双相不锈钢是由奥氏体和铁素体两相组成，当两相比例约为50％时，双相不锈钢将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使其兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点。
双相不锈钢2205由瑞典AvestaPolarit公司生产,商业牌号是2205CodePlusTow,已纳入ASTM和ASME的A240和A480中,UNS编号为S32205,属于第二代双相不锈钢。2205CodePlusTow与UNS编号为S31803的同种双相不锈钢2205有所不同,它提高了氮含量的下限,并通过有害金属相析出测试。2205CodePlusTow具有更高的强度、耐蚀性和焊后冶金稳定性,焊接接头易于获得平衡的两相组织,高氮含量更有效抑制有害金属相的析出,这对焊接是非常有利的。
自80年代初以来，中国开始深入探索一种性能卓越的不锈钢材料，名为00Cr22Ni5Mo3N，它在化学成分上与SAF2205相似，是一种独特的双相不锈钢，融合了铁素体与奥氏体的双重特性。这款材料以其显著的高强度著称，其屈服强度是普通奥氏体不锈钢的两倍之多，同时，它保持着优秀的塑性变形能力，确保了材料在加工过程中的灵活性。
00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢在低温环境下的冲击韧性表现尤为突出，这使其在极端条件下的应用成为可能。它对多种腐蚀形式，如应力腐蚀、晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀，展现出卓越的抵抗能力，这归功于其独特的微观结构和成分设计。与传统的奥氏体不锈钢相比，该材料的导热性能更佳，线膨胀系数更低，这些特性不仅优化了其热处理工艺，也提高了焊接性能，减少了热裂倾向。此外，00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢中的镍含量相对较低，这不仅降低了生产成本，而且使得该材料在市场上更具价格竞争力。这些优势使其在化工、石油能源、海洋工程等行业中大放异彩，成为这些领域中最受欢迎和广泛应用的双相不锈钢之一，展现了其在工业应用中的巨大潜力和广泛适用性。
在确保双相不锈钢焊接质量和性能的工艺中，焊接控制与焊后检测扮演着举足轻重的角色。为了达到这一目标，在焊接控制环节，必须对焊接参数实施精准管理，这包括焊接速度、电流强度以及电压水平，以维护焊接进程的平稳性并保证焊缝的一致性与质量。此外，精心挑选焊接技术和焊接材料同样不可小觑，因为它们直接关系到焊接接头的机械强度及抗腐蚀能力。
这一过程强调了参数控制的精确度与材料选择的重要性，两者相辅相成，共同决定着焊接结构的可靠性和使用寿命。通过对焊接速度、电流和电压的细致调控，可以有效防止焊接缺陷，比如裂纹、气孔和未熔合等，从而提高焊接接头的完整性和性能。同时，选择与母材相匹配的焊接材料，能够确保焊接区域与母材具有相似的力学性能和耐腐蚀性，进一步提升整个焊接结构的稳定性和耐久性。总之，双相不锈钢的焊接工艺需要综合考虑焊接参数的控制和材料的选用，通过科学合理的焊接方法，实现焊接接头的高强度和优异的耐腐蚀性能，确保焊接结构在复杂环境下的长期安全运行。
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(双相不锈钢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,见图1。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。
图1 2205DSS 板材典型显微组织
一. 双相不锈钢的性能特点
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连接较为合适,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。双相不锈钢2205的机械性能见表2。
二.双相不锈钢焊接性
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。由于有较高的氮含量,热影响区的单相铁素体化倾向较小,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
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。
三. 双相不锈钢焊接冶金
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。
1.相比例要求
双相不锈钢的焊接技术核心在于维持焊接接头中铁素体和奥氏体的平衡比例，这一平衡直接关系到材料的力学性能和抗腐蚀能力。理想的焊接接头应呈现出近乎等量的铁素体和奥氏体，这样的结构能够最大程度地复现母材的优异特性。特别是在2205型双相不锈钢中，铁素体含量的理想区间是围绕45%左右，这一比例能够确保材料的综合性能达到最优。一旦铁素体的含量偏离这一理想范围，无论是偏低（低于25%）还是偏高（超过75%），都会对材料的性能造成不利影响。铁素体含量过低会削弱材料的强度，并降低其抵抗应力腐蚀开裂的能力；而铁素体含量过高则会导致耐蚀性下降和冲击韧性降低，这两者都是材料性能的重要指标。因此，焊接过程中精确控制铁素体含量，保持其在理想范围内，是确保双相不锈钢焊接接头性能的关键。双相不锈钢焊接的挑战在于找到一个精细的平衡点，即通过控制焊接工艺参数，使得焊接接头中的铁素体和奥氏体比例接近50:50，尤其是对于2205型双相不锈钢，铁素体含量维持在45%左右，以确保焊接接头具有与母材相匹敌的力学性能和耐腐蚀性能，同时避免过低或过高的铁素体含量对材料性能的负面影响。
2.相比例影响因素
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、保护气体的影响。
2.1合金元素的影响
研究表明，母材中的氮元素扮演着至关重要的角色。它在确保焊接区域及热影响区形成充足的奥氏体组织方面效果显著。与镍相似，氮是促进奥氏体形成并扩大其存在的关键元素，但氮的这一能力远超镍。特别是在高温条件下，氮比镍更能有效地稳定奥氏体结构，防止焊接后出现单一铁素体相，同时还能抑制不利金属相的析出，从而提升焊接材料的综合性能。
在双相不锈钢的焊接工艺中，控制焊缝金属的微观结构对于确保材料的性能至关重要。当使用自熔焊或填充金属与母材成分相一致时，焊缝区的热循环会导致铁素体相的显著增加，有时甚至形成纯铁素体结构，这可能影响焊缝的机械性能和耐腐蚀性。为了有效控制铁素体的过量生成，现代焊接趋势倾向于采用以奥氏体为主要相的焊缝金属。实现这一目标的两种主要途径是增加镍含量或添加氮元素。通过在焊接材料中提升镍的比例，通常比母材高出2%至4%，可以促进奥氏体相的形成。例如，针对2205双相不锈钢的焊接，填充金属中的镍含量可以高达8%到10%。然而，使用含氮的填充材料被证明比单纯增加镍含量更有效。镍和氮都能促进奥氏体相的形成并增加其稳定性，但氮元素的加入不仅能够抑制金属间相的析出，还能够显著提高焊缝金属的强度和抗腐蚀性能。因此，在双相不锈钢的焊接中，合理添加氮元素是一种优化焊缝微观结构、提升材料整体性能的有效策略。这种做法通过精细调控焊缝金属中的相组成，不仅能够避免铁素体的过度生成，还能通过增强奥氏体相的稳定性，进一步提升焊接接头的综合性能。
对于双相不锈钢2205,钨极氩弧焊选用Sandvik22.8.3.L(ER2209)焊丝,焊条电弧焊选用Avesta2205AC/DC焊条是满足对焊接材料要求的。双相不锈钢2205及焊接材料在合金元素上的这些特点,为焊接工艺参数即焊接线能量的选择提供了一定的范围,这对焊接是非常有利的。
2.2. 热循环的影响
双相不锈钢的焊接工艺独具特色，关键在于焊接过程中的热循环能够显著影响焊接接头的微观结构，这一特性不仅体现在焊缝区域，也覆盖了热影响区。在焊接过程中，材料内部会发生相变，这直接关系到焊接接头的性能表现。为了优化这一过程，采用多层多道焊接技术被证明是有效的策略。这种技术的实施，使得后续焊接路径能够对先前的焊缝进行一种类似热处理的效果，促进焊缝金属中原本的铁素体相向奥氏体相转变，形成以奥氏体为主的复合相结构。与此同时，与焊缝相邻的热影响区内，奥氏体相的比例也会相应增加，这有助于细化铁素体晶粒，抑制碳化物和氮化物在晶界和晶内的析出，从而全面提升焊接接头的微观结构和整体性能，实现更优异的力学和耐腐蚀特性。
2.3 工艺参数的影响
焊接工艺参数，尤其是焊接线能量，对双相不锈钢的微观组织平衡至关重要。在高温状态下，双相不锈钢呈现为100%的铁素体结构。如果焊接时线能量设置过低，热影响区的冷却速率会异常加快，导致奥氏体相没有足够的时间形成，结果是铁素体相在室温下过量保留，这并非理想状态。相反，若线能量设置得过高，冷却过程变得过于缓慢，虽然能够促使奥氏体相的充分生成，但同时也会促使热影响区的铁素体晶粒异常长大，以及诸如σ相等有害金属化合物的析出，这些都会显著降低焊接接头的韧性，引发脆化问题。
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,并使用填充金属。
2.4 保护气体的影响
钨极氩弧焊时,可在氩气中加入2%氮气,防止焊缝表面因扩散而损失氮,有助于铁素体与奥氏体的平衡。
四. 双相不锈钢的焊接工艺
焊接工艺通常应规定出焊接线能量范围和最高的层间温度。通常建议线能量为110～215kJ/mm,层间温度控制在150℃以下。
通常不要求预热，在焊接之前，若工件潮湿或工件温度低于 5℃时应进行适当预热。也有在具有较大拘束和特别是厚壁结构制造，达到100℃的预热是有利的，进一步的有关预热方面的细节应进行咨询。氧乙炔火焰应不直接接触材料表面，不应出现过热点。
采用99.99％氩气惰性气体保护，进行手工钨极氩弧焊打底焊接包括如下工艺步骤：1）选用300型手工/氩弧焊机，电源极性为直流正接，熔池保护气体为99.99％ 氩气，流量为10-18升/分钟，背保护气体为99.99％氩气，氩弧焊丝为 AWSA5.9：ER2209，钨极为钍钨极 Φ2.4，ANSI/AWSA5.12-92，焊接位置为水平固定，壁厚为8-10毫米，接头形式为对接 V 型接口，坡口角度为60°±5°，钝边为0-1.5毫米，间隙为3-5毫 米；（2）将组对好的工件水平固定于焊架上，密封管口只留进出气口，管内通氩气作背保护气体 3-5分钟，气体流量为5-10升/分钟；（3）持证焊工进行打底焊接，电流为70-90安培，电压为11-13伏特，焊接速度为30-50毫米/ 分钟，继续通背保护气体。
在焊接工艺中，控制层间温度与焊接线能量是确保接头质量的关键。两者协同作用，直接影响冷却速率，进而影响接头的耐蚀性和冲击韧性。若层间温度或电弧能量过高，接头性能将受损。因此，平衡这两者至关重要，以确保接头性能达到最优。当焊接线能量超出适宜范围时，降低层间温度成为必要措施。焊接程序规范（Welding Procedure Specification, WPS）中应明确规定最大允许层间温度，通常这一温度应低于150℃。为监控层间温度，每次开始新焊道前及建议的暂停点，都应立即使用接触式热电偶进行测量。确保在重新焊接前，焊接区域的温度已降至层间温度以下。层间温度的监测不应只限于新焊道开始前，而应贯穿整个焊接过程的每个时间间隔，以实时掌握温度变化，确保焊接质量。
GTAW 焊接方法法通常被规定用于打底焊道 ,下表为推荐参数。
按照一般的指导，第二层冷焊道的要求采用比打底焊道更小的焊接线能量。第二层冷焊道超过表面的根部焊道如果需要应被修磨光滑，并且采用不锈钢刷擦。然而打磨几乎不要求。通常使用 GTAW焊接方法。像前面表述的那样层间温度必须控制，为了确保焊接熔池被拍击， 调节焊接熔池可能是必要。可以使焊缝熔池在侧壁上轻拍来获得达到拍击的目的。摆动必须减小到最小。在电弧线能量和接头坡口形式要求的范围内可以使用单道或分道焊接技术。
接头填充层为避免在重复加热过程中连续根部焊道的氧化，在管子和熔敷金属厚度达到 12mm 板单面焊施焊前时，应进行背面氩气保护。对于接头焊接时最初 5mm 的厚度焊道，应保持均匀的焊接顺序。在整个接头焊接过程中，应控制层间温度和线能量。
采用手工焊条电弧焊（SMAW）进行接头填充要求一个正确的焊条烘干工艺，特别是防吸潮保护。未开包装、真空容器包装的或从最小150℃度的保温箱中拿出来的焊条均可直接使用。在工作时，发放焊条数量应足够用于4到5小时生产消耗，从真空包装中取出的焊条发放数量应足够在8 到10小时之内生产消耗完，并且焊条在使用过程中应储存在保温筒中。无论如何应遵守焊接材料制造厂对于特殊类型焊接药皮使用说明要求。焊接技术应依照焊条控制，避免大的明显的摆动和较高的热输入，应避免接触引弧。焊条应在制造厂推荐的电流范围内操作，这些典型参数可参考表 6。
采用 GMAW 进行填充 Ф1.0 和 1.2mm 直径的焊丝可用于超级双相不锈钢的焊接。提倡采用最小的摆动和控制电弧能量多层多道焊层间焊道用于焊接接头的填充。Ar/He(CO2)混合气已经成功用于超级双相不锈钢的焊接。
用埋弧焊接方法进行接头填充埋弧焊，把高质量焊缝金属的快速熔敷和机械化焊接方法的高生产效率有效结合 起来，是一种非常切实可行的用于如下规格接头填充的焊接方法：1）材料厚度超过 15-20mm, 2）管和容器直径超过150mm， 3）可以采用平焊位置对环缝和纵焊缝进行焊接。
五.双相不锈钢与异种金属焊接
双相不锈钢能和其他双相不锈钢、奥氏体不锈钢和碳钢及低合金钢进行焊接。双相不锈钢的填充金属相对于母材具有更高的含镍量，是最普遍被用于双相不锈钢 与其他双相极金属焊接的填充材料。当与奥氏体不锈钢焊接时，具有低碳和一定钼的奥氏体填充金属将用于双相不锈钢 与奥氏体不锈钢的焊接；如 E309MoL/ER309Lmo;同样的填充金属或如 E309L/ER309L 普遍 用于连接双相不锈钢和低碳钢和低合金钢接头。双相钢与异种钢的焊接材料选择见下表 。
六.双相不锈钢性能评定
1. 焊接工艺评定
按NB47014进行焊接工艺评定,平均抗拉强度高达782MPa,塑性断裂在热影响区;4支侧弯试样无裂纹出现。
2.相比例评定
金相法观察到的组织形貌是白色奥氏体基体上分布有浅灰色条状、块状铁素体。经评估,焊缝铁素体含量约为30%;热影响区为50%～60%;母材为40%～45%。
七.双相体不锈钢金属间不良化合相的标准检测方法
奥氏体-铁素体双相体不锈钢金属间不良化合相的标准检测方法包括：
1 试验方法A—–氢氧化钠浸蚀试验，用于双相不锈钢浸蚀组织的分类。
2 试验方法B—–夏比冲击试验，用于双相钢组织的分类。
3 试验方法C—–氯化铁腐蚀试验，用于双相钢组织分类。
这些试验方法可对双相钢中存在的金属间化合相进行检测，判断存在的金属间化合相是否达到对材料的韧性及耐蚀性产生明显影响的程度。这些试验方法不一定能检测出由于其它原因而导致的材料韧性及耐蚀性的降低。
当双相（奥氏体-铁素体）不锈钢处于600~1750℉（320~955℃）温度区间，易生成金属间化合物。这些沉淀相的生成速度是由每一个单相的化学成分及热过程或热力学过程共同作用而决定的。这些相的存在对于材料的韧性和耐蚀性是不利的。对双相不锈钢进行适当的热处理可消除这些不良化合相。通过随后的热处理可使样品快速冷却，来最大程度地阻止不良化合相的形成。
八.双相不锈钢热处理
如有必要，可对双相不锈钢进行固溶处理。使用填充焊丝的Ni含量高，使得焊缝金属的Ni含量相应提高，金属间化合物有加速析出的可能，因此根据ASTM标准双相不锈钢焊后热处理程序推荐规范对焊接接头进行固溶处理，固溶温1070℃，保温30分钟，然后以大于25℃/s的冷却速度快速水冷。固溶之后对焊接接头进行力学性能、耐点腐蚀试验，并进行金相组织观察和铁素体与奥氏体相比例的测量。
九. 双相不锈钢小结
采用合适的焊接材料和焊接方法,控制适中的焊接线能量,是获得平衡的双相组织的关键,是焊接接头的力学性能和耐蚀性能得到保证的关键。
在焊后检测方面，主要进行外观检查、无损检测和力学性能测试。外观检查可以确保焊缝表面无裂纹、气孔等缺陷；无损检测则可以进一步检测焊缝内部的缺陷，如夹杂、未熔合等；力学性能测试则用于评估焊接接头的强度和韧性等性能。通过这些严格的控制和检测措施，可以确保双相不锈钢焊接接头的质量和性能满足使用要求。
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