至德鋼業雙相不銹鋼焊接性能分析概述

 自1933年霍爾茨第一次制造出雙相不銹鋼以來，國內外學者根據實際的性能需求，在現有的雙相不銹鋼的基礎上調整其化學成分配方，以其開發出性能更好的超級雙相不銹鋼，截止到目前，已經成功應用的各種牌號的雙相不銹鋼有很多。根據其合金成分和耐腐蝕能力（耐點蝕當量值PREN）可分為低合金型（PREN：24-25）、中合金型（PREN：32-33）、高合金型（PREN：38-39）和超級雙相不銹鋼（PREN>40）四類。對于雙相不銹鋼，鐵素體相能夠提供高的強度和耐應力腐蝕裂紋性能（SCC），而奧氏體相有利于提高延展性和一般耐腐蝕性能，其優異的綜合性能正是得益于兩相均衡組織。雙相不銹鋼中鉻、鉬、氮元素含量的增加是其卓越的耐中酸性局部腐蝕能力的保證。同時雙相不銹鋼機械強度的提高對其疲勞性能和抗磨損性能里也有改善。值得注意的是，在同等耐腐蝕性能的條件下，相對奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼性價比更高，且其屈服強度可以達到奧氏體不銹鋼的兩倍。

 我國20世紀70年代中期開始研制雙相不銹鋼，最具代表的是00Cr18Ni5Mo3Si2，80年代初期開始研制含氮的雙相不銹鋼。太鋼引領國內雙相不銹鋼的發展，太鋼從80年代開始研究雙相不銹鋼，1999年成功研制用于三峽工程復合板的2205雙相不銹鋼，2007年成功開發具有自主知識產權的S32101雙相不銹鋼，與其系列產品3Re60、S32304、S31803、S32205、S32750、SUS329J4L等被應用于港珠澳大橋海外PDO天然氣管線、AP1000核電等重大工程項目，在我國石油石化、核電、橋梁、環保等領域獨樹一幟。2010年雙相不銹鋼生產突破一萬噸，在國內不銹鋼業界創下新高，2012年太鋼雙相不銹鋼通過英國CARES認證，2016年8月太鋼雙相不銹鋼獲得挪威國家石油標準NORSOKM-650認證證書，這為我國雙相鋼進入國際海洋工程、海水淡化、油氣開采等高端領域創造了條件。

 雙相不銹鋼焊接性良好，焊前一般不需預熱，焊后也不需熱處理，所有傳統的和先進的焊接方法幾乎都可以用于雙相不銹鋼的焊接，如SMAW、GTAW、GMAW、埋弧焊（SAW）、FCAW、等離子弧焊（PAW）、EBW、LBW及激光復合焊、電阻焊、FSW等。瑞典的Sieurin等人采用SAW焊接2205雙相不銹鋼，優化焊接參數后空冷WM和HAZ的鐵素體相比例不低于35%，且沒有金屬間化合物和脆性相析出。印度的Magudeeswaran等人采用活性化TIG焊（A-TIG），通過優化焊接參數，得到無宏觀裂紋的2205焊縫。波蘭的Nowacki等人利用SAW、GMAW、FCAW的焊接方法完成了化學品船儲貨倉的焊接，接頭的機械性能和耐腐蝕性能都滿足要求。意大利的Capello等人利用相同的激光束對激光焊后焊縫進行表面處理，改善了原焊縫的溫度場分布，優化焊接參數后WM中兩相組織以及元素分布幾乎與固溶處理后的BM相同（2205雙相不銹鋼）。同時，雙相不銹鋼可以與奧氏體不銹鋼、碳鋼等材料進行異種焊接。

 雙相不銹鋼包含奧氏體和鐵素體兩相，通過控制化學成分和熱處理工藝可以使兩相組織大約各占50%，然而，實際焊接應用中，冷卻速度較快，尤其是WM，δ→γ固態相變過程一定程度上被抑制，導致接頭中兩相組織比例失衡，分布不均，很難得到1:1的兩相比例，一般兩相中占比較少的一相含量不低于30%都可以滿足實際工程應用的接頭性能需求。通常在焊材中添加與BM相當的氮或是將其鎳含量提高至10%左右，便可得到奧氏體相比例不低于60~70%的焊縫組織。雙相不銹鋼焊材中的鎳元素含量通常比BM高2~4%，如圖所示，鎳含量的增加不僅使（α+γ）/γ固溶曲線上移，同時也使α?γ在較高的溫度開始轉變。但是鎳含量又不能太高，這是因為根據Fe-Cr-Ni偽二元合金相圖，過高的鎳含量（Cr/Ni小于1.75）可能使單一的鐵素體凝固模式轉變為奧氏體和鐵素體的雙相凝固模式，造成WM組織偏析，導致金屬間化合物析出。同時添加氮元素，氮元素可以在維持相平衡的基礎上提高接頭的耐蝕性，這是其他合金元素無法替代的。通常只要加入0.1%以上的氮就會明顯改善接頭的力學性能。氮的添加形式可以是焊材也可以是保護氣體。

 雙相不銹鋼焊接材料已經被美國焊接學會AWS標準化。中國目前關于雙相不銹鋼焊材的標準基本都是借鑒國外標準。焊材可以是焊條、實心焊絲、藥芯焊絲包含熔渣型和金屬型。目前有能力研發雙相不銹鋼焊材的廠商大都在國外。主要有B?HLER、ESAB、LINCOLN、SANDVIK、METRODE，其中B?HLER焊接集團隸屬于奧地利最大的工業企業voestalpine（奧鋼聯）集團，B?HLER焊接集團旗下擁有六大著名焊接品牌：B?hler、T-PUT、UTP、Soudokay、Avesta和Fontargen。國內的焊材生產商也大都是參照國外的標準進行。