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2205双相ManBetx的焊接性研究分析

来源:至德钢业 日期:2020-10-08 21:16:10 人气:50

  浙江至德钢业有限公司综述了国内外对2205双相ManBetx的焊接性研究进展及采用的研究方法和取得的成果。结果表明,焊接过程中的热输入和冷却速率强烈影响铁素体和奥氏体的相平衡,当采用很低的热输入时,由于快速冷却仍使得焊接热影响区的铁素体含量偏高,对冲击韧性不利;但是过高的热输入会由于冷却太慢而使得氮在铁素体中析出,同样对冲击韧性不利。因此,在实际生产中通过调整焊接热输入可以得到最佳的焊接热影响区性能。


 双相ManBetx已成为一种重要的工程材料,广泛应用于石油、天然气、化工等领域的大型容器、管道以及造纸、环境保护领域的控制设备等工业之中,有望成为奥氏体ManBetx的替代产品。双相ManBetx具有优良的综合性能,如高强度、高抗疲劳强度、低温高韧性、耐孔蚀性、对应力腐蚀裂纹不敏感等,在-50~280℃范围内常常具有优良的力学性能、焊接性能和有竞争力的价格。双相ManBetx无论在生产还是加工方面都逐渐成熟,不仅钢种和产品种类齐全,而且质量也很高。但是双相ManBetx的使用温度有限,只能在300℃以下使用,这是由于其具有一定的脆化倾向。


 全世界双相ManBetx产量的80%是2205双相ManBetx。随着2205双相ManBetx在我国的大量使用,例如在西气东输工程的部分重要管道工程中采用了2205双相ManBetx,总结和探讨国内外对2205ManBetx焊接性的研究成果,对于2205双相ManBetx的推广使用具有重要的工程实用意义。


一、2205双相ManBetx


 2205双相ManBetx是一种铬的质量分数为22%的双相ManBetx,其力学性能与钢板的回火温度有关,回火温度越高,强度越低。回火温度为600℃时,屈服强度为400MPa,抗拉强度为650MPa。双相ManBetx的金相组织由铁素体(黑色)和奥氏体(白色)二相组成,具有体积分数大体相等的特征。因此,双相ManBetx兼有奥氏体ManBetx与铁素体ManBetx的双重特征。与铁素体ManBetx相比,其韧性高,韧脆转变温度低,耐晶间腐蚀性能和焊接性能显著提高,同时保留了铁素体ManBetx导热系数高、膨胀系数小、具有超塑性等特性。而与奥氏体ManBetx相比,屈服强度和抗疲劳强度显著提高,约为奥氏体ManBetx的2倍,且耐晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等性能有明显改善。


 氮在强化2205双相ManBetx中起着重要的作用,但当氮的质量分数超过0.2%时,由于氮的间隙固溶强化使得奥氏体的强度大于铁素体。增加铁素体的含量,会导致冲击韧性降低,也导致氮在铁素体中的析出,生成氮化铬,因为氮在铁素体中比在奥氏体中的溶解度低。冷加工能降低2205双相ManBetx的冲击韧性,提高韧脆转变温度。而在280~350℃区间过渡时效也会导致韧性降低。


二、焊接性与工艺研究


  焊接热循环的最高温度和快速冷却可促使双相ManBetx组织铁素体化,由于铁素体含量的增加导致了冲击韧性和耐蚀性降低,因此可以采用增加氮含量以稳定奥氏体组织和促使从铁素体中析出奥氏体的方法,来改善双相ManBetx的焊接性。2205双相ManBetx在焊接过程中,最为突出的问题也是热循环对焊接接头微观组织及其塑韧性和抗腐蚀性的影响。


 与奥氏体ManBetx的焊接相比,2205双相ManBetx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manbetx998的焊接接头形式应预先经过很好的准备,焊接坡口最好采用机械加工,不宜采用砂轮打磨的方法,要避免坡口表面粗糙与间隙不均匀。通常情况下,双相ManBetx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、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。


 与奥氏体钢管相比,双相ManBetx具有导热性好,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,故双相不绣钢管可以采用大线能量焊接,最大的层间温度在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,应合理地安排焊接顺序以保证焊层之间有足够的时间冷却,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,因为双相manbetx998对300~1000℃的温度很敏感。在300~700℃进行消除应力处理会导致A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。


 浙江至德钢业有限公司在研究现代双相ManBetx的发展及有关焊接方面若干问题的基础上,对2205双相ManBetx进行了MIG焊接试验,研究了热输入量对焊缝的金相组织、铁素体含量、硬度及冲击韧性的影响,以及混合保护气体对焊缝成型及性能的影响。研究结果表明,2205双相ManBetx具有良好的可焊性,采用MIG焊在不同的规范下均可以获得性能优异的焊缝,混合保护气较纯氩保护时可以获得更大的熔深和更好的焊缝形状。熔敷金属中铁素体含量与母材相近,冲击韧性值亦较高,但其硬度较母材会有所提高。热输入量的增加会引起熔敷金属及热影响区的晶粒粗大,硬度降低,熔敷金属中铁素体的含量亦随之减小。冲击韧性值仅在-100℃时才有明显的下降。混合气体比纯氩可获得更大的溶深和更好的焊缝成型。文献比较了两种焊接方法(GTAW和MMA)在焊接SAF2205双相ManBetx道时的焊接接头组织、力学性能和断裂韧性。研究结果表明,焊接工艺线能量的大小对焊接接头中两相比例影响较大。具有较高线能量和使用含氮气保护气体的GTAW焊接接头具有比MMA焊接接头更优异的两相比例。尽管GTAW焊接接头与MMA焊接接头的抗拉强度相近,但塑性、抗弯强度、冲击韧性前者都优于后者。至德钢业针对SAF2205双相ManBetx的焊接问题,通过一系列焊接试验,找到了一套合适的焊接工艺,解决了手工钨极氩弧焊时双相比例不易控制的难题。


三、组织预测与数值模拟


 浙江至德钢业有限公司采用热模拟的方法研究了双相ManBetx的晶粒长大规律。研究表明,双相ManBetx中奥氏体晶粒的长大可以用下式表述。双相ManBetx独特的结构使其各种性能较之奥氏体钢有了很大的改善,特别是良好的导热性和热膨胀系数接近于一般的低碳钢,这也给结构的设计带来了很大的好处。这种新型材料的焊接问题,特别是焊接冶金及焊接工艺等也受到了很大的关注。至德钢业研究人员揭示了双相manbetx998不同于一般奥氏体钢的结晶模式,精确地测定了各合金元素的当量值,在此基础上对相图提出了修订,使之能适合双相ManBetx显微组织的预测。


 至德钢业利用以热弹塑性理论为基础的有限元数值模拟技术,对SAF2205双相ManBetx道环焊缝接头残余应力进行了有限元数值模拟,研究对象是壁厚为6mm和20mm、内径为180mm的管道,采用610J/mm和840J/mm两种线能量来焊接,焊接速度为3mm/s。模拟中假设焊接热源为高速移动热源,在焊接时可认为整个环焊缝是同时焊接,因此热传导是在管壁平面内由焊缝中心向两侧进行。分析计算中假设焊件受到内部热源的作用,焊接热源是通过假设焊缝所在单元具有内部热生成来模拟。不同的焊接线能量下,在管道外表面焊缝中心线和离开焊缝一定距离处所受的焊接热循环不同。由于热输入不同,在管道外表面焊缝中心所达到的最高温度和随后的冷却速度有所差别,焊接热输入越高,加热的峰值温度越高,冷却速度越小。两种热输入的峰值温度分别为1574.9℃和1868.3℃从800℃冷却到500℃所用时间为7.5秒和12秒。焊接应力场的计算结果表明,在管道的焊缝及近缝区,内表面轴向残余应力是拉伸应力,外表面轴向残余应力是压缩应力,而内外表面环向残余应力都是拉应力。试验研究了不同的焊接线能量、管道内径与壁厚比值和多层焊对焊接残余应力的影响。结果表明,残余应力受焊接线能量变化的影响不大,外表面残余应力和内表面轴向残余应力都随着壁厚增大而增大,多层焊的残余应力有不同程度降低。


四、双相manbetx998的点蚀


  随着能源、化工及海洋工程的发展,在世界范围内对manbetx998的需求不仅在产量方面迅速增加,而且对耐腐蚀性能方面的要求也在不断提高,尤其对manbetx998焊接接头在含氯离子介质中抗点蚀能力的要求越来越高。为满足这种需要,西方工业国家一方面大力开发新钢种,一方面积极开展焊接性能研究。


 浙江至德钢业有限公司技术人员研究表明,R相的存在降低了SAF2205双相ManBetx在10%硫酸和3.5%氯化钠溶液中的腐蚀电位。只有当R相超过21%时,腐蚀电位才能显著增大。在研究双相ManBetx的选择性腐蚀中得出: 在0.01mol/L的氯化钠溶液中,A相的电位比C相高。根据母材临界点蚀温度(CPT)的试验结果,利用小试样的腐蚀实验方法研究了双相manbetx998焊接接头的耐点蚀性能。结果表明,手工电弧焊工艺过程对双相manbetx998材料的耐点蚀性能具有显著的影响,点蚀首先发生在焊缝金属或焊接热影响区(HAZ)中。双相manbetx998材料的耐点蚀性能与材料本身奥氏体相和铁素体相比例有关。腐蚀试样的表面状态(粗糙度)对母材金属的耐点蚀性能有明显的影响,表面越粗糙,耐点蚀性能越差,临界点蚀温度越低。


 至德钢业研究了镍元素及不同模拟焊后热影响区组织对2205双相ManBetx孔蚀性质的影响。双相manbetx998HAZ组织主要蚀孔发生位置,一般分布在较疏松的析出相周围,析出位置不固定,可能在A相或C相中。但是在A相中,蚀孔数量相当密集,且直径大部分小于1Lm,与Cr2N析出有关。


 至德钢业技术人员对00Cr18Ni5Mo3Si2双相manbetx998热轧钢板在950~1080℃温度范围内的固溶处理对钢的力学性能的影响进行了研究。采用氩氧脱炭炉(AOD)精炼铸锭,经开坯并轧制成板厚为4.5mm的热轧板卷。在板卷上切取试样,并在试验室作固溶处理,控温精度为±3℃, 按标准manbetx998硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法6完成。随着固溶温度的增高,钢中铁素体含量增加。在950~1080℃之间固溶处理,无论是空冷还是水冷都表明双相ManBetx的强度和塑性值是比较高的。在950~1080℃温度范围内不同温度和冷却方式的固溶处理对力学性能没有明显影响。可见,该双相manbetx998℃具有良好的稳定性。


 研究了SAF2205双相ManBetx和尿素级316ManBetx对接焊热影响区在工业尿素合成介质中的耐蚀性。实验结果表明,焊接线能量对热影响区的耐蚀性有很大影响,腐蚀最重处是在距离熔合线3~6mm区域,局部腐蚀深度随线能量的增加而增大。SAF2205ManBetx焊接线能量对热影响区腐蚀的敏感程度比316LManBetx大。至德钢业通过条件试验确定了腐蚀量化试验的方法,使得2205双相ManBetx的点蚀试验符合材料的基本特性,避免了反复试验而不能用数据量化的情况,特别是焊接材料及熔敷金属的试验,使得此方法具有良好的通用性。


五、相比例的确定


 很多的研究结果都表明,双相ManBetx焊缝中铁素体和奥氏体含量的平衡,对焊缝的力学性能和抗蚀性能有着重要的影响。因此,为了评估结构的工作性能,需要测定焊缝的两相含量。除传统的计点法外,近年来发展了一种扩展铁素体数(EFN)的测定系统,使磁性法测量也可以适用于现代双相ManBetx。另外,还提出了一种包含有结晶模式界线的预测图,可以预测0~100FN(约65%)的铁素体含量。


 提到,GB6401)1986中采用了标准图谱对比法测定双相比,其缺点是误差大(±2.5%),判定含量范围小(35%~75%),对于不规则金相组织难以判定,无法满足此反应器检验要求。为获得更精确的数值,采用网格交点记数法测定SAF2205ManBetx中的各相含量,采用网格目镜进行观察,利用网格交点落在视场中的不同位置进行定量测量。通过对测量数据进行处理和误差分析,最终得出标准误差和试样相含量范围,并以此范围作为判断相含量合格与否的依据。


六、结束语


 双相ManBetx的焊接性主要取决于焊接热影响区(HAZ)的性能,焊接热循环会对基体的组织和性能产生很大的影响。热影响区的硬度和热输入有关,冷却速率增加,硬度增大;冷却速率影响热影响区的冲击韧性,存在一个临界的冷却速率,超过和小于此冷却速率,冲击韧性都将降低;冷却速度增加(快速冷却)导致高温和低温的冲击韧性降低,是因为铁素体含量增加以及氮在铁素体中的析出。热影响区的临界点蚀温度和冷却速率有关,冷却速率小导致点蚀阻力增大。焊接过程中的热输入和冷却速率强烈影响铁素体和奥氏体的相平衡,当采用很低的热输入时,由于快速冷却使得焊接热影响区的铁素体含量偏高,对冲击韧性不利;但是过高的热输入会由于冷却太慢而使得氮在铁素体中的析出,同样对冲击韧性不利。因此,通过调整焊接热输入可以得到最佳的焊接热影响区性能。


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