2205雙相不銹鋼管焊接中存在的主要問題

 浙江至德鋼業有限公司是一家專業生產雙相不銹鋼管廠家，公司技術人員認為對于雙相不銹鋼管，韌性和耐腐蝕性是關鍵的性能指標，其化學成分和焊接過程都必須保證能形成足夠的奧氏體相和阻止金屬間相的析出。對于接頭的焊接過程來說，雖然沒有對鐵素體相的含量進行嚴格要求，但是一旦鐵素體相的含量超過60%，就可能產生很多的問題。在金屬間相的析出方面，經過多年的探索研究，有害相主要為碳化物、鉻的氮化物（CrN、Cr2N）、二次奧氏體相、金屬間化合物（σ）和其他的一些相等。

焊接線能量對焊縫及熱影響區的組織及兩相比例有很大的影響，進而對焊接接頭的力學性能和耐蝕性能產生很大影響。焊接時如采用的線能量過低，工件冷卻速度過快，焊縫及熱影響區會產生過多的鐵素體組織，從而降低焊接接頭的腐蝕抗力和韌性；線能量過高，工件的冷卻速度過慢，焊縫及熱影響區可能析出金屬間相，也會使焊接接頭的腐蝕抗力和韌性降低。在較低的線能量情況下，冷卻速度較快，奧氏體相析出不充分，焊縫和焊接熱影響區（heataffected~zone，HAZ）的鐵素體含量較高，HAZ寬度較??；隨著線能量的增加，冷卻速度減慢，奧氏體析出時間延長，焊縫和HAZ中的鐵素體量減少，HAZ寬度增加。即使采用大的線能量，HAZ中的鐵素體相含量仍不會低于50%。

文獻指出，雙相不銹鋼管在焊接過程中如果采用單一的氬氣保護，焊接時焊縫金屬中的氮元素會發生擴散現象，將明顯抑制冷卻時鐵素體組織向奧氏體組織的轉變，焊縫金屬中的鐵素體組織含量容易出現超標現象。所以，為了控制焊縫金屬中的鐵素體相含量，在焊接過程中，可在保護氣體Ar中添加適量的氮氣，通過保護氣氛的富氮化，來防止焊縫金屬中的氮元素向外發生擴散現象，從而確保冷卻過程中有較多的鐵素體轉變成奧氏體。但是，隨著氨氣中氮氣含量的增加，鐵素體相含量呈線性下降、焊接電壓升高、熱輸入增加、峰值溫度提高，從而導致接頭殘余應力增加。保護氣體中氮氣含量越高，殘余應力越大。一般，當保護氣體中氮氣的含量不超過2%時，鐵素體相的含量在低熱輸入時比高熱輸入時的要高。

2205雙相不銹鋼管件接頭焊縫常會在冷卻過程中析出二次相。主要的二次相有：

 1. 二次奧氏體

 一般在900℃以下析出的奧氏體通常稱為二次奧氏體，其析出可理解為鋼或焊縫金屬從高溫初次快速冷卻時，其平衡鐵素體的份額較高，以后又因焊接或熱處理再加熱時就會生成比初始高溫奧氏體的氮、鉻、鉬含量較低的二次奧氏體，其形態主要取決于形成的位置及機理。經?？稍诤缚p金屬中發現帶有尖銳邊緣型的魏氏體（Widmanstatten），而在焊縫金屬和熱影響區母材中均可見到的為球型組織。不管是哪種組織形式，其低的氮、鉻及鉬含量均對抗點蝕產生有害影響。另外，文獻指出二次奧氏體的析出會促進富鉻而貧鎳的σ相成核結晶。

 2. 金屬間化合物相

 最常見的金屬間化合物是σ相，它經常以足夠多的量析出在雙相不銹鋼管件母材及焊縫金屬中。χ相及R相已在許多雙相不銹鋼管件及焊縫金屬中被檢測到，但大多析出量都很小。實際上要確切地分辨這些相的構成較為困難，因此，通?？偸羌俣ㄋ鼈兌纪瑯拥貢菇宇^性能惡化，而以σ相作為廣義金屬化合物相的代名詞，但實質上它們包含以下多種形態：

①. σ相正方晶的σ相基本上是Fe–Cr–Mo，根據合金元素含量不同，它在雙相不銹鋼管件處于600~1100℃范圍內時為熱力學穩定相。σ相是富鉻、鉬、硅及鎢元素、貧鎳及錳元素的相。依據鋼的化學成分及形成溫度不同，雙相不銹鋼管件及焊縫金屬中所生成σ相的典型成分為：29%~34%Cr、3%~5%Ni、3%~9%Mo及0~7%W。σ相硬而脆，會顯著降低鋼的塑性和韌性。σ相富含鉻，使其周圍因貧鉻而使鋼的耐腐蝕性降低。鑒于此，σ相是一種危害最大的二次相。焊接時，以急冷方式快速通過該形成溫度區間，可有效避免σ相的產生。

②. χ相方晶的χ相是富含Mo的金屬間化合物相，它通常在雙相不銹鋼管件處于700~900℃范圍內時生成。其成分在無W的鋼及焊縫中為：20%~28%Cr、3.0%~5.5%Ni、9%~22%Mo；而在含0.9%~4.3%W鋼及焊縫中為4%~17%Mo、3%~16%W。這種χ相是亞穩態的，當熱處理時間延長時它即為σ相所取代。

③. R相角晶的金屬間化合物相是2205雙相不銹鋼管件處于550~800℃溫度范圍內時析出的，其成分為：16%~30%Cr、3%~5%Ni、25%~40%Mo。

④. α′相在300~550℃范圍內引起的鐵素體分解為富Fe的α及富Cr的α′造成475℃脆化。但也有人認為α′的形成是一種成核和生長過程。不過，其結果總是使沖擊強度降低。

⑤. G相在α′相形成溫度范圍內長期時效后會觀測到與未摻雜的Fe–Cr固溶體發生相互作用而生成富Si的立方晶金屬間化合物相G，它是由于鉬、硅及鎳的增加而形成的，G相的形成會使沖擊強度明顯降低。

⑥. τ相2205雙相不銹鋼管件中也曾發現過稱為τ相的斜方晶金屬間化合物，它對性能的影響暫不清楚。

⑦. η相25Cr4Ni4Mo鐵素體不銹鋼管件中已知η相（Fe2Mo、laves相），也已在雙相不銹鋼管件中觀測到，但因η相與R相極難區分，對其認定還有待研究。

 3. 氮化鉻

 雙相不銹鋼管處于700~900℃范圍內可發生六方晶的Cr2N析出，其形成是由于含飽和氮的鐵素體從高溫快速冷卻，在等溫處理時及涉及焊接的過程中會析出。這種析出對鋼的抗腐蝕及沖擊性能都有不利影響。

 立方晶的CrN也在約1100℃形成的鐵素體中發現，但其對性能的影響很小。最近探明CrN常以薄膜或微片狀出現在呈棒狀的Cr2N附近。

4. 碳化物

 2205雙相不銹鋼管的含碳量很低，鋼中碳化物起的作用較小。然而碳化物的析出仍然是可能的，在950℃以下會迅速析出M23C6，而在950~1050℃之間則會析出M7C3。值得注意的是，碳化物的析出會促進σ相之類有害相的形成，因為它為后者提供了成核空間。

 5. 其它相

 2205雙相不銹鋼管焊縫金屬在650℃時觀測到富鉬、鉻及硅的晶界薄膜。