双相不锈钢的焊接
双相不锈钢具有很强的耐腐蚀性，以及较高的强度和韧性，在海洋工程、化学及发电等行业得到越来越广泛的应用。自从20 世纪30 年代早期双相不锈钢发明以来，该材料的焊接一直是比较关注的课题。现代的双相不锈钢由于采用氮合金化等技术，焊接性能有很大改善，但与普通奥氏体不锈钢焊接相比还有许多问题，被公认为是难焊接的材料。从国内外的研究来看，最为突出的问题是热循环对焊接接头微观组织及其塑韧性和抗腐蚀性的影响，如何高效地完成其焊接任务，保证焊接接头的使用性能，是焊接研究工作需要解决的问题。
1 、双相不锈钢的焊接性和焊接特点
1.1 双相不锈钢的焊接性
双相不锈钢中的C、S、P 等杂质元素含量较低，因而其焊接热裂纹、冷裂纹敏感性低，但焊接时多次的热循环会导致其焊缝和热影响区难以保持合适的相比例，脆化和敏化倾向性大及需要焊后热处理而限制了其使用。焊接工艺参数对焊缝及热影响区的组织有很大的影响，合适的焊接工艺参数和一定的技术措施相结合能够保证焊缝及热影响区的组织和性能。
双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性能取决于其能否保持适当的铁素体+ 奥氏体双相组织。过去的研究建立了许多预测相比例的公式, 较有代表性的是WRC21992 图，但都未考虑冷却速度对相比例的影响，预测结果与实际测定值有很大的出入。Vitek 等人利用神经网络结构模型,通过大量的试验建立了包含冷却速度这一重要因素的预测相比例的公式，预测结果与实际测定值能很好的吻合，但这种模型不考虑合金相变过程也存在一定的弊端。而Kim Yoon Jun 等人从理论入手借助于热力学、相变动力学和扩散等经典理论来研究冷却速率对CD3MN 和CD3MWCuN 组织转变的影响，得到了与试验测定结果有很好一致性的数学模型。作为评价焊接可靠性的一个重要指标，准确的预测相比例含量将在今后一段时间内作为研究重点受到越来越多的关注。
近年来有部分学者通过成分来研究双相钢的焊接性，研究的重点在Mo、Si、N、RE 等合金化元素。研究认为Si (Si<3%)含量的增加能有效提高抗腐蚀性能，N 含量的增加通过改变奥氏体在焊缝金属中的比例来提高耐腐蚀性能。从现有的研究结果来看，焊缝金属中两相比例为1∶1 时，能得到最好的力学和耐腐蚀性能匹配，焊接性最好、焊缝可靠性最高。
1.2 双相不锈钢的焊接特点
由于双相不锈钢特殊的合金成分和相结构，其焊接性兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，并克服了二者的不足。双相不锈钢的主要焊接特点如下：
（1） 双相组织的形成，阻止了奥氏体晶粒的长大，打乱了柱状晶的方向性，增加了晶界面积。同时，铁素体相可以降低相间的界面能，使残余的低熔点液相接触角增大，阻碍其润湿展开，并且可溶解较多的S 和P。因此，对热裂纹的敏感性要比奥氏体不锈钢小得多。
（2） 对冷裂纹的敏感性比一般的低合金高强钢也小得多。
（3） 双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝，而是在热影响区，热影响区的组织主要取决于合金成分以及焊接热循环。
（4） 双相不锈钢含有较多的合金元素，焊接过程易产生金属间相、碳氮化合物。这些相或化合物的产生均会影响焊接接头的力学和耐腐蚀性能，其中脆性相σ 是最危险的一种。
（5） 双相不锈钢含有近50%的铁素体，保持了铁素体不锈钢475℃脆性及导热系数高等特点，但不如铁素体不锈钢那样明显。
（6） 双相不锈钢焊接的关键是要在接头中保持理想的双相比例，尤其是要保持热影响区的相比例；对于焊缝金属区，使奥氏体的含量占优是双相不锈钢焊接发展的趋势。
（7） 双相不锈钢的焊接，一般焊前不需要预热，焊后不需要热处理。
2、 双相不锈钢的焊接材料和焊接方法
双相不锈钢的种类很多，但工程上应用最多的是SAF2205(00Cr22Ni5Mo3N)钢，约占80%，超级双相不锈钢SAF2507 (00Cr25Ni7Mo4N)约占13%，因此配套的焊接材料并不多，实际上工程应用较多的是异种钢焊接，根据实际情况选用，见表1：
表1 双相钢及异种金属焊接材料
双相不锈钢因受其自身冶金特性的制约，选择焊接方法时应遵循以下原则：①避免使用过低或过高的焊接线能量；②适宜使用多层焊；③避免使用热处理；④经济性。其常用的焊接方法主要有手工电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)和等离子焊(PAW)等，埋弧焊最近也有少量使用。焊接时，要根据工件的特点和使用要求选用不同的焊接方法，对影响焊缝和热影响区双相比例的化学元素的含量和冷却速度加以控制，防止裂纹的产生。在保证焊缝强度的同时，使焊缝与母材的耐腐蚀性能尽量相同。
3、双相不锈钢的焊接缺陷
同普通金属材料焊接一样，双相不锈钢焊接过程中同样存在一定的焊接缺陷，比如容易产生裂纹和脆化倾向。这主要表现在：
（1） 焊接热输入太大，焊缝热影响区范围增大，金相组织中晶粒趋于粗大、紊乱，易造成脆化，致使焊接接头塑性下降。焊接热输入太小，易造成淬硬组织及产生裂纹，对HAZ 的冲击韧度同样不利。
（2） 基材和焊缝金属的再热过程中，易析出σ 相。脆性开裂都发生于σ 相以及基体与σ 相的界面，焊缝金属的σ 相脆化倾向比基材大得多。
（3） 氢脆发生于α 相，且氢脆的敏感性随峰值温度的升高而增加。微观组织的变化为：峰值温度增加，γ 相减少，α 相增加， 以及 α 相边界和内部析出的Cr2N 增加。
有研究表明，奥氏体由于其固有的低氢脆敏感性，起到了阻挡裂纹扩展的作用。含N 量较低钢的点蚀电位对冷却速度很敏感，在焊接含N 量较低的双相不锈钢时对冷却速度的控制要求很严。
4、双相不锈钢焊接接头的耐蚀性
焊接过程固有的局部加热、冷却的热循环作用以及材料本身的膨胀、收缩现象，造成焊接接头区域的性能与原始材料的性能存在着显著的差异，特别是耐蚀性能严重恶化。因此，研究焊接对双相不锈钢
耐蚀性能的影响具有重要的实际意义，国内外研究人员从不同的角度，采用了不同的测试方法，对其焊接接头的耐蚀性能进行了研究，得到许多相关的研究成果。
4.1 焊接接头组织成分对焊接接头耐蚀性的影响
双相不锈钢焊接时，要经历多次热循环作用，虽然该过程变化很快且历时短暂，但往往会导致接头热影响区以及焊缝金属区中的相比例和相分布状态发生变化，从而影响到整个焊接接头的耐蚀性能。此外，接头在冷却过程中易形成碳或氮的化合物，从而造成焊缝金属周围形成贫钝化元素区，严重影响到接头的耐腐蚀性。双相不锈钢接头的耐蚀性，主要取决于钝化元素的含量及在两相中的分配，如两相在一定条件的介质中均产生钝化，便可避免发生相选择性腐蚀。因此，在焊接过程中应控制适宜的两相比例，促进两相平衡，防止σ 相聚集长大，将有利于提高双相不锈钢接头的耐蚀性。
通过研究焊接金属中的二次相析出及对双相不锈钢焊管性能的影响研究表明，焊缝金属和热影响区都有可能产生有害的金属间化合物，特别是在焊缝影响区的析出，对钢管的抗蚀性影响十分严重。采用热模拟法模拟焊接热过程，研究了 SAF2205 双相不锈钢的模拟焊接粗晶区的耐点蚀性能和金相组织的关系。分析认为冷却时间对材料组织及点蚀性能有较大的影响，随着冷却时间的增加，铁素体含量减少，奥氏体含量增加，模拟HAZ的点蚀率和点蚀相对面积降低，但仍大于母材，而最大点蚀深度增大，但低于母材。
4.2 焊接工艺对焊接接头耐蚀性的影响
焊接工艺固有的局部快速升温和冷却过程，使焊缝和热影响区产生与母材相异的组织，恶化了耐蚀性能。因此，许多人从焊接工艺对双相不锈钢焊接接头耐蚀性的影响方面进行了研究。陈建俊等对双相不锈钢UNS S32760 的焊接性进行试验研究，从化学成分和显微组织方面对焊接接头性能变化的原因进行了分析，通过选用合适的焊接方法和材料及制定严格的工艺措施来保证焊缝的良好性能。实验得出，采用焊接线能量在0.2～1.5 kJ／mm、焊前不预热、层间温度控制在不大于150 ℃、焊后不进行热处理、盖面层加焊退火焊、RT 合格后磨去的焊接工艺，可以使材料具有较好的耐晶间腐蚀性。
Liou 等研究了双相不锈钢焊接接头热影响区对40%CaCl2 水溶液的耐应力腐蚀性能(试验温度为100 ℃)。结果发现，热影响区中奥氏体相含量的增加能有效提高接头热影响区的耐应力腐蚀性能；与此同时，提高接头热影响区中的氮含量和降低冷却速度也能起到同样的作用。杨松祥 通过研究UNSS32760 制作海上石油平台压缩机油气分离罐的焊接工艺，提出了采用相匹配的填充金属、氩、氮混合保护气体以及控制较低的热输入量是确保焊接接头低温冲击韧性和抗H2S、氯离子应力腐蚀性能的关键措施。实验得出，双相不锈钢(包括超级双相不锈钢)，限制焊接热输入与层间温度，并采取多层焊是提高其焊接接头冲击性能和耐蚀性能的有效方法。
随着化学工业、能源工业及海洋工程的发展，在世界范围内对不锈钢的需求不仅在产量方面迅速增加，而且在耐腐蚀性能方面也在不断提高，尤其对不锈钢焊接接头在含氯离子(如海水)介质中抗点蚀能力的要求越来越高，因而如何通过控制焊接工艺参数来提高双相不锈钢焊接接头抗点蚀性能成为众多学者研究的重点。
屈金山等根据母材临界点蚀温度（CPT）的试验结果，利用小试样的腐蚀实验方法研究了双相不锈钢焊接接头的耐点蚀性能。结果表明，手工电弧焊工艺过程对双相不锈钢材料的耐点蚀性能具有显著的影响，点蚀优先发生在焊缝金属或焊接热影响区中。
刘庆忠等 对SAF2205 双相不锈钢进行了STT 充氮保护焊接试验，研究了主要的焊接参数，特别是热输入量和保护气体对焊缝金属的金相组织、冲击韧性的影响，同时进行了点蚀实验。实验得出，充氮保护完全可提高焊缝中奥氏体的含量，有利于提高焊缝的耐点蚀性能。胡礼木对瑞典产五种双相不锈钢和超级双相不锈钢钢筋电阻对焊接头的抗点蚀性能进行了研究，发现双相不锈钢电阻对焊接头的抗点蚀性能与对应母材相比CPT 有一定程度下降，下降范围在10 ℃以内；超级双相不锈钢电阻对焊接头的抗点蚀性能几乎与母材的相同，CPT 高达65～68 ℃，且热影响区窄，晶粒长大倾向小，表现出极好的抗点蚀性和焊接性。
双相不锈钢的实用化已有20 多年的历史，尤其是当代超低C 含N 双相不锈钢克服了焊接方面的一些问题，结合双相不锈钢所具有的耐局部腐蚀和综合力学性能好的一些优点，进一步扩大了双相不锈钢在一些苛刻介质中的应用领域。针对双相不锈钢特殊的应用场合，要求其焊接技术的发展应与其大规模工业应用同步。目前双相不锈钢的焊接研究主要集中在对焊接热循环的控制，但是保护气体中氮气的加入带来的影响也不容忽视，混合气体对双相不锈钢焊接工艺以及获得接头组织和性能的影响，也将是焊接研究的重点。
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