CN114749772A

CN114749772A - 双相不锈钢的焊材及其焊接方法和应用

Info

Publication number: CN114749772A
Application number: CN202210566437.6A
Authority: CN
Inventors: 李晓炜; 冯勇; 唐元生; 陈崇刚; 樊志帅; 段永锋; 于凤昌; 李朝法
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Engineering Group Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Engineering Group Co Ltd
Priority date: 2022-05-23
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2022-07-15

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，公开了双相不锈钢的焊材，焊材的化学成分质量百分比计包括：C≤0.03％、Cr:18.0％～23.0％、Ni:63.0％～70.0％、Mo：8.0％～9.0％、Nb:3.0％～4.0％以及不可避免的杂质。双相不锈钢的焊接方法，包括采用如前述实施方式的双相不锈钢的焊材焊接双相不锈钢，焊接时，采用钨极惰性气体保护焊打底焊接，然后采用熔化极惰性气体保护焊进行填充焊。本申请提供的焊材以及焊接方法，焊接后得到接头具有较好的力学性能和耐腐蚀性。

Description

双相不锈钢的焊材及其焊接方法和应用

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及双相不锈钢的焊材及其焊接方法和应用。

背景技术

双相不锈钢是指铁素体与奥氏体各约占50％，兼有奥氏体和铁素体特点的一种节镍不锈钢。自上世纪40年代诞生于美国以来，双相不锈钢以其优良的力学和耐点蚀、晶间腐蚀和氯化物应力腐蚀开裂等性能，在石油化工、海洋船舶及军工等领域得到了广泛应用。随着双相不锈钢在石油化工行业的用量的逐年增大，双相不锈钢失效的问题也越来越多，经分析大多数失效案例为焊接接头区域的腐蚀穿孔或开裂等造成的。

在双相不锈钢研究初期，大多数采用奥氏体不锈钢焊接材料，如E309SiL、E316L，这种奥氏体组织焊缝基本能满足一些双相不锈钢的需要，但是由于焊材与母材在成分和组织上的差异导致焊缝金属在一些腐蚀环境中的耐蚀性能不足。随着技术的发展进步，国内外科研工作者已开发出各类双相不锈钢相对应的焊接材料，其特点是焊缝组织为奥氏体占优的双相组织，目前常用的双相不锈钢焊材包括E2209、E2594等，主要耐蚀元素(Cr、Mo等)含量与母材相当，从而保证与母材相当的耐蚀性能。然而，在工程实际应用过程中，经常出现由于双相不锈钢焊接接头部分的腐蚀失效问题，严重影响设备、管道的安稳运行和人身安全。为保证双相不锈钢焊接接头区域的各项性能，国内外科研人员做了大量的研究工作，然而研究内容大多集中在焊接工艺和接头组织性能等方面，涉及焊接材料选择的方面内容甚少，而焊接材料的品质和性能恰恰是双相不锈钢焊接接头性能的决定性因素。因此，选择正确合适的焊材，在此基础上配备合理的焊接工艺是控制和改善双相不锈钢焊接区域各项性能的必要手段。在焊前预热、焊接热输入、层间温度控制等方面均有严格的要求，如果控制不当，将导致双相不锈钢焊接接头的力学及耐蚀性能不能满足要求。焊接人员的操作也较高，工程实际应用中难度较大。过低的热输入可能导致母材熔合区和热影响区铁素体含量过高，韧性和耐蚀性能降低。过高的热输入增大了在金属间相析出温度区间的停留时间，金属间相的析出导致耐腐蚀性能降低。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供双相不锈钢的焊材及其焊接方法和应用。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种双相不锈钢的焊材，焊材的化学成分质量百分比计包括：C≤0.03％、Cr:18.0％～23.0％、Ni:63.0％～70.0％、Mo：8.0％～9.0％、Nb:3.0％～4.0％以及不可避免的杂质。

在可选的实施方式中，焊材为焊丝，焊丝直径为1.0～2.4mm。

第二方面，本发明提供一种双相不锈钢的焊接方法，包括采用如前述实施方式的双相不锈钢的焊材焊接双相不锈钢，焊接时，采用钨极惰性气体保护焊打底焊接，然后采用熔化极惰性气体保护焊进行填充焊。

在可选的实施方式中，采用钨极惰性气体保护焊进行打底焊接时焊接电压10～15V，电流120～150A；

优选地，焊接速度为4～12cm/min；

优选地，保护气为氩气或者氩气和氮气的混合气。

在可选的实施方式中，采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接时焊接电压18～26V，电流140～160A；

优选地，焊接速度为12～18cm/min；

优选地，保护气为氩气和氦气的混合气，其中氦气占比为18％～22％。

在可选的实施方式中，采用钨极惰性气体保护焊打底焊接以及采用熔化极惰性气体保护焊进行填充焊时，保护气的流速均为10～20L/min。

在可选的实施方式中，焊接方式为坡口焊接；

优选地，坡口角度为65°～75°；

优选地，坡口焊接为V形坡口焊接，钝边为0～2mm，组对间隙为1～4mm；

优选地，道间温度≤150℃。

在可选的实施方式中，焊接母材包括SAF2205或SAF2507。

第三方面，本发明提供一种工件，采用如前述实施方式任一项的焊接方法焊接得到。

第四方面，本发明提供如前述实施方式的工件在石油化工、海洋船舶或军工领域的应用。

本发明具有以下有益效果：

本申请提供的焊材，通过合理的元素设计提高其化学成分中镍含量，焊缝为奥氏体组织，增加焊缝组织的韧性，通过降低焊材中的碳含量，降低了焊缝区域的晶间腐蚀敏感性，钼含量控制为8％～9％，以提高焊缝金属的耐点蚀和缝隙腐蚀性能，提高镍含量，降低甚至避免氮元素的存在，以避免产生气孔；本申请针对现有技术焊材中总体较低的合金元素含量，提高了焊材中合金元素的总体含量，从而避免了焊缝金属对熔合区母材的稀释作用；控制其他杂质元素含量在较低范围内，避免这些元素对焊缝的强度产生影响。

本申请提供的方法，采用本申请提供的双相不锈钢的焊材进行焊接，并同时采用GTAW(钨极惰性气体保护焊)+GMAW(熔化极惰性气体保护焊)的复合焊接方法进行焊接，GTAW焊接热输入量较低，焊接过程中对焊缝及热影响区的各项性能影响较小，焊接接头质量稳定，但该方法效率较低，不适合于工业现场的实际应用，适合用于打底；而GMAW焊接热输入量适中，避免了焊接热影响区过热导致脆硬相的产生，采用二者组合的方式，在保证焊接接头质量的同时，提高焊接工作效率。但如果采用SMAW(手工电弧焊)焊接，该方法焊接热输入量较大，极易导致焊接接头两相比例失调和有害相的析出，导致焊接接头的冲击性能和耐腐蚀性能降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为焊接坡口示意图；

图2-11为实施例1-5以及对比例1-5的耐点蚀性能评价实验结果照片；

图12-21为实施例1-5以及对比例1-5的接头应力腐蚀性能评价实验结果照片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的双相不锈钢的焊材、焊接方法、工件及其应用进行具体描述。

本申请实施例提供的双相不锈钢的焊材，其化学成分质量百分比计包括：C≤0.03％、Cr:18.0％～23.0％、Ni:63.0％～70.0％、Mo：8.0％～9.0％、Nb:3.0％～4.0％以及不可避免的杂质，这些不可避免的杂质比如锰、硅、磷、硫、钴以及铁等；

双相不锈钢的焊材用于复合焊接法焊接双相不锈钢，复合焊接法为钨极惰性气体保护焊打底焊接，然后采用熔化极惰性气体保护焊进行填充焊。

本申请提供的双相不锈钢的焊材，通过合理的元素设计提高其化学成分中镍含量，焊缝为奥氏体组织，增加焊缝组织的韧性，通过降低焊材中的碳含量，降低了焊缝区域的晶间腐蚀敏感性，钼含量控制为8％～9％，以提高焊缝金属的耐点蚀和缝隙腐蚀性能，提高镍含量，降低甚至避免氮元素的存在，以避免产生气孔(通常，镍元素和氮元素均有扩大奥氏体相区的作用，即增加镍元素和氮元素的含量可以增加组织中的奥氏体含量或获得全奥氏体组织，但是，氮元素不能一味的增加，过多的氮元素存在可能导致焊接过程中焊缝组织中产生气孔等其他不良缺陷)；本申请针对现有技术焊材中总体较低的合金元素含量，提高了焊材中合金元素的总体含量，从而避免了焊缝金属对熔合区母材的稀释作用；控制其他杂质元素含量在较低范围内，避免这些元素对焊缝的强度产生影响。

优选地，该焊材为焊丝，焊丝直径为1.0～2.4mm。

本申请实施例提供的双相不锈钢的焊接方法，包括采用本申请实施例提供的双相不锈钢的焊材焊接双相不锈钢，焊接时，采用钨极惰性气体保护焊打底焊接，然后采用熔化极惰性气体保护焊进行填充焊。

本申请提供的双相不锈钢的焊接方法，采用本申请提供的双相不锈钢的焊材进行焊接，并同时采用GTAW(钨极惰性气体保护焊)+GMAW(熔化极惰性气体保护焊)的复合焊接方法进行焊接，GTAW焊接热输入量较低，焊接过程中对焊缝及热影响区的各项性能影响较小，焊接接头质量稳定，但该方法效率较低，不适合于工业现场的实际应用，适合用于打底；而GMAW焊接热输入量适中，避免了焊接热影响区过热导致脆硬相的产生，采用二者组合的方式，在保证焊接接头质量的同时，提高焊接工作效率。但如果采用SMAW(手工电弧焊)焊接，该方法焊接热输入量较大，极易导致焊接接头两相比例失调和有害相的析出，导致焊接接头的冲击性能和耐腐蚀性能降低。因此，本发明提供的这种焊材并结合GTAW+GMAW的焊接方法，可以实现双相不锈钢焊接接头优异的力学及耐腐蚀性能，助力双相不锈钢在我国石化领域的广泛应用，同时保证设备的长周期安全稳定运行。

焊接方法具体为：

S1、开设坡口

在焊接母材的待焊接处开设坡口，为保证焊缝的结合强度坡口角度为65°～75°(例如65°、70°或75°)。

优选地，坡口为V形坡口，钝边为0～2mm(例如0mm、1mm或2mm)，组对间隙为1～4mm(例如1mm、2mm或4mm)。

需要说明的是，在本申请的坡口形式并不仅限于V形坡口，在本申请的其他实施例中，还可以是Y形、X形等形状。

优选地，焊接母材为双相不锈钢，包括但不限于SAF2205或SAF2507。

S2、打底焊

采用钨极惰性气体保护焊打底焊接，焊接一个道次，焊接时焊接电压10～15V(例如10V、12V或15V)，电流120～150A(例如120A、130A或150A)。焊接速度为4～12cm/min(例如4cm/min、8cm/min或12cm/min)。

在合适的焊接电流、电压以及焊接速度下进行打底焊接可得保证连接强度。

优选地，保护气为氩气或者氩气和氮气的混合气。为达到更好的保护效果，保护气的流速均10～20L/min(例如10L/min、15L/min、20L/min)。

S3、填充焊

采用熔化极惰性气体保护焊进行填充焊，焊接时焊接电压18～26V(例如18V、22V或26V)，电流140～160A(例如140A、150A或160A)。焊接速度为12～18cm/min(例如12cm/min、16cm/min或18cm/min)。

在合适的焊接电流、电压以及焊接速度下进行填充焊，可得到金相结构好的焊缝，从而得到强度高，耐蚀性好的焊接接头。

优选地，保护气为氩气和氦气的混合气，其中氦气占比为18％～22％(例如18％、20％或22％)。

保护气中氦气占比在上述范围内时，可达到即节省成本，又能起到好的保护效果的作用。

进一步地，为起到更好的保护效果，保护气的流速均为10～20L/min(例如10L/min、15L/min、20L/min)。

优选地，焊接时控制道间温度≤150℃。

本申请实施例还提供了一种工件，采用本申请实施例提供的焊接方法焊接得到。因此该工件焊接接头处的耐蚀性好，强度高。

本申请实施例还提供了上述工件在石油化工、海洋船舶或军工领域的应用。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

选择双相不锈钢SAF 2205作为母材，制备焊丝化学成分为：C：0.02％，Mn：0.4％，Si：0.39％，P：0.005％，S：0.006％，Cr：22.4％，Ni：64.1％，Mo：8.60％，Nb：3.31％，Co：0.02％，余量为铁。焊丝直径1.2mm。焊接前打磨“V”型坡口(60°、钝边为1mm、组对间隙为3mm)，首先采用GTAW进行打底，焊接工艺参数为电压12V，电流120A，保护气体Ar(99.99％纯度)，气体流量15L/min，焊接速度为6cm/min，打底焊接完后采用GMAW进行填充焊，焊接工艺参数为电压20V，电流150A，保护气体80％Ar+20％He，气体流量15L/min，焊接速度为10cm/min，层间温度小于150℃。

实施例2

本实施例相对于实施例1基本相同，不同之处仅在于：制备焊丝化学成分为：C：0.02％，Mn：0.3％，Si：0.25％，P：0.005％，S：0.006％，Cr：23％，Ni：63％，Mo：9％，Nb：4％，Co：0.01％，余量为铁。

实施例3

本实施例相对于实施例1基本相同，不同之处仅在于：制备焊丝化学成分为：C：0.01％，Mn：0.3％，Si：0.2％，P：0.005％，S：0.006％，Cr：18％，Ni：70％，Mo：8％，Nb：3％，Co：0.02％，余量为铁。

实施例4

本实施例相对于实施例1基本相同，不同之处仅在于：

打底焊时焊接电压为10V，电流为150A，焊接速度为4cm/min；填充焊时焊接电压为26V，电流为140A，焊接速度为18cm/min。

实施例5

本实施例相对于实施例1基本相同，不同之处仅在于：

打底焊时焊接电压为15V，电流为120A，焊接速度为12cm/min；填充焊时焊接电压为18V，电流为160A，焊接速度为12cm/min。

对比例1

本对比例与实施例基本相同，不同之处仅在于焊材的选择不同：本对比例选择常用焊材ER2209作为焊接材料，其化学成分为：C：0.024％，Mn：1.39％，Si：0.42％，P：0.015％，S：0.004％，Cr：21.97％，Ni：8.66％，Cu：0.015％，N：0.124％，Mo：2.61％，余量为Fe。焊丝直径1.2mm。焊接前打磨“V”型坡口(60°)，首先采用GTAW进行打底，焊接工艺参数为电压12V，电流120A，保护气体Ar(99.99％纯度)，气体流量15L/min，并采用GMAW焊接，焊接工艺参数为电压20V，电流150A，保护气体80％Ar+20％He，气体流量15L/min，层间温度小于150℃。

对比例2

本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：焊材的选择不同：本对比例选择的焊材的化学成分为：C：0.05％，Mn：0.29％，Si：0.40％，P：0.005％，S：0.006％，Cr：18.2％，Ni：68.5％，Mo：6.10％，Nb：3.15％，Co：0.03％，余量为铁。

对比例3

本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：填充焊的方式不同，具体为：并采用SMAW焊接，焊接工艺参数为电压26V，电流160A，保护气体80％Ar+20％He，气体流量15L/min，层间温度小于150℃。

对比例4

本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例选择的焊材的化学成分为：C：0.022％，Mn：0.4％，Si：0.33％，P：0.005％，S：0.006％，Cr：22.6％，Ni：67.1％，Mo：0.60％，Nb：3.86％，Co：0.02％，其余为Fe。

对比例5

本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：打底焊也采用GMAW焊接方式焊接。

实验例

测试各实施例和各对比例焊接得到的接头的性能。

参照NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行拉伸、弯曲以及-20℃下低温冲击等力学性能测试。参照标准GB/T 17897《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》，焊接接头进行耐点蚀性能评价试验，拍摄表面照片，如图2-11所示记录在50℃条件下，试样表面是否有点蚀坑。参照标准ASTM G123-2000进行双相不锈钢焊接接头的应力腐蚀性能评价试验，记录经两个浸泡试验周期后U型弯曲试样表面是否发现应力腐蚀裂纹。参照标准GB/T 4334《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》中的方法C进行焊接接头的耐晶间腐蚀性能评价，记录经三个试验周期后试样腐蚀速率以及截面最大腐蚀深度，拍摄微观结构图片，如图12-21所示。将各性能测试结果记录至表1中。

表1各实验组的性能测试结果

从图2-21以及上表的测试结果可看出，本申请各实施例提供的焊材焊接的接头力学性能好、耐腐蚀性较好，表面均未发现点蚀坑，平均腐蚀速率较低，且截面最大腐蚀深度较小；而本申请中涉及到的对比例，接头的至少某部分性能均差于实施例。对比例1相较于实施例1以现有的双相不锈钢焊接材料ER2209作为对比，虽然焊接接头能够得到良好的力学和耐蚀性能，但是相比较于本申请提供的焊材，其耐腐蚀性明显略差。对比例2相较于实施例1中碳含量明显较高，高于本申请要求的范围，其耐腐蚀性相比实施例1差得多，说明当碳含量较高时导致了双相不锈钢焊接接头的耐晶间腐蚀性能偏低，即晶间腐蚀速率和截面晶间腐蚀深度偏大。对比例3相较于实施例1采用了SMAW焊接方法，焊接电流、电压均较高，通过实验结果可看出焊接热输入较大，导致焊接接头的金相组织不平衡，低温(-20℃)冲击不合格，且试样发生了点蚀，耐点蚀性能有所降低。对比例4相对于实施例1焊材的化学组成不同，对比例4中钼含量明显更低，而实验结果表明，对比例4接头的耐点蚀性能明显较差，说明焊材的化学元素组成配比在合适的范围内有利于提高其耐蚀性能，特别可能是钼含量在合适范围内，可保证焊材焊接后的接头有较好的耐腐蚀性。对比例5相较于实施例1打底焊也采用GMAW焊接方式焊接，从实验结果看出，对比例5焊接接头的耐冲击性能偏低，不能满足双相不锈钢焊接接头的韧性要求。

综上，本申请提供的双相不锈钢的焊材，通过合理的元素设计提高其化学成分中镍含量，焊缝为奥氏体组织，增加焊缝组织的韧性，通过降低焊材中的碳含量，降低了焊缝区域的晶间腐蚀敏感性，钼含量控制为8％～9％，以提高焊缝金属的耐点蚀和缝隙腐蚀性能；本申请针对现有技术焊材中总体较低的合金元素含量，提高了焊材中合金元素的总体含量，从而避免了焊缝金属对熔合区母材的稀释作用；控制其他杂质元素含量在较低范围内，避免这些元素对焊缝的强度产生影响。该焊材结合GTAW(钨极惰性气体保护焊)+GMAW(熔化极惰性气体保护焊)的复合焊接方法进行焊接，可以实现双相不锈钢焊接接头优异的力学及耐腐蚀性能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双相不锈钢的焊材，其特征在于，所述焊材的化学成分质量百分比计包括：C≤0.03％、Cr:18.0％～23.0％、Ni:63.0％～70.0％、Mo：8.0％～9.0％、Nb:3.0％～4.0％以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的双相不锈钢的焊材，其特征在于，所述焊材为焊丝，所述焊丝直径为1.0～2.4mm。

3.一种双相不锈钢的焊接方法，其特征在于，包括采用如权利要求1或2所述的双相不锈钢的焊材焊接双相不锈钢，焊接时，采用钨极惰性气体保护焊打底焊接，然后采用熔化极惰性气体保护焊进行填充焊。

4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，采用钨极惰性气体保护焊进行打底焊接时焊接电压10～15V，电流120～150A；

优选地，焊接速度为4～12cm/min；

优选地，保护气为氩气或者氩气和氮气的混合气。

5.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接时焊接电压18～26V，电流140～160A；

优选地，焊接速度为12～18cm/min；

6.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，采用钨极惰性气体保护焊打底焊接以及采用熔化极惰性气体保护焊进行填充焊时，保护气的流速均为10～20L/min。

7.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，焊接方式为坡口焊接；

优选地，坡口角度为65°～75°；

优选地，道间温度≤150℃。

8.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，焊接母材包括SAF2205或SAF2507。

9.一种工件，其特征在于，采用如权利要求3～8任一项所述的焊接方法焊接得到。

10.如权利要求9所述的工件在石油化工、海洋船舶或军工领域的应用。