2205/2507雙相不銹鋼焊接方式（上）
雙相不銹鋼的應用日益廣泛，為了幫助用戶更好地認識、選擇、加工和應用這類不銹鋼，國際鉬協會出版了最新版的《雙相不銹鋼加工制造實用指南》，介紹了雙相不銹鋼的各種特性，并圍繞雙相不銹鋼應用的難點之一加工和焊接，給出了加工和焊接雙相不銹鋼的基本原則和實用信息。內容包括：雙相不銹鋼的特性和分類、發展歷程、化學成分、冶金學、耐腐蝕性能、力學性能、物理性能、如何提出技術要求、質量控制、切割、成形、焊接、應用等。因內容較多，將分若干次發布，歡迎關注！
20世紀80年代初以來，第二代雙相不銹鋼商品化取得很大進展。由于對氮控制相穩定的作用理解有限，早期的觀點集中在限制熱輸入方面。由于熱輸入的嚴格控制，許多更經濟、熔敷率更高的焊接方法， 如埋弧焊，被認為不適用于雙相不銹鋼。然而，雙相不銹鋼有令人滿意的性能，因此針對如何采用更經濟的工藝作了很多努力。結果是，除氧乙炔焊接因伴生焊縫的碳污染外，幾乎所有的焊接工藝現在均可用于雙相不銹鋼。
經濟型雙相不銹鋼建造的瀝青運輸船 © Outokumpu
氣體保護鎢極電弧焊 (GTAW/TIG) 
氣體保護鎢極電弧焊 (GTAW) 有時也叫做惰性氣體保護鎢極 (TIG) 焊，特別適用于短焊道手工焊。對于簡單的幾何形狀它可以自動操作，但作為大型設備大量焊接的主要方法一般是不經濟的。由于許多加工即使把另一種工藝作為主要焊接方法也需要一些GTA焊接，因此，對于維修和局部修整，對GTAW工藝進行評定通常是恰當的。
鎢極氬弧焊 © Sandvik
設備
GTAW最好采用恒定電流電源， 用高頻電路輔助起弧。GTA焊應采用直流正極性 (DCSP)，焊條為負極。使用直流反極性 (DCRP)會損壞電極。雙相不銹鋼的焊接可采用2％釷鎢 (AWS EW-Th2)、2%鈰鎢電極 (EW-Ce2) 或2%鑭鎢電極 (EWGLa2)。通過將電極研磨成頂角為30 到60度、錐點為小平面的錐形，幫助控制電弧。應通過實際生產中的一些試驗來確定GTAW自動焊確保焊透的理想頂角。
填充金屬
用于雙相不銹鋼焊接的填充金屬多數是“匹配”的，但相對于與之匹配的鍛軋產品，其鎳含量一般更高。通常鎳含量比鍛軋產品高約 2％– 4％。填充金屬中的氮含量一般略低于母材。普遍認為較高合金化的雙相不銹鋼填充金屬適用于焊接低合金化的雙相不銹鋼。采用“匹配”填充金屬焊接雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼 或碳鋼和合金鋼可以獲得令人滿意的結果。
保護
像所有的氣體保護焊接工藝一樣，采用GTAW時，必須保護焊接熔池免受空氣氧化和污染。通常采用惰性氣體，氬氣，純度為99.95％或更高的干燥焊接級氬氣實施這種保護。 重要的是氣體處理系統應清潔、 干燥和無泄漏，可調節流量以供應足量氣體，以及防止保護氣體紊流和吸入空氣。應在起弧前幾秒鐘啟動氣體，滅弧后再保持幾秒鐘，保持時間最好足夠長，以使焊縫和熱影響區冷卻到不銹鋼氧化溫度范圍以下。為保護焊條，使用常規氣體擴散網屏(氣篩 )時建議流速為 12 - 18l/min (0.4-0.6cfm)，使用常規噴嘴時要求流速為上述流速的一半。
焊縫背面用保護氣體 (也是純氬) 流速取決于焊縫根部體積，但應足以確保空氣完全排凈并使焊縫獲得完全的保護(以沒有回火色為準)。由于氬氣比空氣重，應從封閉體積的下部向上送氣，吹洗氬氣的用量最少為焊縫根部體積的7倍。
用純氬保護可得到滿意的焊接效果，但也有進一步改進的可能。添加高達3％的干燥氮氣有助于保留焊縫金屬的氮含量，尤其對于較高合金化的雙相不銹鋼而言。但發現加氮后增加了電極消耗，而加入氦可局部抵消這種影響。
應避免向保護氣體中加入氧氣和二氧化碳，因為它們會降低焊縫的耐蝕性。由于雙相不銹鋼中的鐵素體相可能產生氫脆或氫致開裂，所以在保護氣體和焊縫背面用保護氣體中不應當使用氫氣。
如果焊炬配有氣體輸送系統和水冷系統，則應對它們進行定期檢查， 以保證保存的氣體干燥、清潔。
技術和參數
對于雙相不銹鋼來說，坡口、對準、根部鈍邊和間隙準備的均勻一致特別重要。雖然奧氏體不銹鋼允許使用一些焊接技巧克服坡口準備的缺陷，但使用這些技巧卻使雙相不銹鋼有在相應溫度區間停留時間延長的危險。如果可能的話，不建議使用銅墊板，因為雙相不銹鋼對銅造成的表面污染敏感。
在焊接區外起弧會產生局部自熔焊焊點，冷卻速度很快，導致局部高鐵素體含量及耐蝕性的下降。為了避免產生這種問題，應在焊接接頭上起弧。
應采用完全的氣體保護進行定位焊。在根部焊道的起點不應當進行定位焊。理想情況下，為了避免定位焊引起的根部焊道開裂，根部焊道最好采用斷續焊且磨掉定位焊縫或在焊接根部前局部修磨定位焊縫。應仔細保持根部間隙寬度以確保根部焊道熱輸入和稀釋的一致。應在焊接填充焊道前研磨根部焊道的起點和終點。各焊接道次間，應允許工件冷卻到150℃(300℉)以下(對于標準雙相不銹鋼)和100℃ (210℉) 以下(對于超級雙相不銹鋼)，以便后續焊接中使熱影響區有足夠的時間冷卻。
用GTAW法焊接雙相不銹鋼時最常使用的填充金屬為鎳略高的 “匹配” 填充金屬。超級雙相不銹鋼填充金屬已成功用于焊接2205母材。一般使用的焊絲直徑為1.6、2.4和3.2mm (1/16、3/32和1/8英寸)。焊絲應當清潔、干燥，使用前應保存在有蓋容器內。在平焊位置進行焊接效果最佳。焊炬應保持盡可能接近垂直以使保護氣體中吸入的空氣量最少。
為滿足多種材料厚度和接頭設計要求，選擇熱輸入的靈活性很大。按下列公式計算，熱輸入一般在0.5 - 2.5kJ/mm (15-65kJ/英寸) 范圍內。
熱輸入(kJ/mm) = (V x A)/(S x 1000)
其中 V = 電壓 (伏特)， A = 電流 (安培)， S = 移動速度 (mm/s)
或
熱輸入(kJ/inch)=(VxAx 6)/(Sx 100)
其中 V = 電壓 (伏特)， A = 電流 (安培)， S = 移動速度 (in/min)
一般推薦的熱輸入：
2304或經濟型雙相不銹鋼：0.5 - 1.5 kJ/mm (15 - 38 kJ/in）
2205：0.5 - 2.5 kJ/mm (15 - 65 kJ/in)
2507：0.3 - 1.5 kJ/mm (8- 38 kJ/in)
采用GTAW焊接，如果有良好的氣體保護，并適當地控制在某些溫度的停留時間，則焊接的焊縫具有良好的韌性和耐蝕性。GTAW適用于各種場合的焊接。GTAW經常用來補充和完成采用其他焊接方法組裝的大型構件。對各類可能使用GTAW的情況進行焊接工藝評定是很重要的。
大口徑雙相不銹鋼跨境管道的機械化焊接
© Arco Exploration and Production Technology
氣體保護金屬極電弧焊（GMAW/MIG）
氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)有時稱為惰性氣體保護金屬極電弧焊 (MIG)，它特別適用于要求經濟地熔敷大量焊縫金屬的長焊道的焊接。對簡單形狀的結構可進行自動焊接。經常使用GMAW進行長焊道的焊接，隨后用GTAW進行補充以獲得復雜操作中的最佳控制。
2205雙相不銹鋼T形法蘭 © Arco Exploration and Production Technology
設備
GMAW需要專業設備，包括可變斜率和可變電感控制或具有產生脈沖電弧電流能力的恒壓電源。GMAW應采用直流反極性 (DCRP)，焊條為正極。GMAW可有三種電弧過渡方式。
短路過渡
這種方式需要單獨的斜率和二次電感控制，適用于焊接厚達約3毫米(1/8英寸)的材料。該方式使GMAW的熱輸入最低，且特別適用于薄規格軋材，薄斷面材料采用較高熱輸入時有變形的危險。它也可用于非正常位置的焊接。
脈沖電弧過渡
這種方式需要兩個電源提供兩級的輸出功率，由電源轉換提供脈沖。 在噴射過渡階段金屬過渡量大，而在顆粒狀熔滴過渡階段金屬過渡量少。 這種組合具有金屬熔敷速度較高但又限制了熱輸入的優點。
噴射過渡
這種方式熔敷速度高，電弧穩定，但熱輸入高。一般局限于平焊。 采用這種方式進行中等大小焊縫的長、直焊道的焊接是很經濟的。
填充金屬
GMAW使用的自耗電極為連續焊絲，由自動進料系統通過焊炬供絲。用GMAW法焊接雙相不銹鋼的填充金屬是鎳含量高的“匹配”成分，以達到所期望的焊態相平衡和性能。
保護
GMAW保護氣體的選擇比GTAW略復雜，且在很大程度上取決于金屬加工廠是依賴于已購混合氣體，還是具有現場混合氣體能力。GMAW的保護氣體從純氬到氬氣含量為80％并添加氦氣、氮氣、氧氣和二氧化碳，添加這些氣體來提高焊接構件的可焊性和成品性能。氣流速度取決于過渡方式、過渡速度和焊絲直徑，但對于直徑為1-1.6mm (0.035-0.063英寸)的焊絲 ， 氣流速度一般在12-16l/min(0.4-0.6cfm)。焊接過程中應避免焊絲過度伸出以保持其處于氣體保護狀態。和GTAW一樣，完好的氣體輸送系統很關鍵，應采取措施預防保護氣體吸入空氣。如果進行較長焊道的焊接，為了保證焊接質量，應從通風裝置開始進行氣體保護。保護氣體或焊縫背面保護氣體不應當使用氫氣，因為雙相不銹鋼中的鐵素體相有可能產生氫脆或氫致開裂。
技術和參數
表17匯總了短路電弧過渡和噴射電弧過渡的典型焊接參數。就像GTAW焊接雙相不銹鋼一 樣，GMAW要求良好且一致的坡口加工、對準和根部鈍邊或間隙。如果可能的話，應避免使用銅墊板，因為雙相不銹鋼對銅造成的表面污染敏感， 且銅墊板在某些情況下會導致冷卻過快。
表17 采用短路電弧過渡和噴射電弧過渡方式、不同焊絲尺寸進行雙相不銹鋼 氣體保護金屬極電弧焊 (GMAW) 的典型參數 (來源：Avesta Welding)
任何在焊接區以外起弧會產生自熔焊局部焊點，其冷卻速度很快，導致局部高鐵素體含量和耐蝕性的損失。為了避免產生問題，應在焊接接頭本身起弧。任何焊縫區外的起弧點均應采用精細打磨的方法去除。
應采用完全的氣體保護進行定位焊。在根部焊道的起點不應當進行定位焊。為了避免定位焊引起的根部焊道開裂，根部焊道最好采用斷續焊且磨掉定位焊縫，或在焊接根部前局部修磨定位焊縫。應仔細保持根部間隙寬度以確保根部焊道熱輸入和稀釋的一致。應在焊接填充金屬前研磨根部焊道的起點和終點。應允許工件在各道次間冷卻到150℃ (300°F) 以下以使后續焊道的熱影響區有足夠時間冷卻。
一般使用的焊絲直徑為1.0, 1.2 和1.6mm (1/32, 3/64和1/16英寸)。焊絲應清潔、干燥，使用前應保存在有蓋容器內。導管應保持清潔干燥。在平焊位置進行焊接效果最佳。焊炬應盡可能保持接近垂直以使吸入保護氣體中的空氣量最少。
阿拉斯加北坡的大直徑雙相不銹鋼管道的機械化焊接
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