SAF2205双相不锈钢管焊接工艺研究

朱涛

SAF2205双相不锈钢管焊接工艺研究

朱涛

（中国能源建设集团江苏省电力建设第三工程有限公司，江苏 镇江 443112）

对SAF2205不锈钢管的焊接材料、填充材料、保护气体、焊接方法和设备、层间温度、焊接热输入、保护措施、操作要点、难点分析和检验要求进行了分析，总结了SAF2205双相不锈钢管的一种焊接方法，并提供了检验标准，以期为相关焊接工作提供参考。

双相不锈钢；焊接；工艺研究；SAF2205

双相不锈钢诞生于20世纪40年代的美国，当今使用的双相不锈钢已经是第三代产品，因其卓越的性能被广泛用于化工、核电、造纸、石油、化肥、炼油等行业的热交换器、冷淋器和器件的制作。双相不锈钢管根据化学性能分成Cr18、Cr23、Cr22和Cr25四类，其中Cr25又可以分为超级双相不锈钢型和普通型，在实际使用中使用较多的是Cr25和Cr22，主要型号为SAF2304、SAF2205和SAF2507。SAF2205双相不锈钢管作为双相不锈钢管诸多型号中的一种，具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，在当前具有广泛的使用前景，但是由于其固溶组织中奥氏体和铁素体各占一半，因此它同时具有奥氏体和铁素体的特点，与铁素体相比，它具有更强的韧性，室温脆性被消除，导热系数高且热膨胀系数比较小，最重要的是拥有卓越的耐腐蚀能力，大大拓展了双相不锈钢管的使用范围。但是，出厂时的尺寸远远无法满足实际使用的需求，因此必须对其进行焊接，而其焊接工艺要求特别严格，如果控制不好就会使其焊接处奥氏体和铁素体的比例失调，从而失去其卓越的特性而使综合性能下降。双相不锈钢管在实际的生产和使用中的种类较多，而其中最常用的是SAF2205双相不锈钢管。

1 焊接材料

试验用的双相不锈钢管材为浙江益宏不锈钢有限公司生产的SAF2205双相不锈钢管，其主要化学成分为N（0.13%～0.20%）、Cr（22%～22.8%）、Ni（4.5%～6%），力学性能屈服强度大于等于450 MPa，抗拉强度大于等于650 MPa。

SAF2205双相不锈钢管中含有钼，因而具有优良的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，能够抵御氯化物的侵蚀，屈服强度是其他不锈钢管的两倍，因而在各个领域中具有广阔的应用范围和应用前景。

2 填充材料

在对双相不锈钢管进行焊接时会产生热循环，而如果使用同样的材料进行焊接，由于热循环的作用，会使焊接处奥氏体伴随着碳化物析出，致使含量急速下降，而焊接处的材料化学成分发生改变则其力学性能也会发生不可知的变化。一般来讲，其屈服强度和抗拉强度会大幅下降，也更容易被腐蚀，那么如何应对这种情况呢？考虑到焊接时热循环作用会使奥氏体大量析出，在筛选填充材料时，应选择奥氏体含量大的材料，抑制焊接处因奥氏体大量析出而使铁素体含量增高的问题，在此选用E2209—16焊条，其主要化学成分Cr约为22.95%、Ni约为8.67%、N约为0.16%。

3 保护气体

电弧和背部保护气体的选择会极大影响焊接处的韧性和耐腐蚀性。在一般焊接中，人们会选择Ar作为保护气体，在双相不锈钢管焊接时也可以使用Ar作为保护气体，但并不是最佳的选择。在焊接过程中，纯Ar作为保护气体无法补充因焊接而流失的氮，如果想获得最佳的焊接性能，需在保护气体中添加氮元素。实验数据表明，加入保护气体含量的2%为最适合的量，可以及时补充焊接处流失的氮元素，进而防止奥氏体的大量析出。同时背面保护气体也同样重要，它影响着焊接处的抗拉强度和耐腐蚀性，在此选用98%的Ar和2%的N2作为保护气体。

4 焊接方法和设备

TIG盖面使用济南金佳源焊接设备有限公司RSN2500型逆变焊机，MIG盖面使用松下YD-500KR2HGE型焊机。在焊接方法上，使用等离子焊打底，用钨极氩弧焊进行焊接，保证焊接面双面成型，在焊接过程中应多次施焊，且每次焊接前温度要控制在150 ℃以内，且每次焊接都应将焊道清理干净，控制好线能量。

5 层间温度

在多层焊接时，SAF2205双相不锈钢管会在550～600 ℃中发生脆性断裂，在800～900 ℃中铁素体会出现σ脆化，由此可见铁素体在高温中极易处于不稳定状态，容易析出多种物质，因此要获得最佳的焊接效果，多层焊接双相不锈钢管的层间温度应该在100 ℃以内。

6 焊接热输入

焊接热输入会对热影响区产生影响，焊区的硬度将随着冷却速率的增加而增加，而硬度决定焊接区域的韧性，冷却速度过高或者过低都会使焊接区域的韧性降低，这是因为过高的温度，使焊接处的氮元素析出，进而使奥氏体和铁素体的比例失调，即上面所提到的奥氏体析出问题。热输入和冷却速率会极大影响奥氏体和铁素体之间的比例平衡，当热输入过低时，铁素体的比例会偏高，当热输入过高时，铁素体的比例会偏低，这两者都会使焊接处的韧性降低，因此要获得最佳的连接性能，必须将热输入控制在规程范围内，即使铁素体含量置于40%～60%之间，保持在这个范围内可以使焊接处的性能达到最佳效果。

在SAF2205双相不锈钢管中，要获得最佳的焊接效果，需先焊接可能接触腐蚀介质的焊缝，焊接过程中要多层焊接，将热输入量尽量控制在一定范围内，焊接时必须进行固溶处理。

7 保护措施

SAF2205双相不锈钢管的参数中耐腐性性能极佳，因此在实际使用中要充分利用双相不锈钢管的性能，就不能让焊接处成为性能的“短板”，所以保持焊接环境的干净十分重要，其他金属、杂质等物质都会对不锈钢管产生污染，进而使性能发生变化，在焊接的过程中应适当加装保护罩来防止弧击、渗碳等现象的发生。

在焊接不规则或者狭窄部位时首先进行打磨，打磨需使用不锈钢专用磨光片，因为这些部位空间小，金属流动性差，容易产生局部温度过高、未熔合等问题，而提前打磨可以很好地将焊道铺开，打磨的工具应使用清理好的不锈钢工具，避免沾染其他合金材料或者钢材，否则会对焊接部位产生 污染。

8 操作要点

需要清理时，必须使用不锈钢工具进行清理，且在焊接的整个过程中，不锈钢工具不得用于其他材料的清理，而且在每一次清理后都应对工具进行清理，保持工具干净，且必须使用不锈钢焊接专用地线夹。

在进行多层焊接时，前一层的温度降低到100 ℃以下才可以继续进行焊接，这一措施是为了加快焊缝的冷却速度，避免出现δ相和475 ℃脆化，其实质是减少焊缝的高温时间，如果想尽快降温，可使用白布沾上纯净水覆盖在焊接管道的两端，进而提高焊接效率。

在固定位置进行焊接时，要使用同等材料的卡块，焊接完成后切除多余部分，这样可以避免被焊接管道的损伤，焊接完成后还应进行打磨和清理。

9 难点分析

焊接的重点是焊接完毕后接口的材料化学组成必须与母材相同或者相近，这是保证成品能够充分发挥SAF2205双相不锈钢材料力学性能和耐腐蚀的关键所在。

热输入要尽量保持在低幅度，其本质是用较小的电量、较快焊接速度保持层间温度控制在合理范围内，防止出现脆化反应。

焊接接头要保持干净整洁，避免具有腐蚀性的介质聚集在接头处，所以在接头结构设计时要尽量采用对接接头，尽量避免横向运输，避免十字焊缝。

10 检验要求

焊接完成的成品要满足ASTM 932标准要求，抗拉伸能力要满足SPEC 5LC标准要求，并且要具有良好的抗弯曲性。

11 结语

SAF2205双相不锈钢管具有铁素体和奥氏体不锈钢材料所制成的不锈钢管的优点，与铁素体相比，不锈钢管具有更强的韧性、耐晶间腐蚀性和焊接性能，导热系数高。与奥氏体相比，不锈钢管具有更高的强度和更强的耐晶间、耐氯化物腐蚀性，在实际使用时具有广阔的应用范围和使用前景，被广泛使用于输油输气管线、石油化工设备、核电管道设备、造纸机械、海水与废水处理设备等工业领域中，近年亦被用于桥梁承重结构的设计中。本文全面介绍了其中一种焊接工艺，介绍了双相不锈钢管的焊接方法，提出了操作中需要注意的要点和难点，对实际操作具有重要的参考意义。

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TG457.11

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.053

2095－6835（2020）08－0122－02

朱涛（1989—），男，土家族，湖北巴东人，大学本科，助理工程师，研究方向为焊接。

〔编辑：严丽琴〕