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[摘 要]双相不锈钢，指铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢，由于其良好的焊接性能，被广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域。本文以SAF2205双相不锈钢为例，对双相不锈钢及SAF2205双相不锈钢板材的焊接机理、焊接工艺技术和接头的基本要求等进行了细致的理论分析。
[关键词]SAF2205双相不锈钢 焊接机理 焊接方法
中图分类号：D112 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0307-01
2205双相不锈钢是20世纪70年代首先由瑞典研制成功，材料牌号为SAF2205，属于第二代双相不锈钢。双相不锈钢2205合金是由22%铬，2.5%钼及4.5%镍氮合金构成的典型的含N、超低碳、双相铁素体一奥氏体复式不锈钢。与316L和317L奥氏体不锈钢相比，SAF2205合金在抗点腐蚀及隙腐蚀方面的性能更优越，它具有很高的抗腐蚀能力，与奥氏体不锈钢相比，它的热膨胀系数更低，导热性更高以及更好的焊接性。
1. SAF2205双相不锈钢焊接机理
焊接是一个冶金过程，SAF2205双相不锈钢的焊接质量，决定于其焊缝和热影响区的铁素体和奥氏体含量的平衡和两相组织的均匀性。在焊接过程中，金属从熔融到冷却，从凝固点到1200℃为铁素体组织；1200℃～800℃奥氏体从铁素体中析出；800～475℃将可能有中间相（σ相、碳化物、氮化物）析出。因此，焊接线能量的输入大小直接影响着焊缝和热影响区中铁素体的含量。线能量太小，不利于奥氏体析出；线能量太大，则会引起合金元素Cr、Ni、Mo的烧损，导致材料的耐腐蚀性能下降、机械性能劣化，不能得到良好的金相组织，更容易析出中间相。
与奥氏体不锈钢的焊接相比，SAF2205双相不锈钢的焊接对污染更敏感，特别是对湿气和水分。任何类型的油污、油脂和水分等污染物都会影响材料的抗腐蚀性及力学性能，因此在焊接前要对材料严格清理。双相不锈钢的焊接接头形式应预先经过充分地准备，如采用热加工方法切割坡口，应将坡口表面打磨至露出金属光泽，并对坡口表面进行渗透检测，焊接坡口最好采用机械加工。通常情况下，双相不锈钢的焊接不采用预热，因为预热会降低焊接热影响区的冷却速度。当然，预热对于降低钢材表面的湿气是有益的，当采用预热的方法降低湿气时，首先必须清理焊接表面，然后均匀地加热到95℃。如果焊缝的冷却速度太快，使得焊接热影响区的铁素体含量增加太大时，采用预热是有意义的。例如，将薄板焊接到厚板上和容器上焊接衬垫等情况下冷却速度是很快的，可以考虑预热。
与奥氏体钢相比，双相不锈钢具有导热性好和热膨胀系数低的特点，因此不会产生很大的残余应力，具有更高的抵抗热裂纹的能力，故双相不锈钢可以采用较大线能量焊接，最大的层间温度为150℃。在实际焊接中必须保证层间温度不高于工艺试验设定的层间温度。当焊接量很大时，应合理地安排焊接順序以保证焊缝层间有足够的冷却时间，这样既能保证层间温度，又能提高劳动生产率。焊接工艺评定的试板尺寸会影响冷却速度和层间温度，要注意焊接工艺评定确定的层间温度应比实际焊接时低。因此，工艺评定不能预测由于在实际中采用较高的层间温度而导致冷却速度降低的程度。
焊后不必热处理，双相不锈钢在300～1000℃对温度很敏感，在300～700℃进行消除应力处理会导致σ相析出而产生475℃脆化现象，引起韧性和抗腐蚀性降低；在700～1000℃进行应力消除处理，会导致金属间化合物的析出，也会引起韧性和抗腐蚀性的降低。
2. SAF2205双相不锈钢焊接工艺技术
2.1 焊接方法和材料的选择
一般用于奥氏体不锈钢的焊接方法，如手工电弧焊、钨极惰性气体保护电弧焊和熔化极气体保护焊等，都可用于双相不锈钢的焊接。焊接材料要选用比母材含镍量高的双相钢焊制。确保焊缝中奥氏体相占优势。焊缝铁素体含量控制在30%～45%为宜。
2.2 焊接工艺参数的选择
焊接线能量太大或太小都不好。一般控制在0.5～2.5kJ/cm范围。其具体大小要根据焊件厚度选择。一般焊接时不需要预热，但焊件壁厚过大或环境温度过低时，为防止冷速过快造成焊缝和热影响铁素体含量过高，必要时要采取预热措施。为避免冷却速度过低而引起析出相的产生，要控制多层/多道焊的层间温度。
2.3 焊接熔池及背面的保护
气体保护焊时，保护气体中加氮可以提高焊缝的耐蚀性。有效的背面气体保护是保证焊接质量的前提。保护气体的纯度应满足工艺要求，应采取有效的背面保护工装，开始焊接时要对焊缝背面的氧含量进行检测，满足工艺要求后才能开始焊接。
2.4 定位焊缝
定位焊缝焊接时，如果长度过短，焊接未建立起平衡过程即结束，焊缝冷却会很快，可能导致铁素体含量过高、低韧性并因氮化物析出而降低耐腐蚀性能。因此，如采用定位焊，对定位焊缝的最短长度应进行规定，且应采用较大热输入规范参数。
2.5 焊接过程材料的保护
材料表面的弧击和起弧，是一个瞬间高温过程，冷却速度很快。表面显微组织中铁素体含量很高，这种组织对裂纹和腐蚀很敏感，应尽力避免，如果产生必须用细砂轮打磨去除。现场焊接过程中材料的保护非常重要，应避免碳钢、铜、低熔点金属或填它杂质对不锈钢焊材的污染。可能情况下，不锈钢板材和碳钢板材应分开存放和焊接。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击、渗碳、局部过热等。
3. SAF2205双相钢接头的基本要求
3.1 焊接要求
焊接接头不存在超过质量标准规定的缺陷，同时力学性能满足焊接结构预期的使用性能要求。不出现焊接热裂纹和冷裂纹、应力腐蚀、点蚀，δ相脆化现象的出现。
3.2 防止措施
（1）双相不锈钢具有良好的焊接性，一般选用与母材成分相同或相近的焊接材料，由于含碳量对抗腐蚀性有很大的影响，因此熔敷金属含碳量不用高于母材。腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备，可选用含Ti或Nb等稳定化元素或超低碳焊接材料。对于耐酸腐蚀性能较高的工件，常选用含Mo的焊接材料。选用适合的焊接材料避免发生焊接热裂纹和冷裂纹等缺陷，增强焊缝及热影响区的抗腐蚀性能。如选用焊条型号E2209-16，氩弧焊焊丝ER2209。
（2）合理设计焊接接头。避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除应力集中；结构设计时要尽量采用对接接头，避免十字交叉焊缝，厚壁的母材宜选用双V型、Y型或U型坡口。
（3）采用小的热输入，即小电流，大的焊接速度，减少横向摆动，待前一道焊缝冷却到预热温度后，再焊下一道焊缝，焊后进行750-800℃退火处理，退火后应快冷，防止出现δ相和475℃脆化。
结论
双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，在抗晶间腐蚀、点蚀、间隙腐蚀，特别是抗氯化物导致的应力腐蚀开裂方面具有绝对的优势，而且具有良好的力学性能，应用前景广阔。从国内外多种研究中可以看出，双相不锈钢正在被广泛的应用于工业生产的诸多领域。随着双相不锈钢应用的不断增长，双相不锈钢的生产工艺、焊接技术、热处理等工艺技术也在持续的发展中。随着双相不锈钢的发展和应用，新型双相不锈钢的开发，我们相信双相不锈钢的价值会越来越突显出来，也必将为工业生产提供强有力的保障。
参考文献
[1]朱海兴.SAF2205双相不锈钢设备SAW焊接工艺[J].石油化工建设.2006（01）
[2]张贻刚，李淑英，范洪强，谢品品，董春晓.不锈钢在烟气脱硫系统中的腐蚀行为[J].材料保护.2010（03）
[3]张波，龚利华.双相不锈钢焊接接头的耐蚀性研究[J].全面腐蚀控制.2009（04）
[关键词]SAF2205双相不锈钢 焊接机理 焊接方法
中图分类号：D112 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0307-01
2205双相不锈钢是20世纪70年代首先由瑞典研制成功，材料牌号为SAF2205，属于第二代双相不锈钢。双相不锈钢2205合金是由22%铬，2.5%钼及4.5%镍氮合金构成的典型的含N、超低碳、双相铁素体一奥氏体复式不锈钢。与316L和317L奥氏体不锈钢相比，SAF2205合金在抗点腐蚀及隙腐蚀方面的性能更优越，它具有很高的抗腐蚀能力，与奥氏体不锈钢相比，它的热膨胀系数更低，导热性更高以及更好的焊接性。
1. SAF2205双相不锈钢焊接机理
焊接是一个冶金过程，SAF2205双相不锈钢的焊接质量，决定于其焊缝和热影响区的铁素体和奥氏体含量的平衡和两相组织的均匀性。在焊接过程中，金属从熔融到冷却，从凝固点到1200℃为铁素体组织；1200℃～800℃奥氏体从铁素体中析出；800～475℃将可能有中间相（σ相、碳化物、氮化物）析出。因此，焊接线能量的输入大小直接影响着焊缝和热影响区中铁素体的含量。线能量太小，不利于奥氏体析出；线能量太大，则会引起合金元素Cr、Ni、Mo的烧损，导致材料的耐腐蚀性能下降、机械性能劣化，不能得到良好的金相组织，更容易析出中间相。
与奥氏体不锈钢的焊接相比，SAF2205双相不锈钢的焊接对污染更敏感，特别是对湿气和水分。任何类型的油污、油脂和水分等污染物都会影响材料的抗腐蚀性及力学性能，因此在焊接前要对材料严格清理。双相不锈钢的焊接接头形式应预先经过充分地准备，如采用热加工方法切割坡口，应将坡口表面打磨至露出金属光泽，并对坡口表面进行渗透检测，焊接坡口最好采用机械加工。通常情况下，双相不锈钢的焊接不采用预热，因为预热会降低焊接热影响区的冷却速度。当然，预热对于降低钢材表面的湿气是有益的，当采用预热的方法降低湿气时，首先必须清理焊接表面，然后均匀地加热到95℃。如果焊缝的冷却速度太快，使得焊接热影响区的铁素体含量增加太大时，采用预热是有意义的。例如，将薄板焊接到厚板上和容器上焊接衬垫等情况下冷却速度是很快的，可以考虑预热。
与奥氏体钢相比，双相不锈钢具有导热性好和热膨胀系数低的特点，因此不会产生很大的残余应力，具有更高的抵抗热裂纹的能力，故双相不锈钢可以采用较大线能量焊接，最大的层间温度为150℃。在实际焊接中必须保证层间温度不高于工艺试验设定的层间温度。当焊接量很大时，应合理地安排焊接順序以保证焊缝层间有足够的冷却时间，这样既能保证层间温度，又能提高劳动生产率。焊接工艺评定的试板尺寸会影响冷却速度和层间温度，要注意焊接工艺评定确定的层间温度应比实际焊接时低。因此，工艺评定不能预测由于在实际中采用较高的层间温度而导致冷却速度降低的程度。
焊后不必热处理，双相不锈钢在300～1000℃对温度很敏感，在300～700℃进行消除应力处理会导致σ相析出而产生475℃脆化现象，引起韧性和抗腐蚀性降低；在700～1000℃进行应力消除处理，会导致金属间化合物的析出，也会引起韧性和抗腐蚀性的降低。
2. SAF2205双相不锈钢焊接工艺技术
2.1 焊接方法和材料的选择
一般用于奥氏体不锈钢的焊接方法，如手工电弧焊、钨极惰性气体保护电弧焊和熔化极气体保护焊等，都可用于双相不锈钢的焊接。焊接材料要选用比母材含镍量高的双相钢焊制。确保焊缝中奥氏体相占优势。焊缝铁素体含量控制在30%～45%为宜。
2.2 焊接工艺参数的选择
焊接线能量太大或太小都不好。一般控制在0.5～2.5kJ/cm范围。其具体大小要根据焊件厚度选择。一般焊接时不需要预热，但焊件壁厚过大或环境温度过低时，为防止冷速过快造成焊缝和热影响铁素体含量过高，必要时要采取预热措施。为避免冷却速度过低而引起析出相的产生，要控制多层/多道焊的层间温度。
2.3 焊接熔池及背面的保护
气体保护焊时，保护气体中加氮可以提高焊缝的耐蚀性。有效的背面气体保护是保证焊接质量的前提。保护气体的纯度应满足工艺要求，应采取有效的背面保护工装，开始焊接时要对焊缝背面的氧含量进行检测，满足工艺要求后才能开始焊接。
2.4 定位焊缝
定位焊缝焊接时，如果长度过短，焊接未建立起平衡过程即结束，焊缝冷却会很快，可能导致铁素体含量过高、低韧性并因氮化物析出而降低耐腐蚀性能。因此，如采用定位焊，对定位焊缝的最短长度应进行规定，且应采用较大热输入规范参数。
2.5 焊接过程材料的保护
材料表面的弧击和起弧，是一个瞬间高温过程，冷却速度很快。表面显微组织中铁素体含量很高，这种组织对裂纹和腐蚀很敏感，应尽力避免，如果产生必须用细砂轮打磨去除。现场焊接过程中材料的保护非常重要，应避免碳钢、铜、低熔点金属或填它杂质对不锈钢焊材的污染。可能情况下，不锈钢板材和碳钢板材应分开存放和焊接。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击、渗碳、局部过热等。
3. SAF2205双相钢接头的基本要求
3.1 焊接要求
焊接接头不存在超过质量标准规定的缺陷，同时力学性能满足焊接结构预期的使用性能要求。不出现焊接热裂纹和冷裂纹、应力腐蚀、点蚀，δ相脆化现象的出现。
3.2 防止措施
（1）双相不锈钢具有良好的焊接性，一般选用与母材成分相同或相近的焊接材料，由于含碳量对抗腐蚀性有很大的影响，因此熔敷金属含碳量不用高于母材。腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备，可选用含Ti或Nb等稳定化元素或超低碳焊接材料。对于耐酸腐蚀性能较高的工件，常选用含Mo的焊接材料。选用适合的焊接材料避免发生焊接热裂纹和冷裂纹等缺陷，增强焊缝及热影响区的抗腐蚀性能。如选用焊条型号E2209-16，氩弧焊焊丝ER2209。
（2）合理设计焊接接头。避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除应力集中；结构设计时要尽量采用对接接头，避免十字交叉焊缝，厚壁的母材宜选用双V型、Y型或U型坡口。
（3）采用小的热输入，即小电流，大的焊接速度，减少横向摆动，待前一道焊缝冷却到预热温度后，再焊下一道焊缝，焊后进行750-800℃退火处理，退火后应快冷，防止出现δ相和475℃脆化。
结论
双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，在抗晶间腐蚀、点蚀、间隙腐蚀，特别是抗氯化物导致的应力腐蚀开裂方面具有绝对的优势，而且具有良好的力学性能，应用前景广阔。从国内外多种研究中可以看出，双相不锈钢正在被广泛的应用于工业生产的诸多领域。随着双相不锈钢应用的不断增长，双相不锈钢的生产工艺、焊接技术、热处理等工艺技术也在持续的发展中。随着双相不锈钢的发展和应用，新型双相不锈钢的开发，我们相信双相不锈钢的价值会越来越突显出来，也必将为工业生产提供强有力的保障。
参考文献
[1]朱海兴.SAF2205双相不锈钢设备SAW焊接工艺[J].石油化工建设.2006（01）
[2]张贻刚，李淑英，范洪强，谢品品，董春晓.不锈钢在烟气脱硫系统中的腐蚀行为[J].材料保护.2010（03）
[3]张波，龚利华.双相不锈钢焊接接头的耐蚀性研究[J].全面腐蚀控制.2009（04）