近年來(lái)，雙相不銹鋼由于其優(yōu)良的力學(xué)性能及耐蝕性能，可長(cháng)期在苛刻環(huán)境和惡劣工況條件下服役，因此日益受到用戶(hù)的青睞。如正在建設中的港珠澳跨海大橋工程中大量使用了SAF2205、2304、2102型雙相不銹鋼筋；西氣東輸工程項目中采用了2205雙相不銹鋼無(wú)縫管及等離子直縫焊管作為輸氣管道。為了保證焊接接頭的性能，為用戶(hù)提供焊接工藝技術(shù)支持，技術(shù)人員對雙相不銹鋼筋及鋼管進(jìn)行了焊接工藝試驗及接頭性能的評測。本文就雙相不銹鋼管線(xiàn)材的焊接工藝要點(diǎn)及焊接接頭的金相組織及力學(xué)性能特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

一、雙相不銹鋼管線(xiàn)材及其焊接性特點(diǎn)

 雙相不銹鋼（奧氏體+鐵素體組織，較少相含量≥30%）集優(yōu)良的耐蝕性、高強度和易于加工制造諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，其物理性能（導熱性、熱脹系數等）介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間。雙相鋼的耐氯化物點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕能力與其鉻、鉬和氮元素含量有關(guān)，明顯高于奧氏體不銹鋼，強度也大大高于奧氏體不銹鋼，同時(shí)具有良好的塑性和韌性。在一含些氯化物、硫化物、醋酸、甲酸等介質(zhì)的石化裝置中，一般奧氏體不銹鋼難以防止應力腐蝕（SCC）、點(diǎn)蝕和洞穴式局部腐蝕，雙相不銹鋼是具有理想的綜合性能的材料。目前太鋼不銹生產(chǎn)的雙相不銹鋼牌號由低到高包括2003、2102、2304、2205、2507等類(lèi)型，分別適用于不同腐蝕環(huán)境中。雙相不銹鋼焊接材料有ER2209（適用于22%Cr雙相不銹鋼等）、ER2553（適用于25%Cr超級雙相不銹鋼等）型實(shí)芯焊絲和E2209、E2553型手工藥皮焊條等。

 雙相不銹鋼具有良好的焊接性。與奧氏體不銹鋼相比，有較低的熱裂傾向；與鐵素體不銹鋼相比，加熱脆化傾向較低，不會(huì )發(fā)生鐵素體不銹鋼焊接時(shí)熱影響區由于晶粒嚴重粗化而塑韌性大幅度降低的情況?？刹捎脦缀跛械暮附臃椒ㄟM(jìn)行焊接加工，一般焊接前不需要預熱，焊后不需要熱處理。

 然而，雙相不銹鋼的焊接對于雙相不銹鋼而言也是非常關(guān)鍵的一項技術(shù)，只有掌握雙相不銹鋼的焊接性特點(diǎn)，制定合理的焊接工藝，獲得優(yōu)良的焊接接頭，才能充分發(fā)揮雙相不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，從而使雙相不銹鋼能成功應用于各種嚴酷環(huán)境下，避免焊接接頭先于母材發(fā)生失效。太鋼在前期生產(chǎn)制造雙相不銹鋼板材基礎上，已成功開(kāi)發(fā)了雙相不銹鋼無(wú)縫鋼管和建筑用鋼筋，以及采用“UO成形法”和等離子+氬弧焊接工藝制造直縫焊管。焊接加工在產(chǎn)品應用中是一項重要的技術(shù)，相對于板材、管材及線(xiàn)材具有自身的焊接工藝特點(diǎn)。

 不同牌號的雙相不銹鋼具有相近的焊接性和焊接工藝特點(diǎn)，以2205型雙相不銹鋼為例，母材中鐵素體的奧氏體的含量在35%~65%之間，為了保證焊縫金屬具有合適的奧氏體相，須選用配套的焊接材料為ER2209型實(shí)芯焊絲或牌號為E2209的手工藥皮焊條及合理的焊接工藝。圖1所示是68%Fe處的Fe-Cr-Ni三元截面相圖，從圖中可以看出，隨著(zhù)溫度的降低，該合金先以鐵素體（a）凝固，當溫度處于約1350-1220℃之間時(shí)，從液相中析出奧氏體，為三相共存區。溫度繼續下降到1220℃以下時(shí)，液相消失，為鐵素體和奧氏體兩相共存區，在鎳和氮等奧氏體化元素作用下，部分鐵素體會(huì )轉變?yōu)閵W氏體（y），在更低的溫度下，處于平衡狀態(tài)的鐵素體和奧氏體相比例幾乎不再發(fā)生變化。為了使雙相鋼具有理想的相平衡，主要是通過(guò)調整鉻、鉬、鎳和氮的含量，其次是控制不銹鋼的熱循環(huán)過(guò)程。冷卻速度和高溫停留時(shí)間決定了可轉變?yōu)閵W氏體的液相和鐵素體相的數量，因此焊接高溫后的冷卻速度將影響相平衡，快冷會(huì )使更多的鐵素體保留到室溫。如果使用低熱輸入來(lái)進(jìn)行焊接的話(huà)，由于冷卻速度快，高溫停留時(shí)間短，會(huì )導致焊縫及HAZ有過(guò)量的鐵素體，影響接頭的韌性及耐蝕性。

 圖是雙相不銹鋼的等溫析出動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)，從圖中可以看出，如果冷卻速度控制不合適的話(huà)，會(huì )在不銹鋼中析出碳化物、氮化物、o相、x相a’相等有害相，它們使不銹鋼硬化和脆化，但是由于雙相不銹鋼中含有50%以上的奧氏體，弱化了這些相帶來(lái)的危害，在焊接時(shí)，如果線(xiàn)能量和冷卻速度沒(méi)有控制好，可能會(huì )在焊縫及HAZ中產(chǎn)生少量的這些有害相，但是總體而言，雙相組織的優(yōu)良性能使這些危害降到了很低的程度，且由于焊接過(guò)程加熱時(shí)間短，熱量集中，冷卻速度也較快，一般不會(huì )產(chǎn)生這些有害相，或者這些有害相含量非常少，因此在焊接過(guò)程中不需要過(guò)多地考慮這些相帶來(lái)的有害影響。焊接熱輸入的范圍可以在0.5～2.5kJ/mm之間，只要保證焊縫及HAZ的相比例處于一個(gè)合理有范圍即可，即鐵素體的含量在35%~65%之間，焊接接頭就具有良好的綜合性能。

 由于雙相不銹鋼管材及線(xiàn)材的應用領(lǐng)域的特點(diǎn)，一般在施工現場(chǎng)進(jìn)行焊接，較多采用鎢極氬弧焊和手工電弧焊方法。雙相不銹鋼筋對接時(shí)普遍采用螺紋套筒進(jìn)行機械連接，搭接時(shí)則可采用手工點(diǎn)焊的方法。雙相不銹鋼管對接時(shí)，需用車(chē)床加工30~35°的坡口，鈍邊厚度為1.5~2mm，裝配成60~70°的V型坡口，間隙為1.5~3mm，定位點(diǎn)焊后采用TIG焊完成打底焊道，對于壁厚t≤8mm；直徑D≤108mm的鋼管，填充焊道和蓋面焊接都可采用TIG焊完成，壁厚和直徑較大的鋼管可采用手工藥皮電弧焊完成填充和蓋面焊道。

二、雙相不銹鋼直縫焊管制造工藝

 西氣東輸工程中大量采用了2205雙相不銹鋼直縫焊管作為輸送管道，包括多種規格，壁厚和直徑都較大。焊管由2205雙相鋼板卷板并焊接而成，具體的制造工藝為板材下料→開(kāi)坡口（厚度≥6mm）→畫(huà)制成型道次線(xiàn)一預彎邊→“U”成型→“O”成型（坡口清理→點(diǎn)焊→加焊引弧、收弧板）→等離子弧打底、鎢極氬弧焊填充、蓋面→外觀(guān)檢測及修補→X射線(xiàn)無(wú)損探傷檢測。

 等離子焊接方法具有能量集中、穿透力強、效率高等特點(diǎn)，且容易實(shí)現自動(dòng)化焊接，焊接質(zhì)量好。因此，采用等離子焊接方法制造厚壁直縫焊管是一種理想的焊接工藝，填充材料為ER2209型雙相不銹鋼焊絲，主要化學(xué)成分為21.5%~23.5%Cr、8.5%~1.5%Ni、2.5%~3.5%Mo和0.08%~0.20%N及≤0.04%C。

 對于雙相不銹鋼直縫焊管，為了保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能，焊后熱處理是關(guān)鍵環(huán)節。雙相不銹鋼焊管在成型過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生很大的內部應力，在焊接過(guò)程中，焊接熱循環(huán)過(guò)程的加熱和冷卻速度都比較快，焊縫和HAZ的組織都處于非平衡態(tài)，很難保證奧氏體含量大于40%，因此塑韌性和耐蝕性能都低于母材。焊后進(jìn)行固溶處理可優(yōu)化焊接接頭的相比例，提高力學(xué)性能和耐蝕性能。具體的熱處理工藝為1020~1100℃保溫1~2h后水冷，使更多的奧氏體相保留至室溫。

 雙相不銹鋼耐熱性較差，高溫時(shí)強度下降幅度大，因此在熱處理保溫過(guò)程中，鋼管極易發(fā)生變形，圓度和直線(xiàn)度都大幅降低，因此，熱處理后需要進(jìn)行整圓及校直以保證鋼管的圓度和直線(xiàn)度。圖3及圖4分別是325×14mm規格的焊管經(jīng)熱處理后焊縫及HAZ的金相組織，經(jīng)檢測焊縫的鐵素體含量為35%~45%之間，HAZ的鐵素體含量為50%~55%之間，相比例滿(mǎn)足使用要求。以焊縫為中心取樣進(jìn)行點(diǎn)蝕及晶間腐蝕試驗，結果都合格。

 在焊接接頭取樣進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，包括拉伸和彎曲試驗、-40℃沖擊試驗和硬度檢測等，結果表明，拉伸試樣斷裂位置均位于母材，屈服強度為500~600MPa之間，斷裂強度為750~800MPa之間，斷后伸長(cháng)率為35%~45%，沖擊吸收功平均值為170J左右，硬度值<HV300，d=10彎曲試驗無(wú)裂紋產(chǎn)生，力學(xué)性能檢測結果均合格，滿(mǎn)足使用要求。

 三、雙相不銹鋼筋焊接工藝

 雙相不銹鋼筋作為耐海水腐蝕性極強的建筑材料，在港珠澳大橋的建設中發(fā)揮了重要作用。使用的雙相不銹鋼筋涉及多種牌號及規格，包括2205、2304和2102等牌號，規格從16~40mm。下面以p16mm的2304雙相不銹鋼筋為例來(lái)介紹點(diǎn)焊工藝和焊點(diǎn)的組織及力學(xué)性能特點(diǎn)。

 接頭形式采用搭接接頭，焊接方法為手工電弧焊，3.2mmE2209型焊條。在鋼筋兩側進(jìn)行點(diǎn)焊，焊點(diǎn)的面積不小于1cm2，電流為110~120A，電弧電壓為29-31V（空載電壓約為60V），極性為直流反接（即工件接負），去渣后用不銹鋼酸洗鈍化膏去除焊點(diǎn)及周邊表面的氧化色。

 圖5是2304雙相不銹鋼筋的室溫金相組織，圖6和圖7分別是焊點(diǎn)處的金相組織和HAZ的金相組織，焊點(diǎn)周邊的HAZ的晶粒在焊接熱循環(huán)過(guò)程中長(cháng)大，晶粒較為粗大。采用鐵素體含量測定儀測定了不同位置的鐵素體含量，結果表明，焊點(diǎn)處的鐵素體含量為50%~55%；焊點(diǎn)周邊HAZ為60%~65%；母材為50%~55%。檢測結果表明采用上述的焊接工藝和材料時(shí)，焊點(diǎn)處的相比例都在合格范圍內。對焊接試樣進(jìn)行拉伸破壞試驗，測得最大力，然后根據斷點(diǎn)處的截面的大小估算出抗剪強度約為600-650MPa，斷裂位置都位于焊點(diǎn)的中間，滿(mǎn)足建筑用鋼筋斷裂強度高于500MPa的要求。

四、雙相不銹鋼無(wú)縫管焊接工藝

 這里以60mm×4mm和325mm×14mm兩種不同規格的2205雙相不銹鋼無(wú)縫管全位置焊接對接接頭為例簡(jiǎn)要介紹焊接工藝及接頭性能特點(diǎn)。端部加工好坡口及鈍邊后，為了保證背部焊縫成形，裝配時(shí)須留出適當的間隙，然后用TIG焊接方法定位點(diǎn)焊。保護氣體為純度為99.99%的氬氣，管內通入氬氣作為內部保護氣體，以保證背部焊道不被氧化并具有良好的耐蝕性能。60×4mm鋼管具體的焊接工藝示于表1，焊接方法均采用TIG焊接；325×14mm無(wú)縫管對接的焊接工藝示于表2，其中打底焊道采用的焊接方法為T(mén)IG，填充和蓋面焊采用手工藥皮電弧焊。

 多層多道焊接時(shí)，層間溫度要控制在150℃以下，用角磨砂輪面對焊縫的焊趾部位進(jìn)行清理，以免在后道焊縫中形成夾渣。后一道焊縫對前一道焊縫進(jìn)行了二次焊接熱循環(huán)加熱，可在隨后的冷卻過(guò)程中促進(jìn)鐵素體向奧氏體的轉變，使焊縫和HAZ中的相比例達到一個(gè)比較滿(mǎn)意的范圍內，但是表層焊縫由于沒(méi)有受到二次加熱，鐵素體的含量相對較大。

 焊接完成后取樣進(jìn)行金相組織觀(guān)察及力學(xué)性能試驗，包括鐵素體含量測定、拉伸、沖擊、彎曲和硬度等試驗，以及耐蝕性能試驗。檢測結果全部滿(mǎn)足技術(shù)要求，表明采用上述焊接方法及材料進(jìn)行無(wú)縫鋼管的對接可獲得滿(mǎn)足使用要求的焊接接頭。

五、結論

 焊接加工作為雙相不銹鋼管材及線(xiàn)材的一種重要的熱加工工藝，很大程度上決定了該產(chǎn)品能否滿(mǎn)足使用要求。在了解雙相不銹鋼焊接性特點(diǎn)的基礎上，選擇適當的焊接方法，采用合適的焊接材料和合理的焊接工藝參數，雙相不銹鋼的管材及線(xiàn)材均可獲得相比例、力學(xué)性能及耐蝕性能合格的焊接接頭。

 雙相不銹鋼管材及線(xiàn)材在施工現場(chǎng)進(jìn)行焊接時(shí)，焊前不需預熱，焊后也不需要熱處理，制定合理的焊接工藝，控制層間溫度和焊接熱輸入，完全可獲得滿(mǎn)足技術(shù)規范的焊接接頭，因此國產(chǎn)雙相不銹鋼鋼筋及鋼管由于其優(yōu)良的綜合性能及使用成本，將逐漸在許多應用領(lǐng)域替代進(jìn)口材料。