SAF2507超级双相不锈钢焊接技术研究现状

SAF2507超级双相不锈钢焊接技术研究现状王新;刘洁;李岩;杨森;白永杰;吕孝根【摘要】主要根据近几年国内外对SAF2507焊接方面的研究成果,将不同的焊接方法与焊接工艺参数对SAF2507材料组织、力学性能和耐腐蚀性能等方面的影响进行了综述,以期能为以后更加深入地研究提供一定的指导作用.【期刊名称】《山西冶金》【年(卷),期】2016(039)001【总页数】5页(P30-34)【关键词】超级双相不锈钢;相比例;力学性能;耐蚀性【作者】王新;刘洁;李岩;杨森;白永杰;吕孝根【作者单位】太原科技大学材料科学与工程学院,山西太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,山西太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,山西太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,山西太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,山西太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TG457.11超级双相不锈钢是双相不锈钢中PRE指数大于40的一类钢种，由于其超低的含碳量、良好的相比例以及较高的合金元素含量，从而具备优良的机械性能和耐氯化物腐蚀性[1-2]，因此在船舶制造、海洋油气田开采、海底管道铺设和海水淡化等高强度和高耐蚀性需求的领域中发挥着越来越重要的作用[3-5]。

SAF2507作为超级双相不锈钢中的典型钢种，应用越来越广泛，因此，研究SAF2507超级双相不锈钢不同的焊接方法、焊接工艺参数对力学性能和耐蚀性能的影响，可以更好地指导应用于实践。

针对SAF2507超级双相不锈钢焊接技术，国内外许多专家学者已经做了丰富的研究。

如K.Devendranath Ramkumar[6]等研究了UNS S32750超级双相不锈钢GTAW的最优工艺参数及其最优参数下的组织、力学性能；Ramkumar K D[7-8]等对UNS S32750超级双相不锈钢不同电子束焊接参数和GTAW采用不同焊丝时的多道焊焊接接头进行了组织观察、冲击试验和拉伸试验研究；Ramirez A J[9]等研究了S32750模拟多道焊热影响区中初始和晶粒内γ2与Cr2N之间的关系；Du D F[10]等研究了N2对SAF2507超级双相不锈钢GTAW焊接接头微观组织、硬度和韧性的影响规律；TaoR L[11]等研究了不同峰值温度对模拟焊接热影响区微观组织的影响规律。

国内对于SAF2507超级双相不锈钢焊接方面的研究始于21世纪初，虽然获得了一定的实验成果，但是对于其在极端环境中的腐蚀与失效机理研究仍然处于初期阶段。

SAF2507超级双相不锈钢兼有铁素体和奥氏体不锈钢的性能特征，由于在焊接时会经历温度较高的热循环过程，易引起元素扩散不均匀、铁素体来不及发生奥氏体转变就析出以及HAZ的高温段铁素体晶粒急剧长大等一系列问题，从而导致相分布状态和相比例发生变化，影响焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能。

因此，SAF2507超级双相不锈钢焊接的最主要问题是如何控制焊接接头中的两相比例和元素分配，以保证焊接接头的韧性和耐腐蚀性能[12]。

1.1 焊接热输入双相不锈钢的性能主要依靠于合适的双相比例和合金元素分配来保证的，所以合理地选择焊接热输入对SAF2507超级双相不锈钢焊接尤其重要。

热输入过小，焊后冷却速度过快，会使高温铁素体来不及转变为奥氏体，从而导致铁素体含量过多，降低焊接接头的韧性和耐腐蚀性能；热输入过大，焊后冷却速度过慢，虽然有利于高温铁素体向奥氏体转变，得到合理的双相比例，但容易造成焊接接头铁素体组织粗大，甚至会析出有害的金属间相、引起合金元素的烧损，降低焊接接头的韧性和耐腐蚀性能。

在国内，贾元伟[13]采用焊接热模拟技术，通过固定热输入量和冷却时间以及固定冷却时间和峰值温度分别来研究峰值温度（1 250、1 300℃和1 350℃）和热输入量（5、15、25 kJ/cm和40 kJ/cm）对模拟焊接热影响区显微组织以及力学性能的影响规律，结果表明：当峰值温度一定时，热输入量越大，则模拟焊接热影响区铁素体的含量越低，冲击韧度越高；当热输入量一定时，峰值温度越高，则模拟焊接热影响区铁素体的含量越高，冲击韧度越低。

王仓[14]等对S32750超级双相不锈钢的GTAW多道焊焊接工艺进行了研究，结果表明：通过采用合理的焊接工艺参数，严格控制线能量及层间温度，氩弧焊可以保证S32750超级双相不锈钢焊接接头拥有比较合理的双相比例、良好的低温冲击韧性以及耐点蚀性能。

在国外，ThiagoChehuan[15]等研究了S32750超级双相不锈钢采用三种不同热输入时GMAW-P焊接接头中γ2对其耐蚀性的影响，结果表明：并不是所有γ2都会使其耐蚀性降低，只有当γ2的存在导致周围合金元素铬、镍等含量降低时，才会引起耐蚀性的下降，同时证明，Cr2N的存在会严重降低其耐蚀性。

TavaresSS M[16]等研究了UNSS32750超级双相不锈钢在不同焊接工艺下焊接接头的微观结构、化学组成、耐蚀性以及韧性。

实验根部焊道采用氩弧焊（97%Ar+3%N2）焊接工艺，焊接热输入为1.5～2.0 kJ/mm；填充层采用手工电弧焊，热输入为1.2～1.7 kJ/mm，然后将焊接接头在3.5%（NaCl质量分数）的NaCl和硫酸溶液中进行极化曲线测试，从而对填充金属和基体金属做出耐点蚀性分析，结果表明：焊缝根部金属、填充层金属以及基体金属的耐点蚀性都相似。

但是，由于在焊缝根部金属中的铁素体相较多，而且有铬的氮化物存在，通过电化学腐蚀试验测试发现其耐点蚀性稍差。

Villalobos D[17]等研究了焊接热循环对SAF2507超级双相不锈钢GTAW多道焊HAZ的影响规律，结果表明：较低的冷却速率会促使第二相的产生，从而导致其机械性能与耐蚀性能降低。

而层间温度越高，HAZ中的σ相含量越多；当层间温度较低时，冷却速率就会越大，从而避免σ相的产生。

Taban E[18]等对UNS S32750超级双相不锈钢在不同热输入下对PAW焊接接头的韧性与微观组织结构进行了观察分析，结果表明：热输入的变化主要影响焊缝区域的铁素体含量和硬度，当α与γ两相体积之比为1∶1时，焊接接头具有良好的低温冲击韧性。

1.2 保护气体气体保护焊是双相不锈钢焊接的发展趋势，SAF2507超级双相不锈钢焊接时需合理地选择保护气体，常用的保护气体有纯Ar气、N2气等，N2气的存在会使奥氏体含量增加，但是如果N2气含量过多，则会引起电弧不稳，极易造成钨烧损。

在国内，杜东方[19]等对SAF2507超级双相不锈钢板GTAW和SMAW两种不同的焊接工艺接头的相组织、力学性能和耐点蚀性进行了分析比较，结果表明：采用N2保护的GTAW焊接中，奥氏体相含量比SMAW中更高，双相比例更优；而且GTAW焊接接头的抗拉强度、延伸率和冲击功均优于SMAW接头；在50℃的6%FeCl3溶液中，GTAW接头的耐点蚀性比SMAW接头要好。

在国外，Westin E M[20]等研究了UNS S32750在接头GTAW保护气体中加入N2和H2时组织和性能的变化情况，对接头的组织形貌进行了观察和分析，并进行了一系列的冲击、拉伸、硬度、弯曲及电化学腐蚀试验，结果表明：当保护气体为100%的Ar时冲击性能最好，只有保护气体为90%N2+10%H2的焊接接头通过了ASTMG48E腐蚀测试。

GongL，ZhangB[21]等研究了不同焊接工艺参数下UNSS32750超级双相不锈钢的耐点蚀性、抗晶间腐蚀性、α/γ相比例以及两相中的元素分配，结果表明：N2可以使γ相更加稳定，当热输入越高时，Cr扩散能力越强，则会导致晶间腐蚀敏感性减少，耐点蚀能力下降，因为元素分配不均匀会导致α相首先分解。

Batista H J[22]等研究了UNSS32750超级双相不锈钢GMAW多道焊工艺参数对组织转变和耐蚀性的影响。

热输入采用0.6、1.0kJ/mm和 2.0 kJ/mm，保护气体采用 98%Ar+ 2%CO2和60%Ar+38%He+2%CO2，焊接电流波形采用连续脉冲电流和三角波形，结果表明：焊接热输入、保护气体以及电流波形对焊缝底部α/γ相比例均有影响，而焊接热输入对焊缝顶部α/γ相比例影响最大；热影响区中α与γ相中的元素含量差比焊缝中高，但与焊接热输入没有必然的联系；焊缝表面γ2的含量与热输入也没有线性关系，热输入为1.0 kJ/mm时γ2含量最多；在整个焊缝中，表面γ2含量最多，整个表面，焊缝最先发生腐蚀，除表面之外，均是焊接热影响区最先发生腐蚀；阻抗谱表明，随着焊接热输入的增加，极化阻抗也逐渐增加。

1.3 焊后热处理由于焊接过程中焊件温度的不均匀分布、焊缝金属的热胀冷缩等原因，焊接接头往往会有残余应力的产生和组织、力学性能的不均匀分布等问题，而接头的焊后热处理可以有效降低残余应力、调整焊接接头机械性能和改善焊缝金属热影响区金相组织。

在国内，李杰[23]研究了热处理对SAF2507超级双相不锈钢焊缝组织和性能的影响规律，结果表明：不同固溶保温时间的焊缝组织中奥氏体体积含量在40%～60%之间，而随着保温时间的增加，显微组织中奥氏体的含量也逐渐增加，当固溶温度为1 050℃时可以获得接近于1∶1的奥氏体和铁素体含量。

杨莉[24]等研究了焊后热处理对超级双相不锈钢SAF2507带极堆焊层组织与性能，以及σ析出相的影响规律，结果表明：经焊后热处理，堆焊层铁素体相上由于析出弥散分布的σ有害相而使低温（-40℃）冲击性能严重降低，而且σ相的析出会使得周围区域贫铬、贫钼，使其容易发生点蚀并导致耐腐蚀性能降低。

因此，SAF2507超级双相不锈钢带极堆焊层应尽量避免在600～900℃进行焊后热处理。

在国外，Soon-Tae Kim[25]等研究了氮以及焊后热处理对超级双相不锈钢焊接接头耐蚀性的影响，结果表明：保护气体中加入N2的GTAW焊接接头进行焊后热处理时会导致α相中的Cr2N分解，提高其耐蚀性，而N会由α相向γ相扩散，导致焊缝与热影响区的γ相含量增多，耐蚀性的提高也归因于γ相与α相耐点蚀当量差异的减少。

Cervo R[26-27]等研究了焊后热处理对UNS S32750埋弧焊焊接接头组织形貌、元素分配以及耐蚀性的影响规律，结果表明：经过合理的焊后热处理，焊接接头中奥氏体的含量增加，α与γ相中各元素分配也趋于平衡，从而提高其耐蚀性，这与电化学腐蚀与ASTMG48实验结果相符合，其点蚀首先发生的位置也与α与γ相PREN的预测一致，但焊后热处理对母材组织和元素分配的影响较小。

同时表明，在80℃的3.5%NaCl腐蚀液中，最佳的焊后热处理温度为1 100℃。

Jang B S[28]等通过对UNS S32750药芯焊丝电弧焊焊接接头进行了930、1 080℃和1 230℃的固溶处理后，研究了σ相对UNS S32750焊接接头的耐蚀性、力学性能以及微观组织结构的影响规律，结果表明：试样经过930℃的固溶处理后，母材和接头均有σ相的析出，其耐蚀性严重降低，点蚀主要发生在α/σ与γ/σ相界处，该区域多因金属间相（如σ）的析出而使周围区域贫Cr、Mo，而经过1 080℃和1 230℃的固溶处理后的试样，则几乎没有σ相的析出。