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雙相不鏽鋼焊接的細(xì)則

日期：2025-12-17 10:46

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摘要： 雙相不鏽鋼焊接的細(xì)則 奧氏體不鏽鋼的焊接問題常常與焊縫金屬本身有關(guān)，尤其是在全奧氏體或奧氏體占優(yōu)勢的焊縫凝固過程中產(chǎn)生的熱裂紋傾向。對於一般奧氏體不鏽鋼，調(diào)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(zhǔn)則"></a>一、通用焊接準(zhǔn)則 雙相不鏽鋼和奧氏體不鏽鋼的區(qū)彆 奧氏體不鏽鋼的焊接問題常常與焊縫金屬本身有關(guān)，尤其是在全奧氏體或奧氏體占優(yōu)勢的焊縫凝固過程中產(chǎn)生的熱裂紋傾向。對於一般奧氏體不鏽鋼，調(diào)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(qū)有關(guān)，而不是焊縫金屬。熱影響區(qū)的問題是耐蝕性及韌性損失或焊後開裂。為了避免發(fā)生上述問題，焊接工藝的重點(diǎn)是大程度減少在“紅熱” 溫度範(fàn)圍總的停留時間，而不是控製任何一道焊接的熱輸入。經(jīng)驗(yàn)表明，這種方法可使焊接工藝從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度都優(yōu)化。 這裡將給出雙相不鏽鋼焊接的一些一般準(zhǔn)則，以及這些基本知識和準(zhǔn)則在具體焊接方法中的應(yīng)用。 1.原材料的選擇 雙相不鏽鋼對焊接的適應(yīng)性可隨化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝的變化而發(fā)生顯著變化。已反複強(qiáng)調(diào)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(qū)間，或允許在水淬前空冷通過該區(qū)間一分鐘左右，那麼本應(yīng)留給焊工 完成焊接而不產(chǎn)生任何有害相析出的時間被耗儘。需要注意的是，實(shí)際進(jìn)行加工製造的材料，其成分和生產(chǎn)過程的冶金條件應(yīng)當(dāng)與用於焊接工藝評定的材料的質(zhì)量條件相同。此係列文章的 “終端用戶技術(shù)條件和質(zhì)量控製” 部分給出了根據(jù)成分和合適試驗(yàn)規(guī)範(fàn)選擇原材料的方法。 2.焊前清理 焊前應(yīng)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(xué)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(xué)性能產(chǎn)生不 利影響。如果焊前不對材料進(jìn)行徹底清理，則無論多少工藝評定均是無效的。 3.接頭設(shè)計 雙相不鏽鋼的接頭設(shè)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(jī)加工而不采用砂輪打磨坡口，以便使焊接區(qū)厚度或間隙均勻。必須打磨時，應(yīng)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(yīng)當(dāng)去掉任何打磨毛刺。對於奧氏體不鏽鋼，有經(jīng)驗(yàn)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(qū)間停留時間比預(yù)期的時間長，導(dǎo)致結(jié)果超出合格工藝要求。 雙相不鏽鋼的一些接頭設(shè)計如圖18所示。其他設(shè)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(yù)熱 由於預(yù)熱可能是有害的，所以一般不推薦預(yù)熱。如果冇有特殊正當(dāng)?shù)睦碛桑粦?yīng)當(dāng)把預(yù)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(yù)熱可能是有益的。當(dāng)采用預(yù)熱去除濕氣時，應(yīng)將鋼均勻地加熱到約100℃ (200℉) 且隻能在坡口清理後進(jìn)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(yōu)於奧氏體焊縫金屬。 雙相不鏽鋼具有較高的導(dǎo)熱率和較小的熱膨脹係數(shù)，焊縫處冇有像奧氏體不鏽鋼那樣高的局部熱應(yīng)力。儘管有必要對焊縫要求提出嚴(yán)格限製，但熱裂紋不是個常見的問題。 極低的熱輸入可導(dǎo)致母材熔合區(qū)和熱影響區(qū)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(qū)的問題，焊接工藝規(guī)程應(yīng)允許該區(qū)域焊後快速冷卻。工件溫度很重要， 因?yàn)樗鼘嵊绊憛^(qū)的冷卻影響大。 作為一般準(zhǔn)則，經(jīng)濟(jì)型和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行焊接工藝評定時應(yīng)采用該限製值，生產(chǎn)性焊接中也應(yīng)監(jiān)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(jiān)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(shí)際製造中能夠經(jīng)濟(jì)合理地達(dá)到的層間溫度，這種做法是不慎重的。進(jìn)行大量焊接時，規(guī)劃好焊接工序使各道次間有足夠的冷卻時間是良好、經(jīng)濟(jì)的做法。 6.焊後熱處理 雙相不鏽鋼不需要進(jìn)行焊後應(yīng)力消除處理，且這樣做可能是有害的， 因?yàn)闊崽幚砜?lt;/span> 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(dǎo)致有害相的析出。 雙相不鏽鋼的焊後熱處理應(yīng)當(dāng)包括完全固溶退火，然後水淬 (見表 11)。自熔焊後應(yīng)考慮完全固溶退火， 因?yàn)槿绻诤附舆^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(jìn)行完全固溶退火和淬火，例如零部件的製造，則熱處理應(yīng)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(guān)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(tài)。 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(yán)格說來這是不正確的，因?yàn)楝F(xiàn)代雙相不鏽鋼中鐵素體約為40％ - 50％，其餘為奧氏體。通常認(rèn)為，當(dāng)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(yōu)點(diǎn)。 在一些焊接方法中，特彆是以焊劑保護(hù)為基礎(chǔ)的方法中，相平衡向奧氏體含量較高的方向調(diào)整以改善韌性，補(bǔ)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(yuǎn)低於鋼板或鋼管固溶處理後可能達(dá)到的很高的韌性值，但焊縫金屬的韌性仍足以滿足預(yù)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(dá)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(qū)的相平衡，即原始鍛軋鋼板或鋼管加上額外的焊接熱循環(huán)，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(qū)的相平衡幾乎是不可能的。如果該區(qū)域鐵素體含量很高，也許說明出現(xiàn)過極快速冷卻的異常情況，從而導(dǎo)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(yīng)當(dāng)含有鈮。由於奧氏體不鏽鋼的強(qiáng)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(qiáng)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)奧氏體不鏽鋼，焊接工藝評定試驗(yàn)是相當(dāng)簡單的，僅進(jìn)行一定數(shù)量的試驗(yàn)以證明材料、焊材和焊接方法是合格的。這些評定試驗(yàn)包括硬度試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn) (分彆檢驗(yàn)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(xiàn)的問題。雙相不鏽鋼滿足這些要求冇有困難，但是這些試驗(yàn)不可能發(fā)現(xiàn)雙相不鏽鋼中可能出現(xiàn)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(qū)溫度範(fàn)圍內(nèi)的總時間，雙相不鏽鋼的性能將對截麵厚度和實(shí)際焊接操作的細(xì)節(jié)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(dǎo)致材料的工程特性，特彆是韌性和耐蝕性出現(xiàn)不可接受的損失。 對每種厚度和形狀的焊接都進(jìn)行焊接工藝評定是比較保險的做法，因?yàn)榉桨干系奈⑿〔顝曉趯?shí)際製造結(jié)果中差彆可能很大。然而，實(shí)際加工的複雜性使得這樣的試驗(yàn)成本很高。如果每種焊接方法對厚斷麵進(jìn)行焊接工藝評定，則可達(dá)到節(jié)約的目的。

雙相不鏽鋼焊接的細(xì)則

奧氏體不鏽鋼的焊接問題常常與焊縫金屬本身有關(guān)，尤其是在全奧氏體或奧氏體占優(yōu)勢的焊縫凝固過程中產(chǎn)生的熱裂紋傾向。對於一般奧氏體不鏽鋼，調(diào)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(zhǔn)則

雙相不鏽鋼和奧氏體不鏽鋼的區(qū)彆

奧氏體不鏽鋼的焊接問題常常與焊縫金屬本身有關(guān)，尤其是在全奧氏體或奧氏體占優(yōu)勢的焊縫凝固過程中產(chǎn)生的熱裂紋傾向。對於一般奧氏體不鏽鋼，調(diào)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(qū)有關(guān)，而不是焊縫金屬。熱影響區(qū)的問題是耐蝕性及韌性損失或焊後開裂。為了避免發(fā)生上述問題，焊接工藝的重點(diǎn)是大程度減少在“紅熱” 溫度範(fàn)圍總的停留時間，而不是控製任何一道焊接的熱輸入。經(jīng)驗(yàn)表明，這種方法可使焊接工藝從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度都優(yōu)化。

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

1.原材料的選擇

雙相不鏽鋼對焊接的適應(yīng)性可隨化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝的變化而發(fā)生顯著變化。已反複強(qiáng)調(diào)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(qū)間，或允許在水淬前空冷通過該區(qū)間一分鐘左右，那麼本應(yīng)留給焊工完成焊接而不產(chǎn)生任何有害相析出的時間被耗儘。需要注意的是，實(shí)際進(jìn)行加工製造的材料，其成分和生產(chǎn)過程的冶金條件應(yīng)當(dāng)與用於焊接工藝評定的材料的質(zhì)量條件相同。此係列文章的 “終端用戶技術(shù)條件和質(zhì)量控製” 部分給出了根據(jù)成分和合適試驗(yàn)規(guī)範(fàn)選擇原材料的方法。

2.焊前清理

焊前應(yīng)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(xué)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(xué)性能產(chǎn)生不利影響。如果焊前不對材料進(jìn)行徹底清理，則無論多少工藝評定均是無效的。

3.接頭設(shè)計

雙相不鏽鋼的接頭設(shè)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(jī)加工而不采用砂輪打磨坡口，以便使焊接區(qū)厚度或間隙均勻。必須打磨時，應(yīng)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(yīng)當(dāng)去掉任何打磨毛刺。對於奧氏體不鏽鋼，有經(jīng)驗(yàn)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(qū)間停留時間比預(yù)期的時間長，導(dǎo)致結(jié)果超出合格工藝要求。

雙相不鏽鋼的一些接頭設(shè)計如圖18所示。其他設(shè)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(yù)熱

由於預(yù)熱可能是有害的，所以一般不推薦預(yù)熱。如果冇有特殊正當(dāng)?shù)睦碛桑粦?yīng)當(dāng)把預(yù)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(yù)熱可能是有益的。當(dāng)采用預(yù)熱去除濕氣時，應(yīng)將鋼均勻地加熱到約100℃ (200℉) 且隻能在坡口清理後進(jìn)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(yōu)於奧氏體焊縫金屬。雙相不鏽鋼具有較高的導(dǎo)熱率和較小的熱膨脹係數(shù)，焊縫處冇有像奧氏體不鏽鋼那樣高的局部熱應(yīng)力。儘管有必要對焊縫要求提出嚴(yán)格限製，但熱裂紋不是個常見的問題。

極低的熱輸入可導(dǎo)致母材熔合區(qū)和熱影響區(qū)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(qū)的問題，焊接工藝規(guī)程應(yīng)允許該區(qū)域焊後快速冷卻。工件溫度很重要，因?yàn)樗鼘嵊绊憛^(qū)的冷卻影響大。作為一般準(zhǔn)則，經(jīng)濟(jì)型和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行焊接工藝評定時應(yīng)采用該限製值，生產(chǎn)性焊接中也應(yīng)監(jiān)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(jiān)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(shí)際製造中能夠經(jīng)濟(jì)合理地達(dá)到的層間溫度，這種做法是不慎重的。進(jìn)行大量焊接時，規(guī)劃好焊接工序使各道次間有足夠的冷卻時間是良好、經(jīng)濟(jì)的做法。

6.焊後熱處理

雙相不鏽鋼不需要進(jìn)行焊後應(yīng)力消除處理，且這樣做可能是有害的，因?yàn)闊崽幚砜?/span> 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(dǎo)致有害相的析出。

雙相不鏽鋼的焊後熱處理應(yīng)當(dāng)包括完全固溶退火，然後水淬 (見表 11)。自熔焊後應(yīng)考慮完全固溶退火，因?yàn)槿绻诤附舆^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(jìn)行完全固溶退火和淬火，例如零部件的製造，則熱處理應(yīng)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(guān)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(tài)。

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(yán)格說來這是不正確的，因?yàn)楝F(xiàn)代雙相不鏽鋼中鐵素體約為40％ - 50％，其餘為奧氏體。通常認(rèn)為，當(dāng)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(yōu)點(diǎn)。

在一些焊接方法中，特彆是以焊劑保護(hù)為基礎(chǔ)的方法中，相平衡向奧氏體含量較高的方向調(diào)整以改善韌性，補(bǔ)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(yuǎn)低於鋼板或鋼管固溶處理後可能達(dá)到的很高的韌性值，但焊縫金屬的韌性仍足以滿足預(yù)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(dá)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(qū)的相平衡，即原始鍛軋鋼板或鋼管加上額外的焊接熱循環(huán)，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(qū)的相平衡幾乎是不可能的。如果該區(qū)域鐵素體含量很高，也許說明出現(xiàn)過極快速冷卻的異常情況，從而導(dǎo)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(yīng)當(dāng)含有鈮。由於奧氏體不鏽鋼的強(qiáng)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(qiáng)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)奧氏體不鏽鋼，焊接工藝評定試驗(yàn)是相當(dāng)簡單的，僅進(jìn)行一定數(shù)量的試驗(yàn)以證明材料、焊材和焊接方法是合格的。這些評定試驗(yàn)包括硬度試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn) (分彆檢驗(yàn)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(xiàn)的問題。雙相不鏽鋼滿足這些要求冇有困難，但是這些試驗(yàn)不可能發(fā)現(xiàn)雙相不鏽鋼中可能出現(xiàn)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(qū)溫度範(fàn)圍內(nèi)的總時間，雙相不鏽鋼的性能將對截麵厚度和實(shí)際焊接操作的細(xì)節(jié)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(dǎo)致材料的工程特性，特彆是韌性和耐蝕性出現(xiàn)不可接受的損失。

對每種厚度和形狀的焊接都進(jìn)行焊接工藝評定是比較保險的做法，因?yàn)榉桨干系奈⑿〔顝曉趯?shí)際製造結(jié)果中差彆可能很大。然而，實(shí)際加工的複雜性使得這樣的試驗(yàn)成本很高。如果每種焊接方法對厚斷麵進(jìn)行焊接工藝評定，則可達(dá)到節(jié)約的目的。

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雙相不鏽鋼焊接的細(xì)則