双相不锈钢焊接技术探析

表6.5-31～表6.5-34所列为奥氏体-铁素体双相不锈钢牌号化学成分、物理性能及力学性能。

图6.5-29 Cr12马氏体不锈钢[w（C）=0.14%]的回火曲线

图6.5-30 回火温度对Cr12马氏体钢冲击韧性的影响

表6.5-30 用Cr13焊条焊接Cr13钢焊接热影响区的韧性

表6.5-31 奥氏体-铁素体双相不锈钢牌号及化学成分(GB/T 20878—2007)

注：表中所列成分除标明范围或最小值外，其余均为最大值。

表6.5-32 奥氏体-铁素体不锈钢的牌号和物理性能参数(GB/T 20878—2007)

表6.5-33 国外典型双相不锈钢的化学成分示例

注：PREN是Pitting Resistance Equivalent的缩写，指抗点蚀当量；N指含氮钢。

PREW是Pitting Resistance Equivalent的缩写，指抗点蚀当量；W指含钨钢。

表6.5-34 奥氏体-铁素体双相不锈钢的力学性能示例

①在GB/T 20878—2007中没有相对应新牌号。

图6.5-31为标出双相不锈钢成分范围的WRC-1992焊缝组分图。表6.5-35～表6.5-37、图6.5-32所示为焊缝热裂纹敏感性和Cr_eq/Ni_eq的关系。图6.5-33所示为GTAW时（Ar+H₂）铁素体含量对双相钢冷裂敏感性的影响。

图6.5-31 标出双相不锈钢成分范围的WRC-1992焊缝组分图

表6.5-35 022Cr19Ni5Mo3Si2N双相钢刚性堆焊抗裂性试验的结果

表6.5-36 两种双相不锈钢薄板十字搭接热裂纹敏感性试验结果

注：1.GTAW焊接参数为：焊接电流120A，电压12V，焊接速度7.5～8.5m/h，氩气流量7L/min；

2.合格裂纹率为5%。

①在GB/T 20878—2007中没有对应新牌号。

图6.5-32 焊缝热裂纹敏感性和Cr_eq/Ni_eq的关系

图6.5-33 GTAW时（Ar+H₂）铁素体含量对双相钢冷裂敏感性的影响

表6.5-37 022Cr19Ni5Mo3Si2N双相钢的“小铁研”斜Y坡口冷裂纹试验结果

要获得奥氏体与铁素体的双相组织，合金元素需满足如下关系：

w（Si）>0.15w（Cr）-1.7% （6.5-1）

23%>w（Cr）+3w（Si）+w（Mo）+w（Nb）+2w（Ta）-w（Ni）-0.5w（Mn）-20w（C）-10w（N）>8% （6.5-2）

图6.5-34～图6.5-39、表6.5-38～表6.5-40所示分别为双相不锈钢中的合金元素在α相和γ相中的分配、含60%Fe的Fe-Cr-Ni伪二元相图、等温转变图、析出相、焊接热影响区中δ相含量与焊接条件的关系。

图6.5-34 双相不锈钢中的合金元素在α相和γ相中的分配系数

注：1.试样经1040～1090℃固溶水淬。

2.[X]_α和[X]_γ分别为某合金元素在α相和γ相中的含量。

图6.5-35 60%Fe的Fe-Cr-Ni伪二元相图的浓度截面（C₀为合金的名义成分）

例如合金以F凝固模式结晶，凝固刚结束为单相δ组织。随着温度下降发生δ→γ转变，由于晶粒边界及亚晶界富集有稳定奥氏体的元素（Ni、Mn、Cu、N、C），γ相优先形成于这些部位。由于焊接过程是不平衡冷却过程，冷却中δ→γ转变不完全，室温时会保留相当数量的δ相，成为γ+δ两相组织。与平衡冷却过程相比，同样成分的焊缝和母材，焊缝中室温γ相的数量比母材少得多。

图6.5.36 24-52MoCu双相钢焊接接头中γ相数量与峰值加热温度的关系

注：母材23.67Cr-4.99Ni-1.47Mo-1Cu-N；焊丝24.26Cr-7.97Ni-1.75Mo-1.22Cu-N。

图6.5-37 焊接热影响区中δ相含量与焊接条件的关系

表6.5-38 022Cr19Ni5Mo3Si2N双相钢固溶处理后合金元素在α相和γ相中的分配

可利用线性关系来判定双相不锈钢焊缝金属和热影响区的组织特性。母材成分或Cr_eq、Ni_eq对热影响区能否形成“健全”的δ+γ两相组织有重要影响。所谓“健全”组织是指不存在γ-γ或δ-δ相界。可用当量指数B来衡量：

B=Cr_eq-Ni_eq-11.6% （6.5-3）

式中 Cr_eq=w（Cr）+w（Mo）+1.5w（Si）；

Ni_eq=w（Ni）+0.5w（Mn）+30w（N+C）。

表6.5-39 03Cr25Ni6Mo3CuN双相钢固溶处理后合金元素在α相和γ相中的分配(www.xing528.com)

表6.5-40 双相不锈钢中的析出相示例

注：铁素体（立方晶系）：a=0.286～0.288μm；奥氏体（立方晶系）：a=0.358～0.362μm。

图6.5-40所示为三类超级不锈钢的力学性能比较。图6.5-41～图6.5-43所示为双相不锈钢及焊缝金属的冲击韧性。表6.5-41所列为含氮双相不锈钢焊缝的δ铁素体含量、化学成分和力学性能。

图6.5-38 双相不锈钢中形成的析出物

图6.5-39 两种奥氏体-铁素体双相钢的等温转变图

注：钢1加热速度1050℃/30min，合金成分（质量分数，%）：C=0.028，Si=0.45，Mn=1.63，Cr=21.80，Mo=3.12，Ni=5.00，N=0.013；

钢2加热速度1150℃/60min，合金成分（质量分数，%）：C=0.028，Si=0.50，Mn=0.70，Cr=20.90，Mo=2.30，Ni=7.40，N=0.073，Cu=1.40。

图6.5-40 三类超级不锈钢的力学性能比较

—超级铁素体不锈钢 —超级双相不锈钢 —超级奥氏体不锈钢

图6.5-41 双相不锈钢与奥氏体钢、铁素体钢冲击吸收能量的比较

■—UR52N（25%Cr），厚度20mm □—UR45N（22%Cr），厚度12mm ●—UR45N（22%Cr），厚度80mm

图6.5-42 焊接方法和填充金属对双相钢焊缝金属韧性的影响

图6.5-43 双相不锈钢焊缝金属冲击吸收能量与温度的关系

A—GTAW（纯氩） B—GTAW（Ar+2.5%CO₂） C—SAW（碱性焊剂）和SMAW D—SAW（酸性焊剂）和SMAW

注：22Cr-8Ni-3MoNL双相钢，铁素体的体积分数为30%～40%。

表6.5-41 含氮双相不锈钢焊缝的δ铁素体含量、化学成分和力学性能

表6.5-42所列为双相不锈钢常用的焊接材料。表6.5-43所列为双相不锈钢焊缝的化学成分和力学性能。表6.5-44为SAF2507钢的力学性能。图6.5-44所示为双相钢焊缝化学成分和冷却速度对δ→γ转变开始的影响。图6.5-45～图6.4-47所示为双相不锈钢连续冷却转变曲线。表6.5-45～表6.5-49所列为两种双相不锈钢的焊接材料、焊接参数及力学性能。

表6.5-42 双相不锈钢常用的焊接材料

①在GB/T 20878—2007中没有对应新牌号。

表6.5-43 含氮双相不锈钢焊缝的化学成分、δ铁素体含量和力学性能示例

注：SMAW热输入为9～11kJ/cm；GMAW热输入为20～22kJ/cm，Ar+CO₂2.5%，不预热，层间温度100～150℃。

表6.5-44 022Cr25Ni7Mo4N双相钢室温和高温的力学性能

图6.5-44 双相钢焊缝化学成分和冷却速度对δ→γ转变开始的影响

注：a、b冷却速度不同，a与b之间为正常速度；1、2、3为合金编号对应焊缝δ→γ转变开始曲线；图下部标出了冷却至室温时的铁素体大约的体积分数。

图6.5-45 022Cr25Ni7Mo4N钢KV为27J的时间-温度-相变曲线

图6.5-46 022Cr25Ni7Mo4N钢连续冷却转变曲线

图6.5-47 两种超级双相不锈钢的连续冷却转变曲线（加热温度1080℃）

1—Zeron100（德） 2—UR52N+（德）

注：斜线部分为焊接热影响区过热区的冷却曲线。

表6.5-45 022Cr25Ni7Mo4WCuN超级双相不锈钢的力学性能

表6.5-46 022Cr25Ni7Mo4WCuN钢（Zeron100）不同焊接方法的参数示例

表6.5-47 022Cr25Ni7Mo4CuN超级双相不锈钢（UR52N⁺）的力学性能

表6.5-48 022Cr25Ni7Mo4CuN超级双相不锈钢（UR52N⁺）所用焊接材料

表6.5-49 022Cr25Ni7Mo4CuN超级双相不锈钢（UR52N⁺）焊缝金属的组织和性能

注：T_cp—临界点蚀温度。