SAF2205双相不锈钢焊接工艺分析

王振坤

摘   要：随着社会的发展和工业化的进步，传统的不锈钢已不能满足高耐腐蚀性的要求，在石油化工等行业的应用逐渐减少。研究发现双相不锈钢材质能兼顾铁素体和奥氏体的优点，耐腐蚀性和力学性能十分优秀，很快就被投入到工业生产中。我国对于双相不锈钢的研究起步比西方发达国家晚，但在生产加工中已经取得了较好的应用成果，许多生产企业也看到了双相不锈钢在未来市场的潜力。因此，系统地介绍SAF2205双相不锈钢焊接的工艺和具体操作。

关键词：2205双相不锈钢;焊接工艺;金属分析

传统的不锈钢为奥氏体不锈钢，对晶间腐蚀和孔腐蚀的耐性表现不佳，影响了石油管道运输等工作的正常开展，使管道的使用寿命受到束缚，影响了生产企业的生产运输成本。从20世纪70年代起，我国开始自主研究双相不锈钢的生产应用，并取得了比较突出的成绩。根據我国独特的矿产资源分布特点，研究人员将稀土元素融入不锈钢的生产，降低了其中的氮质量浓度，研发的稀土双相不锈钢工艺加工性能、抗应力和抗腐蚀性能较好，已经投入生产使用。

1    SAF2205双相不锈钢概述

1.1  SAF2205双相不锈钢性能特点

双相不锈钢是指在生产中通过热加工将铁素体与奥氏体结合，各占约1/2，使用氮或其他元素以促进二者更好地融合。双相不锈钢的优点十分明确，即可以兼顾铁素体和奥氏体的优势，在保持硬度和可加工性的基础上提高不锈钢材料的耐腐蚀性，延长材料的使用寿命，降低生产企业的成本。

SAF2205是双相不锈钢的一种，性能优越且价格较低，在实际的生产运输中应用十分广泛。SAF2205双相不锈钢的抗拉强度可达到655 MPa，双相不锈钢材质的密度更小、质量轻，线性热膨胀系数也低于奥氏体不锈钢，使SAF2205双相不锈钢的可加工性更突出，使用时不容易开裂，锻造和冶炼更便利[1]。同时，由于添加了钼元素，双相不锈钢的孔抗蚀力当量值（Equivalent Value of Pitting Resistance，PRE）超过40，极大地弥补了传统不锈钢的缺点，在耐孔蚀和耐缝隙腐蚀方面表现更佳。

1.2  SAF2205双相不锈钢焊接分析

焊接的工艺直接影响不锈钢管材的使用，由于双相不锈钢中独特的双重组织，在焊接管材焊缝处奥氏体因受热产生变化，逐渐向铁素体转变，即钢材内铁素体和奥氏体的比例发生变化，一旦材料内铁素体的质量分数超过60%，不锈钢的整体性能会下降，因此，要正确运用焊接技术，在接头处妥善处理，才能使焊接区域和母材保持同样的性能。首先，在焊接之前要进行接头设计，保证接头处受热后材料依然能够保持与其他部分相同的二相性。

在焊接时要注意减少应力集中，避免腐蚀介质聚集在焊缝处导致使用时发生断裂。其次，在焊接时要用小功率、大焊速，有效避免十字交叉焊缝。焊接时要特别关注对温度的控制，每个焊缝完成后应冷却至要求温度后再继续工作，防止材料过热发生脆化断裂。

2    SAF2205双相不锈钢焊接工艺

2.1  焊接准备

在开始焊接前，要先按照要求的尺寸切割不锈钢钢材，在焊接处留出X形或V形的焊接口，切割焊缝的角度约为60°，焊缝的宽度约为2 mm。一般的焊接口使用直线切割更节约成本，且焊接效果差距较小，如果使用U形接口则需要由专门的机器加工，不利于控制生产成本。切割完成后要打磨焊接口周围50 mm内的钢材，将附着的油脂、灰尘和水渍清理干净。可以使用酸蚀的方式清洗切口处，使切口处的金属钝化，提高焊缝表面的平整度[2]。清洗完成后要将腐蚀介质清除干净，防止酸溶液聚集在焊缝处，影响焊接质量。打磨钢材时要使用专用的抛光片，不能使用含碳量高的砂轮，也不能和其他碳钢接触，防止影响钢材的防腐蚀性能。焊接时要做好必要的防护措施，连接好地线，防止出现意外事故。

由于SAF2205双相不锈钢中氮元素质量分数较高，更适合使用钨极氩弧焊，焊接出来的焊缝质地轻薄美观、连接性能好。钨极氩弧焊的保护气体多选择氩气，并掺杂适量的氮气，一般混合量约为1%，以保证在焊接时钢材不会因为受热而流失氮元素，破坏铁素体与奥氏体的比例成分。在混气时要特别注意，不能为了保护钢材特性加入过多的氮气，氮气会加速焊接设备中钨极的烧毁，选择钍钨极进行焊接，能有效对抗这种损坏。

为了保证SAF2205双相不锈钢的焊接效果，焊接处的材料一般选择和母材性质类似的材料，如E2209焊条或ER2209焊丝，碳质量分数均为0.014%，能更好地和母材融合，不会因为受热和冷却使焊接出现开裂现象。焊接材料在使用之前需要经过检测，保证其成分和性能符合要求后再使用。

2.2  焊接过程

在焊接过程中需要关注焊接的工艺和焊接温度。首先，在焊接前要固定不锈钢的边角，保证焊接的精确性，在焊接完成后可以使用切割机将其切除，但要保证不能破坏母材原本的尺寸，切割后要使用酸性溶液清洗钝化。其次，在焊接时要用小电流，高温会破坏钢材的耐腐蚀性。焊枪的摆动幅度小，能够有效避免交叉焊缝的形成。焊枪可以使用大直径喷嘴，在提高焊接速度的同时，加大保护气体的喷出量，使焊缝处的焊接更加紧密，保护效果更明显。要在留出的X形或V形焊接口内操作焊枪，防止焊枪刮伤钢材，或因高温影响钢材的质量。再次，钢材表面的焊接尽量一次完成，以保证焊缝的均匀细密，使其更加平整美观。一般对钢材的层间焊接不作要求，但要注意控制钢材温度，保证每层温度冷却至150 ℃之下再焊接，冷却钢材时可以加大空气流速，严禁使用冷水冷却，否则会使钢材变脆开裂[3]。最后，焊接完成后要清理钢材整体，清理工具要选择同样由双相不锈钢制成的，避免双相不锈钢与其他钢材直接接触，否则打磨时其他材料的粉末接触到双相钢材会出现点腐蚀的现象。当焊缝的温度逐渐降低，但还未降至凝固点时，要用钢丝刷洗掉焊接过程中氧化和飞溅的残渣，确保焊缝表面的完整性。

2.3  参数确定

在焊接时要注意控制焊接参数以提高焊接质量。首先，SAF2205双相不锈钢在焊接时对温度的要求较高，如果控制不当会直接影响焊缝内材料的结晶程度和双相钢材的相性质量。在焊接之前，要使用红外线测温仪器测量钢材的层间温度，在低于150 ℃时才能进行下一步焊接，且每个焊缝焊接完成后都需要测温才能继续焊接，严格控制每一次焊接操作都符合规范。其次，焊接要采取直线的方式，减少焊枪的横向摆动，焊接材料要填满所留的焊接口，不能留有空气。在向氩气中充填氮气时要控制用量，如果超过钢材需要的量，过多的气体会从熔化的金属焊条中析出，冷却时形成气孔，影响焊接质量[4]。

2.4  质量测评

在完成焊接后要对焊接好的钢材进行质量评测，合格后方可投入使用。首先，要对连接在一起的钢材进行抽样，记录外观上有明显缺陷的焊接口。对选取好的焊接口进行拉伸测试，主要记录其对抗应力的弯曲性能的数据，保证鋼材焊接后的稳固性。当钢材产生裂缝时，较好的弯曲性能可以抑制裂缝的进一步扩展，延长钢材的使用寿命。

其次，要对钢材内部的相性和比例进行测定，保证焊接处的双相性和母材保持一致、钢材整体的抗腐蚀性好。测量时可以使用X射线进行衍射测试，准确分析焊接处的内部结构。由于在焊接过程中会产生高温，焊接处周围受热影响较大，金属的热影响区会有相性变化，奥氏体的晶相受到破坏，使钢材内部产生许多无定形的晶界，影响钢材的耐腐蚀性能。

最后，需要对焊接接头进行无损测试和抗腐蚀性测试。一般研究抗腐蚀的效果是通过对比金属腐蚀前后的质量差来测算的，因此，也被称为无损测试，若钢材的质量不发生损失，则说明其抗腐蚀性能较好。

3    结语

SAF2205双相不锈钢的性能十分优秀，耐孔耐腐和耐晶间耐腐都明显优于传统的奥氏体材质，在工业生产中已经逐步代替传统不锈钢，生产企业应该积极引入双相不锈钢，提高产品质量，为扩大企业生产规模、拥有更高的市场占有率打下基础。在生产中，双相不锈钢对焊接工艺要求较高，只有保证焊接前的准备到位、焊接材料和参数选择适宜、焊接操作时严格把控打磨技术、焊接定位和温度，才能放大双相不锈钢的优点，保证工程焊接质量。

[参考文献]

[1]贾 强，刘 艳，张志昌.SAF2205双相不锈钢焊接工艺及耐蚀性的研究[J].科技信息，2017（23）：23-25.

[2]苏海滨.浅谈双相不锈钢及其应用[J].中国高新技术企业，2017（9）：62-63.

[3]刘俊龚，霍立兴，金晓军，等.焊接工艺对SAF2205管道焊接接头组织和力学性能的影响[J].焊管，2018（3）：20-23.

[4]朱兴海.SAF2205双相不锈钢设备SAW焊接工艺[J].石油化工建设，2017（2）：43-46.