双相不锈钢管具有良好的焊接性,选用合适的焊接材料不会发生焊接热裂纹和冷裂纹;焊接接头力学性能令人满意;除了焊接接头具有良好的耐应力腐蚀能力外,其耐点腐蚀性能和耐缝隙腐蚀能力也均优于奥氏体型不锈钢焊接接头,抗晶间腐蚀能力与奥氏体型不锈钢管相当而稍有逊色。双相不锈钢在焊接热循环的作用下,焊接热影响区多次受热,使之成为单一铁素体组织,且晶粒粗大,直接影响焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能,对此,应从焊接工艺方面探讨采取改善措施。
一、焊缝的成分和组织
奥氏体与铁素体的相比例是决定双相不锈钢管性能的至关重要的因素。为了得到相组成比例较为理想的焊缝金属,通常采取增加焊缝金属中奥氏体化合金元素的办法。例如以氮对焊缝金属合金化,或将镍的质量分数提高到10%左右。这样就可能获得奥氏体体积分数不少于30%~40%的焊缝金属。
除了通过合金化达到一定相比例之外,还要考虑焊缝组织的晶粒大小和两相的分布情况。尽可能通过焊接工艺(例如小的热输入)来获取比较细小的一次结晶组织,细小均匀的两相混合组织,有利于提高焊缝的力学性能和抗腐蚀性能。焊缝金属受到随后焊道的热影响,其中的二次转变奥氏体含量有所上升。因此,有时可以利用“退火”来改善焊缝性能,例如在薄板焊缝的背面加“退火”来改善正面焊缝的性能。然后把“退火”焊缝打磨掉,但由于此做法费工费时,只有在特殊情况下才被采用。
二、焊接热影响区的组织转变和各区段金属的性能变化
1. 最高温度低于1000℃的区段
由于双相不锈钢管通常以1000℃左右回火、淬火或者以850℃左右终轧状态供货,故在经过通常的焊接热循环条件下,不会发生显著的组织变化。如果不是超低碳的钢种,在此温度下受热,可能会有碳化物Cr23C6析出于晶界上,特别是奥氏体、铁素体相界上。形成该碳化物的碳主要来自于奥氏体,而铬则主要由铁素体提供。这是双相钢的成分和晶体结构特点所决定的。若为超低碳钢种,则一般不会析出碳化物。一般不会由于析出Cr23C6而导致晶间腐蚀。双相不锈钢在此温度范围亦可能生成。相和出现475℃脆性。总体来讲焊接热影响区,在1000℃以下区段通常没有明显的性能变化,不会成为焊接性考虑的问题。
2. 最高温度在1350℃以上至固相线温度区段
此时双相不锈钢管的平衡组织差不多全是铁素体。然而由于焊接加热的快速性和短暂性,铁素体+奥氏体转变成铁素体的相变并不能完成。实际金属组织中尚存有相当数量的奥氏体,金属就开始了降温。待降温到某平衡温度以下,金属组织又会发生逆转变,即铁素体转为二次奥氏体。同样由于热循环的短暂性,再加之此时温度已降得较低,该逆转变二次奥氏体的数量也不会很多,因此该区中的铁素体份额占得较多而奥氏体份额较少。而且,此时的两相组织状态已大大不同于原先的排列:原先轧制状态下成条带状的同奥氏体混存的铁素体,向等轴状结晶发展、长大;而原来呈条带状的奥氏体趋于消失,冷却过程中从铁素体中转变出来的二次奥氏体则呈杂乱的竹叶状在铁素体晶间和晶内先后出现。所以说,这个区段的组织劣化不仅表现为相比例失调,一旦形成了粗大的等轴晶,就很难通过热处理或其他措施予以恢复。
同其他材料的焊接热影响区组织劣化相似,劣化的程度与焊接热规范密切相关。热输人量愈高,高温停留时间愈长,铁素体晶粒愈粗,原有奥氏体残留量愈少,二次转变的奥氏体愈粗大,愈呈集团性分布。由于粗大的铁素体晶粒本身,可以提供应力腐蚀裂纹较长的连续扩展单元,而且裂纹穿越晶界时,即使有少许的晶界奥氏体,其阻滞作用的效果也不佳。已有失效分析案例说明,甚至可能出现晶界上完全没有奥氏体的情况,此时应力腐蚀裂纹在钢材中的扩展性质同单向铁素体型不锈钢一样,沿着粗大的铁素体晶界迅速伸展,完全失去了双相不锈钢的优越性。因此,采用低的焊接热输入应当是焊接双相不锈钢的重要原则之一。
显然,热循环峰值温度最高的熔合线附近,是组织劣化最严重,也是性能劣化最严重的地区。随着劣化区宽度的扩大,焊接接头的性能也随之下降,所以尽量减少劣化区段宽度是提高焊接接头性能的关键。