CN101972878B

CN101972878B - 一种双相不锈钢的焊接工艺

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Publication number: CN101972878B
Application number: CN2010105065517A
Authority: CN
Inventors: 孙逊
Original assignee: China National Chemical Engineering No7 Construction Co Ltd
Current assignee: China National Chemical Engineering No7 Construction Co Ltd
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: CN101972878A

Abstract

本发明涉及双相不锈钢的焊接工艺，尤其是用于含硫量高的炼油设备、腐蚀性强的石油化工设备、管道以及高参数的动力装置以及海水等氯离子腐蚀的环境中的双相不锈钢的焊接工艺。该工艺有利于双相不锈钢焊接的特定保护气体，同时对焊接工艺中所限定的线能量和层间温度进行了调整，从而使得能克服如前所述的现有焊接工艺的不利缺陷，得到铁素体相与奥氏体相比例相当的金相组织(铁素体含量30-70％)，用该焊接工艺获得的焊接接头具有优良的力学性能，强度和硬度高，特别是其屈服强度约为奥氏体不锈钢的两倍；良好的抗热疲劳性能、耐点腐蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀性能，以及良好的焊接性。

Description

一种双相不锈钢的焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种双相不锈钢的焊接工艺，尤其是用于含硫量高的炼油设备、腐蚀性强的石油化工设备、管道以及高参数的动力装置以及海水等氯离子腐蚀的环境中的双相不锈钢的焊接工艺。

背景技术

双相不锈钢是近几年发展比较快的一种新型不锈钢材料。它有多种型号，单是列入了ASME规范(American Society of Mechanical Engineers的钢种就有25种，其分类号为P10H。由于双相不锈钢的显微组织是奥氏体+铁素体结构，因此具有良好的抗腐蚀能力。双相不锈钢具有比316L奥氏体不锈钢(如下简称316L)更好的抗应力腐蚀裂纹的能力，特别在H₂S介质中是如此，它是目前国内外含Ni元素最低的、抗应力腐蚀良好且具有优良焊接特性的新型材料。不仅如此，它还具有良好的耐点腐蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀性能。由于显微组织中有大量的铁素体相，双相不锈钢的强度和硬度很高。强度高，特别是其屈服强度约为奥氏体不锈钢的两倍(SAFUREX：SA790UNS S32906材料的屈服强度就远远高于两倍)，使之在相同的工作条件下，用双相不锈钢代替奥氏体不锈钢，可大大减少设备的结构尺寸和管道的壁厚，降低设备制造成本。硬度高，使之宜应用于含有磨损固体质点的工艺系统和高流速的蒸汽系统。双相不锈钢有较低的热膨胀系数，加上良好的导热性，使之具有良好的抗热疲劳性能，有利于设备衬里和复合板的生产。此外，双相不锈钢还具有良好的热加工性能和冷加工硬化效应。

以上所列双相不锈钢的特性，展示了它广阔的应用前景。在国内外已逐步地被应用于含硫量高的炼油设备、腐蚀性强的化工设备、管道以及高参数的动力装置以及海水等氯离子腐蚀的环境。从发展的观点来看它将在它将在石油化工、近海工程、船舶建造、输油输气管线、造纸机械等领域逐步取代316L，使用越来越广泛。

目前国内外双相不锈钢的焊接都是在原有的奥氏体不锈钢的基础上演变过来的，对双相不锈钢的焊接，要求线能量不能大于15KJ/cm，层间温度不超过150℃，保护气体一般采用99.99％氩气，以及后来的98-99％氩气+1-2％氮气，这些都是在焊接奥氏体不锈钢所取得的经验的基础上提出来的并沿用到现在。但该沿用奥氏体不锈钢的焊接工艺具有多种不足。

1、目前采用的氩气或98-99％氩气+1-2％氮气作为背面保护气体，但由于在焊接过程中，合金元素N会有一定的损失，这样就抑制了铁素体组织向奥氏体组织的转变。焊缝金属中的铁素体组织含量容易出现超标现象。而本申请人经长时间的大量研究发现：在采用98％Ar+2％N₂作为正面保护气体，100％氮气或90％氮气+10％氢气作为背面保护气体时，可以使铁素体组织能更好的向奥氏体组织转变，保证获得合理的相比例，用纯氮做背面保护气体，能有效地抑制了铬的氮化物的生成，提高抗点蚀能力；采用90％氮气+10％氢气做为背面保护气体时，由于氮气中加入约10％的氢气，氢作为脱氧剂，可使底层焊道的内表面完全避免氧化膜，进一步改善抗点蚀能力。同时，氢的加入可提高焊接熔池的流动性，有利于获得良好成形的底层焊道。

2、现有的焊接工艺限定线能量的范围是5-20KJ/cm，由于严格限制了范围，因而造成焊接程序复杂，焊接时间较长，焊接速度慢；而申请人发现在焊接过程中，采用10-40KJ/cm的线能量，对提高焊接接头的冲击值、抗点蚀能力有利，而对而对σs、σb和抗Scc能力无明显有害的影响。

3、现有的焊接工艺中严格限制了层间温度，且不大于150℃，使焊接工作受到了很大限制。其实在双相不锈钢中，由于铁素体与奥氏体的比例合适，因此形成σ相的倾向很小。要使这种脆化能被检测出来也需要在475℃停留好几个小时。因此，过度的层间温度控制没有意义。

而本申请欲克服这些缺陷，提供效果更好的双相不锈钢焊接工艺。

发明内容

本发明的目的是针对双相不锈钢和双相不锈钢之间，以及双相不锈钢与碳钢或316L之间的焊接特点，提供一套新的焊接工艺，所述双相不锈钢指国际上采用的双相不锈钢，例如型号为Cr18型、Cr23型(不含Mo)、Cr22型、Cr25型的双相不锈钢。本发明的工艺具有节约氩气、提高焊接质量、减少工时等多个优点。

特别地，本发明的焊接工艺采用了有利于双相不锈钢焊接的特定保护气体，同时对焊接工艺中所限定的线能量和层间温度进行了调整，从而使得能克服如前所述的现有焊接工艺的不利缺陷，达到更优良的焊接效果

本发明的双相不锈钢的焊接工艺的技术方案如下：

一种双相不锈钢的焊接工艺，其特征在于：该焊接工艺包括如下步骤：

(1)对焊接材料进行V形对接焊缝，焊接位置为全位置；

(2)打底焊与第二层焊道焊接：采用钨极氩弧焊，电源极性为直流正接，采用100％氮气或氮气与氢气的混合气体作为背面保护气体，所述混合气体为按体积计90％氮气和10％氢气的混合气体，流量为6-10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气体作为保护气体，流量为8-15L/min；在该步骤中控制线能量为10-30KJ/cm，同时随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至打底焊与第二层焊道焊完；

(3)填充盖面焊接：采用手工电弧焊，电源极性为直流反接，填充盖面焊接，线能量控制在20-40KJ/cm，同时随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至填充盖面完成，层间清理采用不锈钢砂轮片打磨；

(4)后处理：焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

上述焊接工艺可以应用于双相不锈钢与双相不锈钢的焊接、双相不锈钢与碳钢的焊接以及双相不锈钢与316L的焊接。

在步骤(1)的V形对接焊缝步骤中，当壁厚T≤19mm时为单V坡口；T＞19mm时为复合V型坡口。坡口角度α：35±2.5°、β10°；间隙b：为2-4mm；钝边p：0.8-2.5mm；在双相不锈钢与双相不锈钢、碳钢、316L的焊接工艺中，进行组对；

在步骤(2)中，采用钨极氩弧焊机，优选采用WS-400IGBT；焊丝为瑞典SAFUREXφ2.4、AWS：ER2209、ER316Lφ2.4、瑞典φ2.4Sandvik25、22、2L Mn焊丝，在实际操作过程中根据焊接材料的不同进行选择；当壁厚≤3mm，线能量为10-20KJ/cm；壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm；

在步骤(3)中，焊机为ZX7-400IGBT，焊条为瑞典SAFUREXφ3.2、AWS：E2209、E309Lφ3.2(堆焊焊条)、E316Lφ3.2、瑞典φ3.2Sandvik25、22、2L Mn焊条，在实际操作过程中根据焊接材料的不同进行选择；当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm；当壁厚＞12mm，线能量为30-40KJ/cm。

效果方面：焊接完成后，进行X射线检查和液体渗透检查，并用铁素体测定仪测定铁素含量，铁素体含量控制在30-70％。

双相不锈钢是发展比较快的一种新型不锈钢材料，在国外，特别在西欧与日本应用较广。在国内，双相不锈钢的焊接也不乏实例。但都是按照传统的工艺进行焊接，工艺复杂，焊接严格，程序多，必须严格控制层间温度，线能量的大小，因而焊接速度慢。而我公司总结出的新工艺，具有节约氩气、提高焊接质量、减少工时，提高速度等特点。由于加快了双相不锈钢焊接的速度，提高了焊接质量，从而加快了化工建设的速度。

采用该技术，可以得到奥氏体(γ)与铁素体(α)的比例大体相当的双相不锈钢(铁素体含量控制在30-70％)，接头具有良好的抗应力腐蚀裂纹能力、耐点腐蚀、缝隙腐蚀及腐蚀疲劳性能，强度和硬度很高，从发展的观点来看它将在它将在石油化工、近海工程、船舶建造等领域逐步取代316L。

如下详细描述在双相不锈钢与双相不锈钢的焊接、双相不锈钢与碳钢的焊接以及双相不锈钢与316L的焊接工艺中的具体步骤：

一、双相不锈钢与双相不锈钢的焊接

1、采用V形对接焊缝，当壁厚T≤19mm时为单V坡口。T＞19mm时为复合V型坡口。坡口角度α：35±2.5°、β10°；间隙b：为2-4mm；钝边p：0.8-2.5mm，进行组对，焊接位置为全位置。

2、当管径≤57且壁厚≤3时，宜使用全氩弧焊(GTAW)代替氩弧焊打底手工电弧焊填充盖面。双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。

3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电源极性为直流正接，用100％氮气或90％氮气+10％氢气(体积百分比)做为背面保护气体，流量为6-10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/min。焊丝为瑞典SAFUREXφ2.4或AWS：ER2209，当壁厚≤3mm，线能量为10-20KJ/cm；壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至打底焊与第二层焊道焊完。

4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源极性为直流反接，焊条为瑞典SAFUREXφ3.2或AWS：E2209，持证焊工进行填充、盖面焊接，当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm；当壁厚＞12mm，线能量为30-40KJ/cm，在焊接过程中随时测量层间温度，保持层间温度≤250℃，直至焊接完成。层间清理采用专用的不锈钢砂轮片打磨。

5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

6、以上工作完成后，进行X射线检查和液体渗透检查，并用铁素体测定仪测定铁素含量，铁素体含量控制在30-70％。

二、双相不锈钢与碳钢的焊接

有两种方式：一种是在正式焊接之前首先在碳钢一侧用过渡焊条E309L堆焊一过渡层，然后打磨光滑并与另一侧的双相不锈钢采用上述坡口形式组对，进行焊接。采用瑞典焊丝SAFUREXφ2.4或AWS：ER2209施焊，具体如下：

1、采用V形对接焊缝，当壁厚T≤19mm时为单V坡口。T＞19mm时为复合V型坡口。坡口角度α：35±2.5°、β10°；间隙b：为2-4mm；钝边p：0.8-2.5mm。焊接位置为全位置。

3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电源极性为直流正接，用100％氮气或90％氮气+10％氢气(体积百分比)做为背面保护气体，流量为6-10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/min。焊丝为瑞典SAFUREXφ2.4或AWS：ER2209，当壁厚≤3mm，线能量为10-20KJ/cm；壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃直至打底焊与第二层焊道焊完。

5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

第二种方式是直接用25-22-2型焊接材料施焊。具体如下：

3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电源极性为直流正接，用100％氮气或90％氮气+10％氢气(体积百分比)做为背面保护气体，流量为6-10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/min。焊丝为瑞典φ2.4Sandvik25、22、2L Mn焊丝，当壁厚≤3mm，线能量为10-20KJ/cm；壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至打底焊与第二层焊道焊完。

4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源极性为直流反接，焊条为瑞典SAFUREXφ3.2Sandvik25、22、2L Mn焊条，持证焊工进行填充、盖面焊接，当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm；当壁厚＞12mm，线能量为30-40KJ/cm，在焊接过程中随时测量层间温度，保持层间温度≤250℃，直至焊接完成。层间清理采用专用的不锈钢砂轮片打磨。

5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

三、双相不锈钢与316L的焊接

2、双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。

3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电源极性为直流正接，用100％氮气或90％氮气+10％氢气(体积百分比)做为背面保护气体，流量为6-10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/min。焊丝为瑞典φ2.4，ER316L或Sandvik25、22、2L Mn焊丝，当壁厚≤3mm，线能量为10-20KJ/cm；壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至打底焊与第二层焊道焊完。

4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源极性为直流反接，焊条为瑞典φ3.2，E316L或Sandvik25、22、2L Mn焊条，持证焊工进行填充、盖面焊接，当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm；当壁厚＞12mm，线能量为30-40KJ/cm，在焊接过程中随时测量层间温度，保持层间温度≤250℃，直至焊接完成。层间清理采用专用的不锈钢砂轮片打磨。

5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

附图说明

附图1焊接坡口示意图

T为试件厚度；

α为坡口角度

β为坡口角度

b为间隙

p为钝边

具体实施方式

以下列举双相不锈钢之间、双相不锈钢与碳钢之间以及双相不锈钢与316L之间的焊接工艺，其中双相不锈钢采用瑞典Sandvik公司提供的φ219×12.7mm的SAFUREX双相不锈钢管道。

实例一、双相不锈钢SAFUREX与双相不锈钢SAFUREX的焊接

1、采用单V形对接焊缝。坡口角度α：35±2.5°；间隙b：为2-4mm；钝边p：0.8-2.5mm，进行组对，焊接位置为6G(45°固定焊)。

2、双相不锈钢焊接不预热和焊后热处理。

3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电源极性为直流正接，用100％氮气或90％氮气+10％氢气做为背面保护气体，流量为6-10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/min。焊丝为瑞典SAFUREXφ2.4或AWS：ER2209，当壁厚≤3mm，线能量为10-20KJ/cm；壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至打底焊与第二层焊道焊完。

4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源极性为直流反接，焊条为瑞典SAFUREXφ3.2或AWS：E2209，持证焊工进行填充、盖面焊接，壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm；当壁厚＞12mm，线能量为30-40KJ/cm，在焊接过程中随时测量层间温度，保持层间温度≤250℃，直至焊接完成。层间清理采用专用的不锈钢砂轮片打磨。

5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

6、以上工作完成后，100％着色检验，100％的射线透视，无缺陷。可以得到奥氏体(γ)与铁素体(α)的比例大体相当的双相不锈钢(铁素体含量控制在30-70％)，接头具有良好的抗应力腐蚀裂纹能力、耐点腐蚀、缝隙腐蚀及腐蚀疲劳性能，强度和硬度很高，相关试验结果如下：

1)、铁素体测定：对试件进行铁素体检查，其结果符合要求。详见下表1。

表1铁素体测定值

焊接工艺	规定铁素体含量	实测铁素体含量
			GTAW	30-70％	40-56％
SMAW	30-70％	39-55％

2)、焊接接头理化性能试验：

①、根据ASME标准对该焊接接头进行理学性能测试，焊接接头硬度测试结果见表

表2焊接接头硬度测试结果(HV₁₀)

母材组合

位置

母材

热影

熔敷

热影

母材

堆焊

②、焊接接头铁素体含量、焊缝硬度与线能量之间的变化如下表3

表3接头铁素体含量与硬度随线能量变化情况表

③、焊接接头理化等试验结果见表4

表4试验结果

实例二、双相不锈钢与碳钢的焊接

有两种方式：一种是在正式焊接之前首先在碳钢一侧用过渡焊条E309L堆焊一过渡层，然后打磨光滑并与另一侧的双相不锈钢组对，进行焊接。具体如下：

1、采用单V形对接焊缝。坡口角度α：35±2.5°；间隙b：为2-4mm；钝边p：0.8-2.5mm。焊接位置为焊接位置为6G(45°固定焊)。

2、双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。

5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

第二种是直接用25-22-2型焊接材料施焊。具体如下：

2、双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。

3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电源极性为直流正接，用100％氮气或90％氮气+10％氢气(体积百分比)做为背面保护气体，流量为6-10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/min。瑞典焊丝φ2.4，Sandvik25、22、2L Mn，当壁厚≤3mm，线能量为10-20KJ/cm；壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃直至打底焊与第二层焊道焊完。

4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源极性为直流反接，焊条为瑞典φ3.2，Sandvik25、22、2L Mn，持证焊工进行填充、盖面焊接，当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm；当壁厚＞12mm，线能量为30-40KJ/cm，在焊接过程中随时测量层间温度，保持层间温度≤250℃，直至焊接完成。层间清理采用专用的不锈钢砂轮片打磨。

5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

8、对根层焊道和最终焊缝做100％着色检验，100％的射线透视，硬度检验，铁素体测定、晶间腐蚀试验，抗点蚀试验等。

9、铁素体测定：对试件进行铁素体检查，其结果符合要求。详见下表5。

表5铁素体测定值

焊接工艺	规定铁素体含量	实测铁素体含量
			GTAW	30-70％	42-55％
SMAW	30-70％	38-62％

10、焊接接头理化性能试验：

①、根据ASME标准对该焊接接头进行理学性能测试，焊接接头硬度测试结果见表6

表6焊接接头硬度测试结果(HV₁₀)

②、焊接接头铁素体含量、焊缝硬度与线能量之间的变化如下表7

表7接头铁素体含量与硬度随线能量变化情况表

③、焊接接头理化等试验结果见表8

表8试验结果

实例三、双相不锈钢与316L的焊接

1、采用单V形对接焊缝。坡口角度α：35±2.5°；间隙b：为2-4mm；钝边p：0.8-2.5mm，进行组对，焊接位置为焊接位置为6G(45°固定焊)。

2、双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。

5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

9、铁素体测定：对试件进行铁素体检查，其结果符合要求。详见下表9。

表9铁素体测定值

焊接工艺	规定铁素体含量	实测铁素体含量
			GTAW	30-70％	36-58％
SMAW	30-70％	35-60％

10、焊接接头理化性能试验：

表10焊接接头硬度测试结果(HV₁₀)

②、焊接接头铁素体含量、焊缝硬度与线能量之间的变化如下表11

表11接头铁素体含量与硬度随线能量变化情况表

③、焊接接头理化等试验结果见表12

表12试验结果

本发明的双相不锈钢的焊接工艺已经通过具体的实施例进行了描述。本领域技术人员可以借鉴本发明的内容适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本发明的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本发明的范围之内。

Claims

1.一种双相不锈钢的焊接工艺，其特征在于：

(1)对焊接材料进行V形对接焊缝，焊接位置为全位置；

(2)打底焊与第二层焊道焊接：采用钨极氩弧焊，电源极性为直流正接，采用100％氮气作为背面保护气体，流量为6-10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气体作为保护气体，流量为8-15L/min；在该步骤中控制线能量为10-30KJ/cm，同时随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至打底焊与第二层焊道焊完；

(3)填充盖面焊接：采用手工电弧焊，电源极性为直流反接，盖面焊接；焊接材料的壁厚＞12mm，线能量控制在30-40KJ/cm；同时随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至填充盖面完成，层间清理采用不锈钢砂轮片打磨；

(4)后处理：焊接完成后，进行酸洗钝化处理。

2.根据权利要求1的焊接工艺，在步骤(1)中，焊接材料的壁厚T≤19mm，其为单V坡口。

3.根据权利要求1的焊接工艺，在步骤(1)中，焊接材料的壁厚T＞19mm时，其为复合V型坡口。

4.根据权利要求1-3任一所述的焊接工艺，该工艺应用于双相不锈钢与双相不锈钢的焊接、双相不锈钢与碳钢的焊接以及双相不锈钢与316L的焊接。