S32101 经济型双相不锈钢焊接工艺研究

刘玉祥 森松（江苏）重工有限公司上海分公司 上海 201323

双相不锈钢已有近80 年的历史，早期第一代双相不锈钢虽然具有良好的性能，但在焊接状态下局限性较大，其焊接接头的热影响区铁素体过多而导致韧性低，同时耐腐蚀性明显低于母材。随着炼钢的精炼技术的发展和氩氧脱碳工艺的发明，氮作为合金元素的刻意添加，使其焊接接头的热影响区韧性、耐腐蚀性得到了明显的改善，发展出了第二代双相不锈钢[1]。第二代双相不锈钢根据化学成分的高低，又细分为经济型双相不锈钢（如S32101，S32304 等）、标准双相不锈钢(如S31803、S32205等)、超级双相不锈钢（如S32750、S32760 等）。S32101 双相不锈钢与S32304 双相不锈钢相比，其化学成分中的镍元素含量更低，而镍元素价格昂贵，其含量的降低，让S32101 双相不锈钢的经济性显得更为突出。近年来，S32101 双相不锈钢在化工行业的浓缩器、蒸发器，核电行业的结构模块，火电厂烟气脱硫设备、造纸工业设备、水处理设备上得到了大量的应用[2-4]。

1 S32101 材料介绍

1.1 化学成分及力学性能

S32101 双相不锈钢（后面简称S32101 双相钢）于2002 年由瑞典Avesta Polarit 公司（OutoKumpu公司）开发，企业牌号为LDX 2101[5]，后被纳入ASME 第II 分卷A 篇SA-240 标准中。SA-240 S32101 双相钢化学成分及力学性能见表1、表2。

双相钢与304L、316L 奥氏体不锈钢相比，其化学成分中镍的含量更低，S32101 双相钢与标准双相钢S32205 以及经济型双相钢S32304 相比，化学成分中的镍进一步降低，仅有1.35%~1.70%，镍元素的降低确保了S32101 双相钢的经济性。从表2 的力学性能对比中可以看出，S32101 双相钢比304L、316L 奥氏体不锈钢、S32304 及S32205 双相钢具有更高的强度，在相同的设计条件下，采用S32101 双相钢可减小设备壁厚，使设备更轻，可节约更多的成本。S32101 双相钢虽然降低了镍元素的含量，但提高了锰、氮元素的含量，使基体获得稳定的奥氏体组织，从而达到了两相平衡，同时，锰、氮元素的提高也对材料起到了一定的强化作用。

1.2 腐蚀性介绍

S32101 双相钢具有奥氏体、铁素体两相组织结构，铁素体组织使其具有出色的耐氯化物应力腐蚀的能力，奥氏体组织使其具有非常好的抗晶间腐蚀的能力。S32101 双相钢在硫酸中比304L 不锈钢具有更好的耐均匀腐蚀性能，在大多数无机酸及碱液环境中，耐腐蚀性与316L 不锈钢相接近，而在有机酸液中，S32101 双相钢的耐蚀性接近或超过S32205 双相钢[7-8]。根据抗点蚀指数PREN 公式[9]计算，S32101 双相钢抗点蚀指数约为26%，304L不锈钢约为19%，316L 不锈钢约为24%，S32205双相钢约为35%，S32101 抗点蚀能力高于304L、316L 不锈钢，低于S32205 双相钢。

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

1.3 焊接性能分析

由于存在奥氏体、铁素体两相组织结构，因此，双相钢对焊接冷裂纹、热裂纹均不具有敏感性。双相钢如何保证两相组织平衡是焊接的关键点之一，焊接线能量过高以及焊接道间温度过高，均会导致奥氏体组织偏高，焊接线能量过低又会导致铁素体组织偏高。双相钢等温析出曲线见图1。

图1 双相钢等温析出曲线（LDX2101 即S32101）

从图1 可以看出，与含钼较高的S32205、S32750双相钢相比，S32101 双相钢不容易产生Sigma 相，但当温度处于700℃左右时，停留时间约10 分钟，就会有碳化物、氮化物析出，当温度处于475℃左右时，不到5 分钟的时间便有Alpha 相析出。碳化物、氮化物、Alpha 相等有害相的析出，将会造成材料脆化，冲击韧性、塑性下降。从上述的分析中可以看出，为了获得奥氏体、铁素体平衡的两相组织，以及避免焊缝及热影响区出现有害相，焊接线能量既不能过大也不能过低，道间温度应控制在较低的范围内。

2 焊接试验

GTAW 焊接方法具有焊接质量高、操作灵活、受产品结构形式影响小的优点，SAW 焊接方法具有焊接效率高，焊接质量稳定，更适用于大壁厚设备的纵向及环向焊缝的焊接，故本文介绍的SA-240 S32101 双相钢焊接试验分别使用了GTAW和SAW 两种焊接方法。GTAW 方法焊接的试板编号为Y-1，SAW 方法焊接的试板编号为Y-2。

2.1 试验材料

试验材料采用国内钢厂生产的S32101 双相钢，试验材料板厚为16 mm，板材实际力学性能见表3。

表3 试验材料力学性能

2.2 焊接坡口

焊接过程中，由于焊接应力的作用，不可避免会产生焊接变形，为了减小试板的焊接变形，试板的坡口设计成双面坡口形式，具体的坡口形式见图2、图3。

图2 Y-1 试板坡口

图3 Y-2 试板坡口

为了保证焊接坡口精度与质量，坡口采用铣床机械加工。

2.3 焊接材料

到目前为止，S32304、S32205、S32750 等双相钢均有与各自化学成分、力学性能相匹配的焊材，但针对S32101 双相钢，国内、外焊材厂家均未曾开发出相对应化学成分的焊材。对于S32101 双相钢焊接所使用的焊材，按照AWS D10.18《铁素体—奥氏体双相不锈钢管和管道的焊接指南》标准中的表5 推荐，焊接采用2209 型焊接材料，也就是S32205 双相钢相匹配的焊材[10]。GTAW 焊接采用的氩弧焊丝型号为ER2209，SAW 焊接采用的埋弧焊丝型号为ER2209，埋弧焊剂按厂家匹配的焊剂。

2.4 试板的焊接

试板焊接前，采用丙酮对坡口及其两侧边缘25mm 的范围进行清洗，防止油污产生焊接气孔，影响焊接质量。试板组对时要保证根部间隙均匀一致，GTAW 根部间隙为3mm，SAW 根部间隙为0~1mm，组对点焊采用GTAW 方法。

GTAW 焊接时，正面及背面采用纯度为99.999%的氩气进行保护，并采用直线焊道焊接，禁止焊接过程有较大的摆动。SAW 焊接前，焊剂需要按照焊材厂家推荐的温度烘干，焊剂领用时，需要放在焊剂筒中。

试板焊接时，不进行预热，为了保证组织的两相平衡以及避免有害相析出，焊接过程中，道间温度严格控制在150℃以内，焊接线能量控制在10~15KJ/cm 的范围内，具体的焊接规范参数见表4。

表4 焊接规范参数

GTAW 正面焊接后，进行背面焊接，背面焊接不进行清根。SAW 正面焊接后，背面采用砂轮清根，清根后背面SAW 焊接。

2.5 无损检测

试板焊接后，按照ASME V 标准对Y-1、Y-2焊接试板进行100%渗透检测以及100%射线检测。渗透检测后未发现表面缺陷，射线检测后，试板内部未发现裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷，渗透检测及射线检测结果分别满足ASME VIII-1 标准APP.8 和UW-51 的要求。

3 试验结果与分析

Y-1、Y-2 试板按照ASME IX《焊接、钎接和粘接评定》标准进行拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验，同时又增加了铁素体、硬度、宏观金相、显微组织、腐蚀等试验。

3.1 拉伸与弯曲试验

按照ASME IX 标准对Y-1、Y-2 每块试板取2 个横向拉伸试样、4 个侧向弯曲试样。拉伸试验、侧向弯曲试验取样要求分别满足ASME IX 卷QW462.1（a）与QW-462.2 要求，在万能拉伸试验机上进行试验，试验结果如见5、表6。

从表5 的拉伸试验结果来看，抗拉强度值均大于S32101 母材标准的下限值650MPa，满足ASME IX 标准中QW-193 要求的合格指标。从表6 弯曲结果来看，焊接接头经过弯曲变形后，焊接接头表面没有任何开裂，证明焊接接头具有良好的致密性和塑性，进一步表明焊缝内部没有缺陷。拉伸、弯曲试验的合格，说明S32101 双相不锈钢采用2209 型焊材焊接，可以得到满足强度与塑性要求的焊接接头。

表5 拉伸试验结果

表6 侧向弯曲试验结果

3.2 冲击与铁素体试验

按照ASME VIII-1 标准 UG 84 要求的位置进行冲击取样，根据最低设计金属温度，进行-20℃冲击试验，试验结果见表7。

表7 冲击试验结果

按ASTM E562《用系统人工点计数法测定体积分数的试验方法》标准进行铁素体检测，检测结果见表8。

表8 铁素体试验结果

从表7 的冲击结果可以看出，焊缝和热影响区的冲击功均大于要求的34J，侧向膨胀量均大于0.38 mm，表8 数据中的铁素体均满足通常要求30%~65%的范围。由于焊接材料选择2209 型焊材，焊缝金属中的镍元素含量高，镍为奥氏体化元素，镍元素扩大了组织中的奥氏体相区，因此，焊缝的铁素体含量低于焊接热影响区，同时，由于奥氏体相的增多，使焊缝金属具有更优异的冲击韧性，因此，焊缝的冲击功均高于焊接热影响区。受电弧热输入的作用，热影响区的母材组织进一步长大，导致热影响区的冲击性能下降，因此，相对于表3 母材的冲击功，热影响区的冲击功也有一定程度的下降。

3.3 宏观金相试验

按照ASTM E340《金属和合金宏观腐蚀的标准实施规程》标准对Y-1、Y-2 试板进行了宏观金相试验。对Y-1、Y-2 试板取焊缝截面试样，经打磨抛光后，采用王水溶液进行浸蚀，宏观金相试样在电子显微镜下10 倍放大观察，焊缝金属与母材熔合良好，无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，宏观金相试样照片见图4、图5。

图4 Y-1 宏观照片

图5 Y-2 宏观照片

图6 Y-1 焊缝显微组织

图7 Y-1 热影响区显微组织

图8 Y-2 焊缝显微组织

宏观金相试验的合格，表明S32101 双相钢采用2209 型焊材焊接，选择GTAW 和SAW 焊接方法，其焊接质量稳定可靠。

3.4 硬度试验

按照ISO9015-1《金属材料焊接的破坏性试验—硬度试验》标准对Y-1、Y-2 试板进行硬度试验，试验结果见表9。

表9 硬度试验结果(HV10)

表9 的硬度数据中，硬度值均小于310HV10，满足工程技术规范的硬度指标要求。

3.5 显微组织

按照ASTM E407-07e1《金属和合金微蚀的标准操作规程》标准对Y-1、Y-2 试板焊缝、热影响区进行显微组织试验。试样抛光后，经氢氧化钠水溶液电解，在高倍显微镜下500 倍放大观察，焊缝和焊接热影响区的显微组织为奥氏体+铁素体组织，显微组织中未见显微裂纹缺陷以及碳化物、氮化物、Alpha 相等有害相，焊缝、热影响区的显微组织见6~图9。

图9 Y-2 热影响区显微组织

3.6 腐蚀试验

对奥氏体、铁素体双相钢金属间有害相，除了通过显微组织试验观察外，还可以通过腐蚀试验的方法来验证。焊缝及热影响区如产生了有害相，耐腐蚀性将明显下降。对S32205、S32750 双相钢，按照ASTM 923 标准中的C 法—氯化铁溶液进行腐蚀试验，对于镍含量低于S32205、S32750 的S32101 经济型双相钢，采用ASTM A1084《经济型双相奥氏体铁素体不锈钢有害相检测方法》标准中方法C 进行腐蚀试验更为合适[11]。对Y-1、Y-2试板取样、抛光后，按照ASTM 1084 标准中的C 法，将腐蚀试样置于25℃恒温的三氯化铁-硝酸钠溶液中腐蚀24 h 后，取出清洁称重，经计算，Y-1、Y-2腐蚀试样的腐蚀率分别为2.4 mdd、3.4 mdd，满足标准中≤10 mdd 的要求。腐蚀试验的合格，也证明了焊缝和热影响区中没有有害相析出。

4 结语

（1）对S32101 双相钢采用GTAW、SAW 焊接方法焊接，焊接材料采用2209 型焊材，可获得良好的拉伸、弯曲、冲击等力学性能，选择2209 型焊材的焊缝金属，其冲击性能优于焊接热影响区。合理的控制焊接线能量，可获得奥氏体、铁素体平衡的两相组织，焊缝及焊接热影响区的显微组织中未见有害相析出，且保证焊接接头具有良好的耐腐蚀性。焊缝、焊接热影响区的硬度值均可以满足工程规范的要求。

（2）无损检测及宏观金相试验的合格，证明S32101 双相钢GTAW 和SAW 焊接方法的焊接工艺可靠，可获得良好质量的焊接接头。

（3）S32101 双相钢具有较高的经济性，国外已经形成成熟的规范标准，并在国外压力容器行业中得到了推广使用。目前国内的钢厂对S32101 双相钢具有成熟的坯料冶炼、轧制生产工艺，板材质量稳定，国内应形成自己的板材标准规范及设计规范，提高国内压力容器设计制造的经济性。