2205双相不锈钢的焊接工艺

摘 要：本文分析了2205双相不锈钢的材料特性和焊接性，施工前对该种材质的

板材进行了焊接工艺评定，确定了其焊接工艺。在实际施焊过程中，通过严格执行焊接工艺，既保证了焊接质量，又提高了焊接效率，满足了设计、规范和建设单位要求。

关键词：2205 双相不锈钢 焊接工艺 铁素体

前言

2009年，第八工程公司在广东河源电厂脱硫废水深度处理安装工程施工过程中，遇到了2205循环管的组对焊接。该循环管主体材质为2205/Q235-B，为便于现场焊接，建设单位要求设计人员将接头处的材质改为纯2205，因此现场施工中只涉及到纯2205的焊接。该工程为全国首套脱硫废水深度处理项目，最终目的是实现含盐废水零排放，具有极大的示范意义；安装工程的施工效果，直接关系着我单位的声誉和后续工程的承接，其中循环管的安装和组对焊接，在施工中属于核心技术之一。

因2205材质的焊接在我公司不多见，为保证焊接质量，特别对2205双相钢的焊接工艺进行了研究，下面介绍一下。

1．材料特性

1.1 成分特点

奥氏体－铁素体不锈钢，简称双相不锈钢。双相钢广泛应用于石油和天然气工业、化学和石化加工工业、化肥工业、运输业、造纸和制盐轻工业等。第二代双相不锈钢一般称为标准双相不锈钢,成分特点是超低碳、含氮,其典型成分为22%Cr+5%Ni+0.17%N。与第一代双相不锈钢相比，2205进一步提高氮含量,增强在氯离子浓度较高的酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点蚀性能。氮是强烈的奥氏体形成元素,加入到双相不锈钢中,既提高钢的强度且不显著损伤钢的塑韧性,又能抑制碳化物析出和延缓σ相形成。 1.2 组织特点

双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半数(2205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。

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1.3 性能特点

在性能上的突出表现是屈服强度高和耐应力腐蚀。

双相不锈钢比奥氏体不锈钢的屈服强度高近1倍,同样的压力等级条件下,可以节约材料。比奥氏体不锈钢的线性热膨胀系数低，与低碳钢接近。使得双相不锈钢与碳钢的焊接较为合适,这有很大的工程意义。锻压及冷冲成型性不如奥氏体不锈钢。

2．焊接性

2205钢为超低碳的奥氏体－铁素体不锈钢，在通过固溶处理后，钢中大约含有45％～70％的奥氏体和30％～55％的铁素体组织，该钢具有良好的韧性、强度和焊接性，由于该钢Cr当量与Ni当量比值适当，在高温加热后仍保留有较大量的一次奥氏体组织，又可使二次奥氏体组织在冷却中生成，结果钢中的奥氏体相总量不低于30％～40％，因而使钢具有良好的耐腐蚀性能；因母材中含有较高的N，焊接近缝区不会形成单相铁素体区，奥氏体含量一般不低于30％。

双相不锈钢2205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。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。

1）热裂纹

2205钢热裂纹的敏感性比奥氏体不锈钢小得多。这是由于含镍量不高，易形成低熔点共晶的杂质极少，不易产生低熔点液膜。另外，晶粒在高温下没有急剧长大的危险。

2）热影响区脆化

双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝，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(脆化)的敏感性。

3）铁素体475℃脆化

双相不锈钢含有50%左右的铁素体，同样也存在475℃脆性，但不如铁素体不锈钢那样敏感。

双相不锈钢焊接过程中，在热循环的作用下，焊缝金属和热影响区的组织发生着一系列的变化。在高温下，所有的双相不锈钢的金相组织全部由铁素体组成，奥氏体是在冷却过程中析出的。奥氏体析出的多少受诸多因素的影响。

双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性能取决于焊接接头能否保持适当的相比

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例，因此，焊接是围绕如何保证其双相组织进行的。当铁素体和奥氏体量各接近50%时，性能较好，接近母材的性能。改变这个比例关系，将使双相不锈钢焊接接头的耐蚀性能和力学性能(尤其是韧性)下降。双相不锈钢2205铁素体含量的最佳值是45%。过低的铁素体含量(<25%)将导致强度和抗应力腐蚀开裂能力下降；过高的铁素体含量(>75%)也会有损于耐蚀性和降低冲击韧性。

相比例的影响因素如下：

焊接接头中铁素体和奥氏体的平衡关系既受到钢中合金元素含量的影响，又受到填充金属、焊接热循环、工艺参数的影响。 （1）合金元素的影响

根据研究和大量试验发现，母材中含氮是非常重要的。氮在保证焊缝金属和焊后热影响区内形成足够量的奥氏体方面具有重要作用。氮和镍一样是形成奥氏体和扩大奥氏体元素,但是,氮的能力远远大于镍。在高温下，氮稳定奥氏体的能力也比镍大，可防止焊后出现单相铁素体，并能阻止有害金属相的析出。

由于焊接热循环的作用，自熔焊或填充金属成分与母材相同时，焊缝金属的铁素体量急剧增加，甚至出现纯铁素体组织。为了抑制焊缝中铁素体的过量增加，采用奥氏体占优势的焊缝金属是双相不锈钢的焊接趋势。一般采取在焊接材料中提高镍或是加氮这两条途径。通常镍的含量比母材高出2%～4%，例如,2205填充金属的镍含量就高达8%～10%。用含氮的填充材料比只提高镍的填充材料效果更好，两种元素都可以增加奥氏体相的比例并使其稳定，但加氮不仅能延缓金属间相的析出，而且还可提高焊缝金属的强度和耐蚀性能。填料金属有比基材金属更高的含Ni量，主要是为了使焊区域产生相平衡，让焊缝区域和基材金属有用样的化学成分。

目前，填充材料一般都是在提高镍的基础上，再加入与母材含量相当的氮。 （2）热循环的影响

双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头内的组织有影响，无论焊缝还是热影响区都会有相变发生，这对焊接接头的性能有很大影响。因此，多层多道焊是有益的，后续焊道对前层焊道有热处理作用，焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体，成为以奥氏体占优势的两相组织；毗邻焊缝的热影响区中的奥氏体相也相应增多，且能细化铁素体晶粒，减少碳化物和氮化物从晶内和晶界析出，从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。 （3）工艺参数的影响

焊接工艺参数即焊接线能量对双相组织的平衡也起着关键的作用。由于双相不锈钢

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在高温下是100%的铁素体，若线能量过小，热影响区冷却速度快，奥氏体来不及析出，过量的铁素体就会在室温下过冷保持下来。若线能量过大，冷却速度太慢，尽管可以获得足量的奥氏体，但也会引起热影响区的铁素体晶粒长大以及σ相等有害金属相的析出,造成接头脆化。

为了避免上述情况的发生，最佳的措施是控制焊接线能量和层间温度，并使用镍含量比母材高、氮含量与母材相当的填充金属。

3．焊接工艺评定

2009年8月，根据广东河源项目的实际情况，我们选择一组尺寸为350*400mm、厚度为12的2205双相不锈钢板，来进行焊接工艺评定。 3.1 焊接位置和焊接方法的选择

焊接位置选择水平固定。为保证内部质量，根据施工要求，选用钨极氩弧焊打底、手工电弧焊填充盖面。 3.2 焊接材料的选择

焊丝选用瑞士Avesta公司生产的氩弧焊丝ER2209（Φ2.4），焊条选用四川大西洋生产的E2209（Φ3.2、Φ4.0）。

母材和选择的焊接材料成分对比如下：

表3.2 焊接材料的选择一览表

母材或焊缝熔敷金属化学成分（%） 材料 C 2205 0.02 抗拉强度伸长率 屈服点 Mn 0.07 Si 0.40 0.41 S P Cr 22.4 Ni 5.8 8.67 Mo 3.3 3.05 Cu - 0.12 N 0.16 0.17 （MPa） 700 806 δ5（%） （MPa） 35 28 515 637 0.001 0.025 ER2209 0.017 1.70 E2209 0.035 （Φ3.2） 0.001 0.018 22.87 1.12 0.701 0.010 0.030 22.47 9.53 3.04 0.149 0.14 810 29 - E2209 0．024 1．08 0．74 0．009 0．024 22．64 9．38 2．97 0．054 0．132 （Φ4.0） 795 28 - 3.3 坡口形式和尺寸

根据现场情况，坡口形式采用单V形坡口（坡口形式和尺寸见下表），单面焊接。

表3.3 坡口形式和尺寸一览表

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项次 厚度坡口 T(mm) 名称 Ⅴ型 坡 口 形 式 坡 口 尺 寸 坡 口 间隙钝边角度c(mm) P(mm) a(º) 3.4 焊接参数的选择

评定时选择的规范参数如下：

表3.4 焊接参数一览表

焊缝 层次 打底层 其余层 焊接 电源 DC+ DC- DC- 焊接 方法 GTAW SMAW SMAW 填充 金属 （Φ:mm） 2.4 3.2 4.0 焊接 电流 （A） 75-95 95-115 120-140 电弧 电压 （V） 19±2 20±2 22±2 焊接速度 （cm/min） 11 12 15 线能量 （KJ/cm） 8.809 10.500 11.440 氩气流量外部为12L/min，内部为4 L/min。

焊接过程中，每焊完一层，用MP－30铁素体测定仪对焊缝进行铁素体成分测定，结果均在40－50％之间，表明相比例合格。

3.5 焊缝表面清理、外观检查和酸洗钝化后，进行射线探伤，探伤结果符合JB/T4730.2-2005 Ⅰ级标准。

3.6 按照JB4708规定，对试件截取试样，进行下列试验：

拉伸（拉伸试验符合《金属拉伸试验方法》GB228的规定，拉伸强度分别为720 MPa、725MPa） 2个；

侧弯（弯曲试验符合《金属弯曲试验方法》GB232的规定） 4个；

焊缝和热影响区冲击（冲击试验符合《金属夏比缺口冲击试验方法》GB/T229的规定，焊缝区冲击功分别为107J、109J、139J，平均为118J；热影响区冲击功分别为282J、282J、276J，平均为280J） 各3个；

点腐蚀（点腐蚀试验符合《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》GB/T17897-1999的规定，3个试样的腐蚀量分别为2.329、2.560、2.138mg/24h，平均为2.342 mg/24h，质量损失小于0.1mg/cm2） 3个。

结果各项检测和试验均符合规范和设计规定，证明选择的焊接材料和焊接工艺是正确的，在此基础上编制了焊接作业指导书，并进行了技术交底。

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P c T 1 12 0-3 0-3 55-65

4．焊接工艺

2009年8月下旬，在焊接工艺评定的基础上，循环管的安装正式开始。施工程序如下：

4.1 选择焊接方式及焊接材料，见下表：

表4.1 焊接方法和焊接材料选择一览表

序号 1 施焊钢种 2205 焊接方法 GTAW/SMAW 焊接材料及规格 打底：ER2209(Φ2.4) 其余：E2209(Φ3.2、Φ4.0) 备注 注：以上适用于对接焊缝；对角焊缝，采用全手工电弧焊。

焊接材料入库时，应仔细核对合格证、质量证明书，符合相应标准后才能投入使用。将焊材存放在干燥、通风良好、温度>5℃，且空气相对湿度<60%的库房内；设置焊材二级库，并由保管员专门负责焊材的保管、烘烤、发放和回收，并做好各种记录；焊条使用前按说明书的要求进行烘烤，然后存放到100～150℃恒温箱里随用随取；焊条使用超过4小时应重新烘烤，并且重复烘烤不得超过两次；焊工凭焊接技术员签发的领料单领取焊材。 4.2 坡口加工

因本工程循环管由设备厂家供货，并已下料完成，现场只需进行坡口加工。对接焊缝坡口形式和尺寸见表3.3。

现场采用等离子弧切割方法开制坡口，并用磨光机进行修磨。应避免将切割熔渣溅落在母材表面上，坡口表面应平整、光洁。 4.3 焊前清理

焊前应采用机械方法及有机溶剂，将焊接坡口内外两侧至少各20mm范围内的油、漆、锈、垢、毛刺、氧化膜等清除干净，且坡口表面不得有裂纹、夹层等缺陷；多层多道焊时，必须清除前道焊缝表面的熔渣和缺陷等。为防止焊接飞溅物污染不锈钢表面，应在坡口两侧各100mm范围内涂上石灰水。 4.4内部充氩装置安装

为防止内侧焊缝金属被氧化，循环管接头组对前，应先放好内部充氩装置。 根据现场情况，我们用高密度海绵、三合板等制作堵头，分别放在组对前坡口两端，距坡口约100mm。用篮球的气门芯作为进气嘴，接上氧气管，作为内部充氩装置。为便于

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焊接完成后取出充氩装置，应在堵头上固定好铁丝，便于拽出。见下面的示意图：

氩气进口管 高密度海绵 装 置 间 距 200 图4.4 内部充氩装置示意图

4.5 组对

为避免增加内应力和产生应力集中，内外壁应尽量平齐，其内壁错边量不宜超过壁厚的10%，且不大于2mm.；不得对焊接接头进行加热校正，不得用强力对口。

因循环管已在厂家下好料，现场只需进行修磨。但修磨时应注意控制好焊缝两侧纯2205材质的长度，确保现场焊缝与厂家自带焊缝之间的距离不得小于150mm。 4.6 定位焊

必须由合格焊工施焊，工艺跟正式焊相同，注意仔细检查焊缝质量，如有裂纹、气孔等缺陷应立即磨掉重新点固；每个焊缝应保证足够数量的点固焊缝，点固后不得敲击搬运工件，以免裂开。严禁在被焊工件表面引燃电弧、试验电流或随意焊接临时支撑物。

定位焊缝的长度、厚度和间距，应能保证焊缝在正式焊接过程中不致开裂。可采用手工电弧焊进行定位焊，用氩弧焊进行打底过程中，将定位焊缝逐步磨掉。 4.7 正式焊接

2205双相钢对接焊缝的焊接规范参数，见下表：

表4.7 正式焊接时的焊接规范参数一览表

焊缝 层次 打底层 其余层 焊接 电源 DC+ DC- DC- 焊接 方法 GTAW SMAW SMAW 填充 金属 （Φ:mm） 2.4 3.2 4.0 焊接 电流 （A） 75-95 95-115 120-140 电弧 电压 （V） 19±2 20±2 22±2 焊接速度 （cm/min） 11 12 15 线能量 （KJ/cm） 8.809 10.500 11.440 角焊缝为全手工电弧焊，其焊接规范参数参见表中的“其余层”。 焊接注意事项： a. 气象管理

1）现场作业，氩弧焊时风速≥2m/s，手工电弧焊时风速≥8m/s应采取防风措施。 2）焊接电弧1米范围内的相对湿度＞90%，室外作业在下雨时应停止施焊。

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3）当母材表面潮湿，或下雨、刮风期间，焊工及焊件无保护措施时，不应进行焊接。 b. 焊工代号管理

1）参与本工程施工的焊工进行统一编号，代号一经确定，在施工过程中不再变动，一名人员离岗后，与其对应的代号即相应空缺。

2）焊工将本人焊口焊完后应进行清理，经自检合格后在焊缝附近用记号笔作上永久性标记。

c．为防止合金元素的氧化和烧损，降低焊接残余应力，避免产生晶间腐蚀，同时防止热裂纹的产生，在保证焊透和熔合良好的条件下，应适当选用小电流、短电弧、快焊速、窄焊道和多层多道焊工艺，并应控制层间温度不超过100℃.

d．打底前，先将接头缝隙用美纹纸封住，当内部充氩达到效果后，方可进行焊接。打底时氩气流量：外部为12L/min，内部为4 L/min。焊接完成后，将堵头拽出。

e．施焊过程中应保证起弧和收弧处的质量，收弧时应将弧坑填满。多层焊的层间接头应错开。

f．焊接时注意焊接顺序，尽量采用对称焊接。

g．焊后应仔细清理焊件表面的焊渣、焊瘤、飞溅物及其它污物。必要时应对焊缝进行局部修整。

h. 铁素体测量：为确保焊缝中铁素体的含量符合设计要求和规范规定，每焊完一层，我们用德国菲希尔公司生产的MP－30铁素体含量测定仪，对焊缝的铁素体含量进行测量，测定的铁素体含量均在45－55％之间，结果表明，焊缝的双相比例是合格的。 4.8外观检查

外观检查采用目视或4-10倍放大镜检查，检查率为100%。 焊缝外形和几何尺寸应符合设计规定。

焊缝及热影响区表面不得有裂纹、气孔、未焊透、未熔合、弧坑、夹渣、飞溅物等缺陷；因属于不锈钢，焊缝不允许有咬边。

对接焊缝的余高不超过3mm。角焊缝的焊脚尺寸应为组对接头中较薄件的厚度，焊缝与母材应圆滑过渡。 4.9酸洗钝化

焊缝表面清理后，对焊缝表面，应进行酸洗钝化。 4.10 内部质量检查

焊缝内部质量检测方法、比例及合格级别，执行设计文件规定。

对焊缝无损检验发现的缺陷，应分析原因消除缺陷后再进行补焊，并对补焊处用原

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规定的方法进行检验；焊缝返修应采用与正式焊接相同的焊接材料及工艺。返修后的焊缝应修磨成与原焊缝基本一致，并按原无损检测要求检验。当同一部位的返修次数超过两次时，应制订返修措施，并经焊接技术负责人审批后方可进行返修。对规定进行局部无损检验的焊缝，当发现不允许缺陷时，应进一步用原规定的方法进行扩大检验。

按建设单位要求，本工程采用超声波进行随机抽检，共检测4道焊缝，检测比例为25%，评定结果均为JB/T4730.3-2005 Ⅰ级，一次合格率100%。

为保证质量，按建设单位要求，本工程的焊接施工严格执行下列质量控制点表：

表4 质量控制点表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 控 制 点 焊接人员资格 焊接设备认可 焊接材料检查 焊接工艺评定 焊接技术交底 代号管理及材质标识检查 焊条烘烤、发放及回收 焊接环境监测 级别 A(R) B(R) A(R) A(R) A(R) B C(R) C(R) 序号 9 10 11 12 13 14 15 16 控 制 点 坡口检查 内部充氩装置安装检查 组对尺寸及焊前清理检查 焊接规范参数 铁素体检测 焊缝外观检查 焊缝酸洗钝化 焊缝内部质量检测 级别 C(R) C C(R) C(R) A(R) C(R) C A(R) 5．结论

本文分析了双相不锈钢2205的焊接性，通过焊接工艺评定，制定了焊接工艺，并将该工艺成功应用于广东河源电厂脱硫废水深度处理安装工程循环管的组焊中，效果良好。

本工程2205循环管焊缝共有24道，规格均为Φ600*12，其中对接焊缝20道，角焊缝4道。焊接过程中，用德国菲希尔进口MP-30铁素体测定仪对每道焊缝的每一层进行检测，所有焊缝铁素体测定值均在45-55%之间；经随机抽查4道焊缝作超声波检测，均符合JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》Ⅰ级标准，并经后续的水压试验检测，一次合格，甲方对此很满意，这也是我单位在该工地达到的第一个里程碑节点。实践表明，制定的2205双相钢的焊接工艺适当，焊接质量优良，既有力地保证了工期，又丰富了公司的焊接业绩，提升了公司的形象，并为继续承接该单位的其它同类工程打下了坚实的基础。

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