双相不锈钢2205焊缝热影响区裂纹浅析

1 引言

阿曼某联合循环电站配套建设一套海水反渗透（SWRO）系统的海水淡化装置。海水淡化系统中反渗透系统高压海水管道、所有阀门及其他与海水相关的附件均采用了价 贵的双相不锈钢材料，其中海水采用 2205 双相不锈钢，浓水采用 2507（S3276 不锈钢， 双相不锈钢管道安装需进行现场焊接，规格为Φ273³11.7， Φ325³11.7 等。海水反渗透系统运 ，焊缝热影响出现裂纹。对于出现裂纹的管道即使将裂纹打磨干净进行焊接修复，焊接完成的管道在静置一段时间或是继续工作一段时间后，热影响区又会出现裂纹。

2 双相不锈钢组织、性能分析

双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，简称 DSS），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。在含 C 较低的情况下，Cr 含量在18%～28%，Ni 含量在 3%～10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N 等合金元素。

双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占一半（2205 双相不锈钢铁素体含量应为30%～55%，典型值是45%左右），兼有两相组织特征。它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、缝隙及氯化物应力腐蚀的特点;又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。

2205 双相不锈钢具有良好的焊接性，焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。通常焊前不预热，焊后不热处理。由于有较高的氮含量，热影响区的单相铁素体化倾向较小，当焊接材料选择合理，焊接线能量控制适当时，焊接接头具有良好的综合性能。

3 影响双相不锈钢焊接质量的主要因素

3.1 含 N 量影响

研究表明，随着混合气体中 N2 分压 PN2 的增加，焊缝中氮的质量分数ω（N）开始迅速增加，然后变化很小，焊缝中的铁素体相含量φ（α）随ω（N）增加呈线性下降，但φ（α）对抗拉强度和伸长率的影响与ω（N）的影响刚好相反。同样的铁素体相含量φ（α），母材的抗拉强度和伸长率均高于焊缝。这是由于显微组织的不同所造成的。双相不锈钢焊缝金属中含 N 量提高后可以改善接头的冲击韧性，这是由于增加了焊缝金属中的 γ 相含量，以及减少了Cr2N 的析出。

3.2 热输入影响

与焊缝区不同，焊接时热影响区的ω（N）是不会发生变化的，它就是母材的ω（N），所以此时影响组织和性能的主要因素是焊接时的热输入。根据文献，焊接时应选择合适的线能量。焊接时如果热输入太大，焊缝热影响区范围增大，金相组织也趋于晶粒粗大、紊乱，造成脆化，主要表现为焊接接头的塑性指标下降。如焊接热输入太小，造成淬硬组织并易产生裂纹，对 HAZ 的冲击韧性同样不利。此外，凡影响冷却速度的因素都会影响到HAZ 的冲击韧性，如板厚、接头形式等。

3.3 σ相脆化

国外文献介绍了再热引起的双相不锈钢及其焊缝金属的σ相脆化问题。母材和焊缝金属的再热过程中，先由α相形成细小的二次奥氏体γ*，然后析出σ相。结果表明，脆性开裂都发生于σ相以及基体与σ相的界面处，对母材断口观察表明，在σ相周围区域内都为韧窝，由于α相区宽，大量生成的σ相才会使韧性降低，然而在焊缝中α相区是细小的，断口仍表现为脆性断裂，只要少量的σ相生成就足以引起焊缝金属韧性的降低，因此，焊缝金属中的σ相脆化倾向比母材要大得多。

3.4 氢致裂纹

双相不锈钢焊接接头的氢脆通常发生于α相，且氢脆的敏感性随焊接时峰值温度的升高而增加。其微观组织的变化为：峰值温度增加，γ相含量减少，α相含量增加，同时由α相边界和内部析出的Cr2N 量增加，故极易发生氢脆。

3.5 应力腐蚀开裂

母材和焊缝金属中的裂纹都起始于α/γ界面的α相一侧，并在α相内扩展。奥氏体（γ）由于其固有的低氢脆敏感性，因此，可起到阻挡裂纹扩展的作用。由于 DSS 中含有一定量的奥氏体，所以其应力腐蚀开裂倾向性较小。

3.6 点蚀问题

耐点蚀是双相不锈钢的一个重要特性，与其化学成分和微观组织有着密切关系。点蚀一般产生于α/γ界面，因此被认为是产生于γ相和α相之间的γ*相。这意味着γ*相中的含Cr 量低于γ相。γ*相与γ相的成分不同，是由于γ*相中的 Cr 和 Mo 含量低于初始γ相中的 Cr、Mo 含量。进一步研究表明，含 N 量较低的钢，其点蚀电位对冷却速度较为敏感。因此，在焊接含 N 量较低的双相不锈钢时，对冷却速度的控制要求更加严格。在双相不锈钢焊接过程中，合理控制焊接线能量是获得高质量双相不锈钢接头的关键。线能量过小，焊缝金属及热影响区的冷却速度过快，奥氏体来不及析出，从而使组织中的铁素体相含量增多；如线能量过大，尽管组织中能形成足量的奥氏体，但也会引起热影响区内的铁素体晶粒长大以及σ相等有害相的析出。一般情况下，焊条电弧焊（SMAW）、钨极氩弧焊（GTAW）、药芯焊丝电弧焊（FCAW）和等离子弧焊（PAW）等焊接方法均可用于双相不锈钢的焊接，且在焊前一般不需要采取预热措施，焊后也不需进行热处理。

4 讨论

研究显示，双相不锈钢焊接接头氢脆敏感性基本取决于组织的两相比例，铁素体含量越高氢脆敏感性越大。双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝， 用下，热影响区处于快冷非平衡态，冷却后总是保留更多的铁素体，从而增大了 （脆化）的敏感性。通过分析影响双相不锈钢焊接质量的因素可知，阿曼某联合循环电站海水反渗透系统不锈钢管道焊缝热影响区裂纹主要是由于热输入影响。

2205 成分特点是超低碳、含氮，其典型成分为22%Cr+5%Ni+0.17%N，焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。当焊接材料选择合理，焊接线能量控制适当时，焊接头具有良好的综合性能，主要问题不在焊缝，而在热影响区。因为在焊接热循环作用下，热影响区处于快冷非平衡态，冷却后总是保留更多的铁素体，从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹（脆性）敏感性。

5 总结

双相不锈钢优良的性能是通过控制两相组织比例来保证 参数对焊缝的组织有很大的影响，合适的焊接工艺参数和一定的技术措施相结 织和性能。因此焊接工艺要求为多层多道焊，最佳的措施是控制焊接线能量 。控制焊接线能量，达到控制焊缝中铁素体与奥氏体两相的比例，最终形成具有合理比例的铁素体－奥氏体双相组织。

1 参考文献

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