不锈钢的焊接工艺性及焊接工艺研究

西安航空职业技术学院毕业论文11绪论随着工业技术的日益发展，一般奥氏体不锈钢难以满足应力腐蚀、点腐蚀和缝隙隧洞式腐蚀的要求。为此，冶金工作者进行了大量研究，研制出奥氏体—铁素体型不锈钢，即双相不锈钢。传统的奥氏体不锈钢在晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀方面的抗力不足，尤其是应力腐蚀引起的断裂，其危害性极大。双相不锈钢是近二十年来开发的新钢种。通过正确控制各合金元素比例和热处理工艺使其固溶组织中铁素体相和奥氏体相各约占50％，从而将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30%。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。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间副食和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。由于两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，正是这些优越的性能使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展迅速，80年代以来已成为和马氏体型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。上世纪30年代就已在瑞典的试验室中研制出双相不锈钢（3RE60、Uranus50等），但是双相不锈钢真正产业化还是在上世纪60年代以后，其发展经历了3代历程。1.1我国双相不锈钢的应用双相不锈钢是根据石油化工中强酸强碱造成的局部点蚀、应力腐蚀以及孔穴式腐蚀现象，一般不锈钢难以胜任的容器、管道以及零部件等而研制的，但由于西安航空职业技术学院毕业论文2双相不锈钢除具有很强的各类抗腐蚀性能之外，还具有很好的强度和韧性，为此，在一般民用工程和能源交通方面也逐步得到越来越多的应用，如桥梁、飞机、船舶、汽车以及沿海城市和化工区的装饰建筑等。1.1.1石油和天然气工业这是国外应用双相不锈钢的主要领域之一，目前铺设的油气输送管线已有1000km。国内只有南海油田少量使用，全部进口。另外，西气东输工程西起塔里木盆地的集气管线考虑要用双相不锈钢焊管，国内已有条件生产和制造。炼油工业是最早使用国产双相不锈钢的部门，在南京，镇海，天津，济南等炼化公司多集中用在常减压蒸馏塔的塔顶衬里（或复合板）、塔内构件、空冷器和水冷器等，最长的已使用20年。镇海炼化公司是我国最大的炼油基地，加工能力为1600万t，进入世界百强，冷凝冷却系统中多套设备使用双相不锈钢。这一领域涉及的范围很宽，工况情况复杂，介质多种多样，也是使用双相不锈钢较早和较多的领域。甲醇是重要的能源化工原料，2002年国内产量210万t，进口量与此相当，国产缺口很大，当然也有少量（数千吨）出口韩国，目前20万t的大型和多套10万t以下的中小型的甲醇合成反应器的触媒管都是采用双相不锈钢，大中型装置采用2205钢管，使用进口管较多，小型装置多采用18－5Mo型国产钢管。齐鲁石化公司氯乙烯装置的氧氯化反应器中的冷却蛇管的介质条件（HCI，水蒸气）苛刻，目前已使用进口的2205双相不锈钢，使用结果有待观察。上海石化公司乙烯装置的催化剂再生冷却器采用国产类似DP3钢的00C25Ni7Mo3WCuN双相不锈钢做海水冷却器管，海水出口温度40℃，至今已间歇使用15年，效果很好。河南煤化工厂的粉煤气化装置的数台冷却器都是采用进口2205钢管制造。1.1.2化肥工业尿素工业也是最早使用国产双相不锈钢的部门，装置中含氯离子水的换热设备使用得较多，例如尿素装置中CO2压缩机三段冷却器原使用304L奥氏体不锈钢管束，l个月后即因应力腐蚀破裂而泄漏，双相不锈钢可用5年以上，随后一、二段冷却器也都换用了18－5Mo或2205双相不锈钢。由于双相不锈钢在尿素介质中有良好的抗腐蚀疲劳性能，很适合制造尿素生西安航空职业技术学院毕业论文3产的关键设备——甲按泵泵体。国产的00Cr25Ni6Mo2N钢可以通过Huey法的晶间腐蚀倾向检验，己用于黑龙江化肥厂、洞庭氮肥厂（五柱塞式）等大型化肥厂。国内中小化肥厂的甲按泵泵体基本上采用18－5Mo钢制造，也有数十家采用的是高铬含铅双相不锈钢。此外这种钢的泵阀锻件通过了日本JISG0573、G0591硝酸法和硫酸法的检验，批量出口日本，价格要比日本当地生产的便宜。此外，采用国产OCr25Ni6Mo3CuN时效强化双相不锈钢，利用其耐磨损腐蚀性能，用于尿素装置主工艺管路多种规格的高压截止阀的内件等，效果不错。1.1.3运输业最近几年海上化学品运输船行业是国外最大的双相不锈钢用户，消费量约占热轧板的50％。化学品船装载的液体货物多种多样，包括化学和石化产品，食品等，要求船舱材料既能耐腐蚀，又有高的强度。如今2205双相不锈钢已代替316L和317L奥氏体不锈钢，成为海上化学品船的标准用材。国内在这方面刚刚起步，中国长江航运集团青山船厂采用欧洲建造标准，使用进口的2205钢板，自行制造成功第一艘18500t化学品船，钢板消耗量约1200t，己出口比利时。实现了我国用双相不锈钢建造化学品船零的突破，该厂已形成规模生产能力。1.1.4造纸和制盐轻工业由于双相不锈钢在中性氯化物溶液中有较好的耐孔蚀和缝隙腐蚀的能力，利用这一特点，国内开发了该钢在真空制盐和盐硝联产装置上的应用，20万-30万t制盐厂的大型盐水和芒硝蒸发罐采用了双相不锈钢的衬里和复合板，解决了设备结盐垢和腐蚀问题，最长的已有10年的使用历史。双相不锈钢用于大型真空制盐装置，国内已有成熟的经验。在制纸浆和造纸业领域，国内几乎是空白，硫酸盐蒸煮法仍多采用低碳钢制造的蒸煮锅，而国外早已普及使用双相不锈钢的蒸煮、漂白等设备，目前国内也有引进，但数量极少。综上所述，可以看出国内双相不锈钢的使用是有一定局限性的，像国外大量使用双相不锈钢的诸如纸浆和造纸工业、油气工业、运输业、甚至建筑业几个大的领域我们涉及得不多，有的还只是刚刚开始。根据国情，利用双相不锈钢的性能优势，今后除继续扩大在化工和石化等领域的应用外，结合纸浆和造纸工业的技术改造需要开发在这一领域中的应用，至于油气管线目前很难推广，双相不锈西安航空职业技术学院毕业论文4钢的价格是太高了但是制造有关油气田需要的耐氯离子和硫化氢的装置像集气管线和换热设备等还是可以采用双相不锈钢，甚至超级双相不锈钢的。海上运输业的发展，化学品船制造业方兴未艾，需要大量大张的钢板，这一缺口有待填平补齐。至于在建筑业方面的应用，至今还完全未涉及，其实滨海的城市雕塑景观和开发2304钢用于民用热水器方面完全可代替304和316奥氏体不锈钢。1.2双相不锈钢的优势及应用1.2.1与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：1）屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减少30-50%，有利于降低成本。表1-2部分双相不锈钢的牌号及化学成分(质量分数％）钢号国别CCrNiMoMnSi其他第1代3RE60瑞典0.0318.54.92.7≤2.0——Uranus50芬兰0.0421.56.51.5——Cu:1.0-2.0第2代SAF2205瑞典0.0322.05.53.0≤2.0≤0.8—DP-3日本0.0325.06.53.5W:0.4-Cu:0.20-0.8008X21H6M2T俄罗斯≤0.0821.07.52.0——Ti:0.2-0.40Cr21Ni5Ti中国0.0622.05.8-≤0.8≤0.8Ti:5第3代SAF2507瑞典0.0325.57.04.5——Cu:0.50DP-3W日本0.0325.07.63.0W:0.4—Cu:0.800Cr26Ni5Mo3中国≤0.0826.55.03.0≤1.5≤1.0—2）具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。西安航空职业技术学院毕业论文53）在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，再一些介质中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。4）具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。5）比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。6）不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。1.2.2与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下1）综合力学性尤其是塑韧性，不象铁素体不锈钢那样对脆性敏感。2）除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。3）冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。4）焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。5）应用范围较铁素体不锈钢宽。西安航空职业技术学院毕业论文62SAF2205双相钢接头的基本要求及达到要求的措施2.1基本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2.2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不会发生焊接热裂纹和冷裂纹，如选用焊条型号E309MoL-16焊条牌号A042氩弧焊焊丝H00Cr18Ni14Mo2。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，消除或降低焊接接头残余应力，用常用工艺措施，加热温度在800-900℃之间才可得到比较理想的消除应力效果；结构设计时要尽量采用对接接头，避免十字交叉焊缝，单V形坡口改用Y形坡口。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。西安航空职业技术学院毕业论文73.1SAF2205双相钢的焊接性3.1.1SAF2205双相钢的性能特点1）含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。一般18-8型奥氏体不锈钢在600℃以上中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀断裂，在微量氯化物及硫化氢工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等设备都存在着产生应力腐蚀断裂的倾向，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。2）含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀抗力当量值（PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%）时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。双相不锈钢与奥氏体不锈钢耐孔蚀性能与AISI316L相当。含25%Cr的，尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISI316L。3）具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。在某些腐蚀介质的条件下，适用于制作泵、阀等动力设备。4）综合力学性能好。有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍。固溶态的延伸率达到25%，韧性值AK（V型槽口）在100J以上。5）可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后不需热处