S32101 經濟型雙相不銹鋼焊接工藝研究

劉玉祥 森松（江蘇）重工有限公司上海分公司 上海 201323

雙相不銹鋼已有近80 年的歷史，早期第一代雙相不銹鋼雖然具有良好的性能，但在焊接狀態下局限性較大，其焊接接頭的熱影響區鐵素體過多而導致韌性低，同時耐腐蝕性明顯低于母材。隨著煉鋼的精煉技術的發展和氬氧脫碳工藝的發明，氮作為合金元素的刻意添加，使其焊接接頭的熱影響區韌性、耐腐蝕性得到了明顯的改善，發展出了第二代雙相不銹鋼[1]。第二代雙相不銹鋼根據化學成分的高低，又細分為經濟型雙相不銹鋼（如S32101，S32304 等）、標準雙相不銹鋼(如S31803、S32205等)、超級雙相不銹鋼（如S32750、S32760 等）。S32101 雙相不銹鋼與S32304 雙相不銹鋼相比，其化學成分中的鎳元素含量更低，而鎳元素價格昂貴，其含量的降低，讓S32101 雙相不銹鋼的經濟性顯得更為突出。近年來，S32101 雙相不銹鋼在化工行業的濃縮器、蒸發器，核電行業的結構模塊，火電廠煙氣脫硫設備、造紙工業設備、水處理設備上得到了大量的應用[2-4]。

1 S32101 材料介紹

1.1 化學成分及力學性能

S32101 雙相不銹鋼（后面簡稱S32101 雙相鋼）于2002 年由瑞典Avesta Polarit 公司（OutoKumpu公司）開發，企業牌號為LDX 2101[5]，后被納入ASME 第II 分卷A 篇SA-240 標準中。SA-240 S32101 雙相鋼化學成分及力學性能見表1、表2。

雙相鋼與304L、316L 奧氏體不銹鋼相比，其化學成分中鎳的含量更低，S32101 雙相鋼與標準雙相鋼S32205 以及經濟型雙相鋼S32304 相比，化學成分中的鎳進一步降低，僅有1.35%~1.70%，鎳元素的降低確保了S32101 雙相鋼的經濟性。從表2 的力學性能對比中可以看出，S32101 雙相鋼比304L、316L 奧氏體不銹鋼、S32304 及S32205 雙相鋼具有更高的強度，在相同的設計條件下，采用S32101 雙相鋼可減小設備壁厚，使設備更輕，可節約更多的成本。S32101 雙相鋼雖然降低了鎳元素的含量，但提高了錳、氮元素的含量，使基體獲得穩定的奧氏體組織，從而達到了兩相平衡，同時，錳、氮元素的提高也對材料起到了一定的強化作用。

1.2 腐蝕性介紹

S32101 雙相鋼具有奧氏體、鐵素體兩相組織結構，鐵素體組織使其具有出色的耐氯化物應力腐蝕的能力，奧氏體組織使其具有非常好的抗晶間腐蝕的能力。S32101 雙相鋼在硫酸中比304L 不銹鋼具有更好的耐均勻腐蝕性能，在大多數無機酸及堿液環境中，耐腐蝕性與316L 不銹鋼相接近，而在有機酸液中，S32101 雙相鋼的耐蝕性接近或超過S32205 雙相鋼[7-8]。根據抗點蝕指數PREN 公式[9]計算，S32101 雙相鋼抗點蝕指數約為26%，304L不銹鋼約為19%，316L 不銹鋼約為24%，S32205雙相鋼約為35%，S32101 抗點蝕能力高于304L、316L 不銹鋼，低于S32205 雙相鋼。

PREN= %Cr+3.3 x(%Mo+ 0.5×%Mo)+16×%N[9]

1.3 焊接性能分析

由于存在奧氏體、鐵素體兩相組織結構，因此，雙相鋼對焊接冷裂紋、熱裂紋均不具有敏感性。雙相鋼如何保證兩相組織平衡是焊接的關鍵點之一，焊接線能量過高以及焊接道間溫度過高，均會導致奧氏體組織偏高，焊接線能量過低又會導致鐵素體組織偏高。雙相鋼等溫析出曲線見圖1。

圖1 雙相鋼等溫析出曲線（LDX2101 即S32101）

從圖1 可以看出，與含鉬較高的S32205、S32750雙相鋼相比，S32101 雙相鋼不容易產生Sigma 相，但當溫度處于700℃左右時，停留時間約10 分鐘，就會有碳化物、氮化物析出，當溫度處于475℃左右時，不到5 分鐘的時間便有Alpha 相析出。碳化物、氮化物、Alpha 相等有害相的析出，將會造成材料脆化，沖擊韌性、塑性下降。從上述的分析中可以看出，為了獲得奧氏體、鐵素體平衡的兩相組織，以及避免焊縫及熱影響區出現有害相，焊接線能量既不能過大也不能過低，道間溫度應控制在較低的范圍內。

2 焊接試驗

GTAW 焊接方法具有焊接質量高、操作靈活、受產品結構形式影響小的優點，SAW 焊接方法具有焊接效率高，焊接質量穩定，更適用于大壁厚設備的縱向及環向焊縫的焊接，故本文介紹的SA-240 S32101 雙相鋼焊接試驗分別使用了GTAW和SAW 兩種焊接方法。GTAW 方法焊接的試板編號為Y-1，SAW 方法焊接的試板編號為Y-2。

2.1 試驗材料

試驗材料采用國內鋼廠生產的S32101 雙相鋼，試驗材料板厚為16 mm，板材實際力學性能見表3。

表3 試驗材料力學性能

2.2 焊接坡口

焊接過程中，由于焊接應力的作用，不可避免會產生焊接變形，為了減小試板的焊接變形，試板的坡口設計成雙面坡口形式，具體的坡口形式見圖2、圖3。

圖2 Y-1 試板坡口

圖3 Y-2 試板坡口

為了保證焊接坡口精度與質量，坡口采用銑床機械加工。

2.3 焊接材料

到目前為止，S32304、S32205、S32750 等雙相鋼均有與各自化學成分、力學性能相匹配的焊材，但針對S32101 雙相鋼，國內、外焊材廠家均未曾開發出相對應化學成分的焊材。對于S32101 雙相鋼焊接所使用的焊材，按照AWS D10.18《鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼管和管道的焊接指南》標準中的表5 推薦，焊接采用2209 型焊接材料，也就是S32205 雙相鋼相匹配的焊材[10]。GTAW 焊接采用的氬弧焊絲型號為ER2209，SAW 焊接采用的埋弧焊絲型號為ER2209，埋弧焊劑按廠家匹配的焊劑。

2.4 試板的焊接

試板焊接前，采用丙酮對坡口及其兩側邊緣25mm 的范圍進行清洗，防止油污產生焊接氣孔，影響焊接質量。試板組對時要保證根部間隙均勻一致，GTAW 根部間隙為3mm，SAW 根部間隙為0~1mm，組對點焊采用GTAW 方法。

GTAW 焊接時，正面及背面采用純度為99.999%的氬氣進行保護，并采用直線焊道焊接，禁止焊接過程有較大的擺動。SAW 焊接前，焊劑需要按照焊材廠家推薦的溫度烘干，焊劑領用時，需要放在焊劑筒中。

試板焊接時，不進行預熱，為了保證組織的兩相平衡以及避免有害相析出，焊接過程中，道間溫度嚴格控制在150℃以內，焊接線能量控制在10~15KJ/cm 的范圍內，具體的焊接規范參數見表4。

表4 焊接規范參數

GTAW 正面焊接后，進行背面焊接，背面焊接不進行清根。SAW 正面焊接后，背面采用砂輪清根，清根后背面SAW 焊接。

2.5 無損檢測

試板焊接后，按照ASME V 標準對Y-1、Y-2焊接試板進行100%滲透檢測以及100%射線檢測。滲透檢測后未發現表面缺陷，射線檢測后，試板內部未發現裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷，滲透檢測及射線檢測結果分別滿足ASME VIII-1 標準APP.8 和UW-51 的要求。

3 試驗結果與分析

Y-1、Y-2 試板按照ASME IX《焊接、釬接和粘接評定》標準進行拉伸、彎曲、沖擊等力學性能試驗，同時又增加了鐵素體、硬度、宏觀金相、顯微組織、腐蝕等試驗。

3.1 拉伸與彎曲試驗

按照ASME IX 標準對Y-1、Y-2 每塊試板取2 個橫向拉伸試樣、4 個側向彎曲試樣。拉伸試驗、側向彎曲試驗取樣要求分別滿足ASME IX 卷QW462.1（a）與QW-462.2 要求，在萬能拉伸試驗機上進行試驗，試驗結果如見5、表6。

從表5 的拉伸試驗結果來看，抗拉強度值均大于S32101 母材標準的下限值650MPa，滿足ASME IX 標準中QW-193 要求的合格指標。從表6 彎曲結果來看，焊接接頭經過彎曲變形后，焊接接頭表面沒有任何開裂，證明焊接接頭具有良好的致密性和塑性，進一步表明焊縫內部沒有缺陷。拉伸、彎曲試驗的合格，說明S32101 雙相不銹鋼采用2209 型焊材焊接，可以得到滿足強度與塑性要求的焊接接頭。

表5 拉伸試驗結果

表6 側向彎曲試驗結果

3.2 沖擊與鐵素體試驗

按照ASME VIII-1 標準 UG 84 要求的位置進行沖擊取樣，根據最低設計金屬溫度，進行-20℃沖擊試驗，試驗結果見表7。

表7 沖擊試驗結果

按ASTM E562《用系統人工點計數法測定體積分數的試驗方法》標準進行鐵素體檢測，檢測結果見表8。

表8 鐵素體試驗結果

從表7 的沖擊結果可以看出，焊縫和熱影響區的沖擊功均大于要求的34J，側向膨脹量均大于0.38 mm，表8 數據中的鐵素體均滿足通常要求30%~65%的范圍。由于焊接材料選擇2209 型焊材，焊縫金屬中的鎳元素含量高，鎳為奧氏體化元素，鎳元素擴大了組織中的奧氏體相區，因此，焊縫的鐵素體含量低于焊接熱影響區，同時，由于奧氏體相的增多，使焊縫金屬具有更優異的沖擊韌性，因此，焊縫的沖擊功均高于焊接熱影響區。受電弧熱輸入的作用，熱影響區的母材組織進一步長大，導致熱影響區的沖擊性能下降，因此，相對于表3 母材的沖擊功，熱影響區的沖擊功也有一定程度的下降。

3.3 宏觀金相試驗

按照ASTM E340《金屬和合金宏觀腐蝕的標準實施規程》標準對Y-1、Y-2 試板進行了宏觀金相試驗。對Y-1、Y-2 試板取焊縫截面試樣，經打磨拋光后，采用王水溶液進行浸蝕，宏觀金相試樣在電子顯微鏡下10 倍放大觀察，焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，宏觀金相試樣照片見圖4、圖5。

圖4 Y-1 宏觀照片

圖5 Y-2 宏觀照片

圖6 Y-1 焊縫顯微組織

圖7 Y-1 熱影響區顯微組織

圖8 Y-2 焊縫顯微組織

宏觀金相試驗的合格，表明S32101 雙相鋼采用2209 型焊材焊接，選擇GTAW 和SAW 焊接方法，其焊接質量穩定可靠。

3.4 硬度試驗

按照ISO9015-1《金屬材料焊接的破壞性試驗—硬度試驗》標準對Y-1、Y-2 試板進行硬度試驗，試驗結果見表9。

表9 硬度試驗結果(HV10)

表9 的硬度數據中，硬度值均小于310HV10，滿足工程技術規范的硬度指標要求。

3.5 顯微組織

按照ASTM E407-07e1《金屬和合金微蝕的標準操作規程》標準對Y-1、Y-2 試板焊縫、熱影響區進行顯微組織試驗。試樣拋光后，經氫氧化鈉水溶液電解，在高倍顯微鏡下500 倍放大觀察，焊縫和焊接熱影響區的顯微組織為奧氏體+鐵素體組織，顯微組織中未見顯微裂紋缺陷以及碳化物、氮化物、Alpha 相等有害相，焊縫、熱影響區的顯微組織見6~圖9。

圖9 Y-2 熱影響區顯微組織

3.6 腐蝕試驗

對奧氏體、鐵素體雙相鋼金屬間有害相，除了通過顯微組織試驗觀察外，還可以通過腐蝕試驗的方法來驗證。焊縫及熱影響區如產生了有害相，耐腐蝕性將明顯下降。對S32205、S32750 雙相鋼，按照ASTM 923 標準中的C 法—氯化鐵溶液進行腐蝕試驗，對于鎳含量低于S32205、S32750 的S32101 經濟型雙相鋼，采用ASTM A1084《經濟型雙相奧氏體鐵素體不銹鋼有害相檢測方法》標準中方法C 進行腐蝕試驗更為合適[11]。對Y-1、Y-2試板取樣、拋光后，按照ASTM 1084 標準中的C 法，將腐蝕試樣置于25℃恒溫的三氯化鐵-硝酸鈉溶液中腐蝕24 h 后，取出清潔稱重，經計算，Y-1、Y-2腐蝕試樣的腐蝕率分別為2.4 mdd、3.4 mdd，滿足標準中≤10 mdd 的要求。腐蝕試驗的合格，也證明了焊縫和熱影響區中沒有有害相析出。

4 結語

（1）對S32101 雙相鋼采用GTAW、SAW 焊接方法焊接，焊接材料采用2209 型焊材，可獲得良好的拉伸、彎曲、沖擊等力學性能，選擇2209 型焊材的焊縫金屬，其沖擊性能優于焊接熱影響區。合理的控制焊接線能量，可獲得奧氏體、鐵素體平衡的兩相組織，焊縫及焊接熱影響區的顯微組織中未見有害相析出，且保證焊接接頭具有良好的耐腐蝕性。焊縫、焊接熱影響區的硬度值均可以滿足工程規范的要求。

（2）無損檢測及宏觀金相試驗的合格，證明S32101 雙相鋼GTAW 和SAW 焊接方法的焊接工藝可靠，可獲得良好質量的焊接接頭。

（3）S32101 雙相鋼具有較高的經濟性，國外已經形成成熟的規范標準，并在國外壓力容器行業中得到了推廣使用。目前國內的鋼廠對S32101 雙相鋼具有成熟的坯料冶煉、軋制生產工藝，板材質量穩定，國內應形成自己的板材標準規范及設計規范，提高國內壓力容器設計制造的經濟性。