si Si NiNieqeq=NiNi+3030 C+NC+N+0.50.5 MnMn 2.1 2.1 焊缝凝固与奥氏体形成焊缝凝固与奥氏体形成 母材组织：母材组织：(50%)(50%)V V相相+(50%)
8、+(50%)V V相，其中相，其中相呈长条相呈长条状分布在状分布在相基体中。相基体中。焊缝组织：焊接熔化后形成铸态组织。焊缝组织：焊接熔化后形成铸态组织。2 2 双相不锈钢的焊接冶金双相不锈钢的焊接冶金Fe-Cr-NiFe-Cr-Ni伪二元相图：伪二元相图：液态下凝固：液态下凝固：LL 冷却到冷却到13001300：在固态下在固态下在在晶粒边界形核和生长。晶粒边界形核和生长。冷却到室温：冷却到室温：+其中，其中，相的形态和数量：相的形态和数量：化学成分化学成分 冷却速度冷却速度 基于基于TTTTTT图图：冷却速度增加：冷却速度增加相含量减少。相含量减少。在焊缝快速冷却条件下形成的在焊缝快速冷却
9、条件下形成的相，一般呈魏氏组相，一般呈魏氏组织形态。织形态。合金元素的作用合金元素的作用：合金元素直接影响焊缝金属的组成，合金元素直接影响焊缝金属的组成，Creq越大，越大，Nieq越小，焊缝中越小，焊缝中奥氏体含量越少。奥氏体含量越少。合金元素在铁素体和奥氏体所占的比例也不一样。合金元素在铁素体和奥氏体所占的比例也不一样。焊接参数的作用：焊接参数的作用：由于焊接参数影响到冷却速度，即影响到合金元素的扩散，所以，由于焊接参数影响到冷却速度，即影响到合金元素的扩散，所以，也影响到合金元素在两相中的分配，焊接线能量越大，冷却速度越也影响到合金元素在两相中的分配，焊接线能量越大，冷却速度越慢，由于扩
10、散比较充分，铁素体向奥氏体转变进行的就比较充分，慢，由于扩散比较充分，铁素体向奥氏体转变进行的就比较充分，奥氏体含量增加，合金元素在两相中的含量差别也会拉大。奥氏体含量增加，合金元素在两相中的含量差别也会拉大。析出相的问题：析出相的问题：析出相会影响到焊缝金属中的力学性能及耐腐蚀性。析出相会影响到焊缝金属中的力学性能及耐腐蚀性。A.A.当焊缝成分与母材相同时：降低焊缝的冷却速度。当焊缝成分与母材相同时：降低焊缝的冷却速度。冷却速度过快时，焊缝中冷却速度过快时，焊缝中相含量不足，而相含量不足，而相含量可相含量可超过超过80%80%，导致焊缝韧性下降，氢脆敏感性增加。，导致焊缝韧性下降，氢脆敏感性
11、增加。B.B.当焊缝的冷却速度难以降低时，提高焊缝中当焊缝的冷却速度难以降低时，提高焊缝中NiNi、MnMn、N N等奥氏体形成元素含量，其中等奥氏体形成元素含量，其中N N的作用最为显著。的作用最为显著。通过焊缝通过焊缝过合金化过合金化，促使，促使相增加，使焊缝获得与母材同相增加，使焊缝获得与母材同样的组织。样的组织。N N对对转变的作用：（由转变的作用：（由TTTTTT图）图）例如：焊缝和母材为获得例如：焊缝和母材为获得60%+40%60%+40%的双相组织：要求的双相组织：要求焊缝焊缝0.219%N0.219%N，而母材只需，而母材只需0.141%N0.141%N。注：焊缝中注：焊缝中相
12、体积分数一般推荐为相体积分数一般推荐为22-70%22-70%。为获得足够。为获得足够的耐腐蚀性并避免氢致裂纹，的耐腐蚀性并避免氢致裂纹，相最大含量应限制在相最大含量应限制在60%60%。焊缝室温组织预测：焊缝室温组织预测：SchaefflerSchaeffler图：图：铁素体含量的精度铁素体含量的精度4%4%DeLongDeLong图：图：铁素体含量的精度铁素体含量的精度2%2%WRC1992 WRC1992组织图组织图美国焊接研究委员会美国焊接研究委员会推荐推荐 Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%舍夫勒组织图舍夫勒组织图
13、Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%德龙图 2.2 2.2 热影响区的组织转变热影响区的组织转变 早期双相不锈钢早期双相不锈钢：焊后：焊后HAZHAZ中中相含量过高，甚至接近单相相含量过高，甚至接近单相组织（组织（5%60%Fe60%时，时，+双相的双相的点蚀电位处于纯点蚀电位处于纯相与纯相与纯相之间；相之间；Fe60%Fe60%时，时，+双相双相的点蚀电位与纯的点蚀电位与纯相和纯相和纯相基本相同。相基本相同。注：注：FeFe增加时，对应的增加时，对应的CrCr、NiNi相应减少。相应减少。组织组织对点蚀的影响对点蚀的影响 随着
14、随着相含量的增加，相含量的增加，点蚀电位开始时增加较点蚀电位开始时增加较快，当快，当相达到相达到40%40%后则后则基本不变。基本不变。注：注：FeFe含量降低时，即合金含量降低时，即合金含量提高时，点蚀电位降低。含量提高时，点蚀电位降低。A A：低铁系列合金（：低铁系列合金（Fe50%Fe50%）B B：高铁系列合金（：高铁系列合金（Fe=68-70%Fe=68-70%）冷却速度冷却速度对点蚀的影响对点蚀的影响 随着含随着含N N量增加，点蚀电位量增加，点蚀电位提高，但与冷速有关。提高，但与冷速有关。N=0.13%N=0.13%时，时，冷速对冷速对SCESCE影响影响显著。冷却快：析出大量显
15、著。冷却快：析出大量CrCr2 2N N，SCESCE低；冷却慢：基本没有析出低；冷却慢：基本没有析出CrCr2 2N N，SCESCE高。高。N=0.25%N=0.25%时，时，冷速快慢冷速快慢CrCr2 2N N基基本没有析出，故对本没有析出，故对SCESCE没有影响。没有影响。结论：结论：含含N N量较低的双相钢，其点蚀电位（量较低的双相钢，其点蚀电位（SCESCE）对冷却速度很敏感，）对冷却速度很敏感，因此焊接含因此焊接含N N量较低的双相不锈钢时，要严格控制冷却速度。量较低的双相不锈钢时，要严格控制冷却速度。思考题思考题：分析在不同的冷却速度条件下，双相不锈钢的：分析在不同的冷却速度
16、条件下，双相不锈钢的含含N N量对量对相和相和CrCr2 2N N析出相体积分数的影响规律。析出相体积分数的影响规律。为了获得满意的为了获得满意的/比，以及最佳的力学性能与耐腐蚀性能的比，以及最佳的力学性能与耐腐蚀性能的组合，通常需要控制两个因素：组合，通常需要控制两个因素：因素因素1 1：焊缝化学成分：焊缝化学成分填充金属，保护气体，母材稀释率等填充金属，保护气体，母材稀释率等 因素因素2 2：接头冷却速度：接头冷却速度热输入量，层间温度，材料厚度等热输入量，层间温度，材料厚度等 4.14.1焊接焊接方法的选择方法的选择 无填充金属的无填充金属的TIGTIG焊焊 A.A.纯纯ArAr气体保护
17、时：气体保护时：含含N N量较低量较低(0.130%N)(0.130%N)：相相90%90%含含N N量较高量较高(0.396%N)(0.396%N)：相相43%43%注：合适的注：合适的体积分数为体积分数为20-60%20-60%。4 4双相不锈钢双相不锈钢焊接工艺特点焊接工艺特点 B.B.Ar+NAr+N2 2混合气体保护时：混合气体保护时：可通过保护气体使焊缝增可通过保护气体使焊缝增N N，以获得合适的，以获得合适的含量。含量。焊接含焊接含N N量量0.16%0.16%的一般双相钢：应在的一般双相钢：应在ArAr中加中加1.0-1.2%N1.0-1.2%N；焊接含焊接含N N量量0.25
18、%0.25%的超级双相钢：应在的超级双相钢：应在ArAr中加中加2.0-2.5%N2.0-2.5%N。注：焊接单面焊的根部焊道时，建议采用注：焊接单面焊的根部焊道时，建议采用Ar+NAr+N2 2混合气体混合气体TIGTIG焊。焊。无填充金属的电子束焊无填充金属的电子束焊 不能通过气体向焊缝增不能通过气体向焊缝增N N，只能焊接含，只能焊接含N N量高量高(0.4%N)(0.4%N)的双相钢。的双相钢。4.4.2 2 填充材料的选择填充材料的选择 在不加填充材料的在不加填充材料的TIGTIG、电子束焊接过程中，、电子束焊接过程中，N N元素的损失无法通过元素的损失无法通过填充金属进行补充，引起
19、焊缝中填充金属进行补充，引起焊缝中相严重不足而使组织和性能恶化，因相严重不足而使组织和性能恶化，因此，通常采用有填充材料的焊接方法。此，通常采用有填充材料的焊接方法。A.A.填充材料选择原则填充材料选择原则：为保证焊态下焊缝组织具有合适的为保证焊态下焊缝组织具有合适的/比，应选择比母材具有比，应选择比母材具有更高奥氏体形成元素含量的填充材料，即称为更高奥氏体形成元素含量的填充材料，即称为“过合金化过合金化”填充材料。填充材料。标准填充材料标准填充材料(Cr22%,Ni9%,Mo3%,N0.15%)(Cr22%,Ni9%,Mo3%,N0.15%)：用于焊接：用于焊接23%Cr23%Cr无无MoM
20、o双相钢、双相钢、22%Cr22%Cr标准双相钢；标准双相钢；超级超级双相钢双相钢填充材料填充材料(Cr25%,Ni9%,Mo4%,N0.25%)(Cr25%,Ni9%,Mo4%,N0.25%)：用于焊接：用于焊接22%Cr22%Cr以及合金元素较高的双相钢。以及合金元素较高的双相钢。4.4.3 3 焊接热过程的控制焊接热过程的控制 焊接热输入、层间温度、预热、材料厚度等，都影响焊接时的冷却焊接热输入、层间温度、预热、材料厚度等，都影响焊接时的冷却速度，从而影响焊缝速度，从而影响焊缝(WM)(WM)、热影响区、热影响区(HAZ)(HAZ)的组织与性能。的组织与性能。冷速太快：冷速太快：相过多，
21、过多，CrCr2 2N N析出相增加；析出相增加；冷速太慢：晶粒严重粗大，甚至析出脆性的金属间化合物如冷速太慢：晶粒严重粗大，甚至析出脆性的金属间化合物如相；相；故，冷却速度要合适。故，冷却速度要合适。4.4.4 4 焊后热处理的制定焊后热处理的制定 A.A.确定的原则：确定的原则：双相不锈钢焊后最好不进行热处理；双相不锈钢焊后最好不进行热处理；焊态下焊态下相超出合适范围或析出相超出合适范围或析出相等有害相，可用焊后热处理相等有害相，可用焊后热处理来改善来改善。B.B.热处理方法：热处理方法：退火后紧接水淬。退火后紧接水淬。要求：加热速度尽可能快；要求：加热速度尽可能快；保温时间保温时间5-30min5-30min；惰性气体保护，防止严重氧化。惰性气体保护，防止严重氧化。*23%Cr 23%Cr无无MoMo、22%Cr22%Cr双相钢：双相钢：1050-11001050-1100 *25%25%钢、超级双相钢：钢、超级双相钢：1070-11201070-1120
