Сварка дуплексной нержавеющей стали — высокотехнологичная тема. Из-за её уникальной двухфазной (феррит + аустенит) микроструктуры сварка требует особого внимания для сохранения её превосходных механических свойств и коррозионной стойкости.

一. Основная цель: поддержание фазового баланса

Преимущества дуплексной нержавеющей стали обусловлены фазовым балансом, составляющим примерно 50% феррита (α) и 50% аустенита (γ). Процесс сварки, представляющий собой быстрый цикл нагрева и охлаждения, может нарушить этот баланс, что приведёт к:
① Чрезмерному охлаждению: избыточному содержанию феррита в металле шва и зоне термического влияния (ЗТВ). Это может привести к:
▶ Снижению ударной вязкости
▶ Снижению коррозионной стойкости (особенно стойкости к хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением)
② Чрезмерно медленное охлаждение или длительное пребывание в определённом температурном диапазоне:
▶ Выделению хрупких фаз, таких как σ-фаза, χ-фаза, α’-фаза (хрупкая при 475 °C) и нитриды. Эти выделения могут значительно снизить ударную вязкость и коррозионную стойкость.

Поэтому конечной целью всех сварочных процессов является контроль тепловложения и межпроходной температуры для обеспечения достаточного образования аустенита в металле шва и зоне термического влияния при охлаждении, предотвращая при этом выделение вредных фаз.

I二. Основные методы сварки

1. Выбор сварочного материала:

Принцип: Выбирайте сварочные материалы с более высоким содержанием легирующих элементов (особенно никеля и азота) по сравнению с основным металлом.

① Причина: Легирующие элементы (например, азот) выгорают во время сварки, а быстрое охлаждение препятствует образованию аустенита. Более высокое содержание аустенитообразующих элементов (Ni, N) способствует достаточному выделению аустенита в металле шва при охлаждении, тем самым балансируя соотношение фаз.

② Распространенные соответствия:
▶ Сварка стали 2205 (S32205/S31803): обычно используется проволока/электрод ER2209.
▶ Сварка супердуплексных сталей (например, S32750): используется проволока/электрод ER2594.

▶ Сварка экономичных дуплексных сталей (например, S32101/S32304): используйте ER2209 или специализированные сварочные материалы.

2. Контроль погонной энергии: погонная энергия должна находиться в «подходящем диапазоне», не слишком высокая и не слишком низкая.
① Слишком низкая тепловложение:
▶ Слишком быстрое охлаждение препятствует выделению аустенита, что приводит к чрезмерно высокому содержанию феррита.
② Слишком высокая тепловложение:
▶ Слишком медленное охлаждение приводит к образованию слишком крупного зерна в зоне термического влияния (ЗТВ), и сталь имеет тенденцию оставаться в диапазоне температур, чувствительных к выделению (например, 600–1000 °C), в течение длительного времени, образуя вредные фазы, такие как σ-фаза.
③ Рекомендуемый диапазон: Обычно регулируется в диапазоне от 0,5 до 2,5 кДж/мм. Конкретные рекомендуемые значения следует уточнять у поставщиков основного материала и сварочных материалов.
④ Формула расчета: Погонная энергия (кДж/мм) = (Ток I x Напряжение V x 60) / (Скорость сварки, мм/с x 1000)

3. Контроль температуры между проходами: Это один из важнейших параметров сварки дуплексной стали, требующий самого строгого контроля.

① Требования: Должна строго контролироваться, обычно ≤ 100 °C (для стандартной дуплексной стали); для супердуплексной стали требования еще более строгие, иногда ≤ 80 °C.

② Причина: Чрезмерно высокая температура между проходами эквивалентна высокотемпературной термообработке предыдущего сварочного прохода, что может способствовать выделению вредных фаз и укрупнению зерна. Это также приводит к кумулятивному эффекту погонной энергии в последующих сварочных проходах, замедляя остывание.

③ Действие: Во время сварки необходимо постоянно контролировать температуру заготовки с помощью термометра (например, термометра-ручки или инфракрасного термометра), чтобы убедиться, что она остыла ниже заданной температуры перед выполнением следующего сварочного прохода.

4. Защитный газ:
① Сварка TIG/MIG: в качестве защитного газа обычно используется чистый аргон (Ar).

② Для корневого прохода: для улучшения формирования корневого прохода и аустенизации можно добавить в аргон около 2% азота (N₂). Это компенсирует выгорание азота и способствует образованию аустенита.
③ Примечание: смеси чистого аргона и водорода, как правило, не рекомендуются, поскольку водород может привести к образованию пористости и водородной хрупкости.

5. Предварительный и последующий нагрев:
① Предварительный нагрев: как правило, не требуется. Если температура заготовки не ниже 0°C, допускается небольшой предварительный подогрев до 15–25°C для предотвращения попадания влаги. Высокотемпературный предварительный подогрев вреден.
② Последующий нагрев: Послесварочная термическая обработка (PWHT) не рекомендуется. Это связано с тем, что стандартная температура снятия напряжений (~580–600°C) находится в диапазоне температур, чувствительных к выделению σ-фазы, что может существенно ухудшить свойства.
③ Исключением является только случай, когда подтверждено выделение σ-фазы. В этом случае требуется отжиг в растворе (закалка в воде при температуре около 1040–1100°C), но обычно это выполняется на заводе-изготовителе, а не на месте.

三. Распространенные методы сварки: Для дуплексной нержавеющей стали могут использоваться практически все методы дуговой сварки, но необходимо соблюдать указанные выше ключевые моменты.

1. Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG/GTAW):
▶Применение: Предпочтительный метод для корневых проходов, тонких пластин и ответственных сварных швов. Требуются высокая точность управления и превосходное качество.
▶Требования: Обеспечьте хорошую газовую защиту, предпочтительно используйте аргон или смесь аргона и азота для корневого прохода.
2. Сварка в среде инертного газа (MIG/GMAW):
▶Применение: Заполняющая и облицовочная сварка, высокая эффективность.
▶Режим: Импульсный MIG рекомендуется для лучшего контроля тепловложения и уменьшения разбрызгивания.
3. Дуговая сварка стержневым электродом (SMAW):
▶Применение: Монтаж на месте и в труднодоступных местах.
▶Требования: Используйте основной электрод, поддерживайте строго короткую дугу и контролируйте энергию дуги. Требуется высокая квалификация сварщика.

4. Сварка под флюсом (SAW):
▶ Применение: Продольные и кольцевые швы толстостенных материалов, высокая эффективность.
▶ Требования: Необходимо использовать нейтральный флюс для предотвращения выгорания легирующих элементов. Необходимо строго контролировать погонную энергию и межпроходную температуру.

四. Квалификация сварочной процедуры: Перед началом производственной сварки необходимо провести квалификацию сварочной процедуры (WPQ) для разработки квалифицированной спецификации сварочной процедуры (WPS). Квалификационные испытания должны включать как минимум:

① Неразрушающий контроль (НК): рентгенография (RT) или ультразвуковой контроль (UT).
② Разрушающий контроль:
▶ Макрометаллография: Проверка формирования сварного шва, сплавления и дефектов.
▶ Микрометаллография: Это обязательная проверка! Необходимо оценить содержание феррита в металле шва (МС) и зоне термического влияния (ЗТВ), обычно от 30 до 60% (оптимально от 35 до 55%). Также следует проверить наличие вредных выделений, таких как сигма-фаза.
③ Испытания механических свойств: прочность на растяжение, изгиб и ударная вязкость (обычно требуются испытания на удар по Шарпи  при -40°C или -50°C).
④ Испытания на коррозионную стойкость: для ответственных компонентов необходимо провести испытания на стойкость к питтинговой коррозии (например, по методу A ASTM G48), чтобы убедиться в соответствии коррозионной стойкости стандартам.

五. Краткое описание: Практическая работа
1. Подготовка: Выберите подходящие и совместимые сварочные материалы; тщательно очистите канавку и обе ее стороны от масла, грязи, воды и оксидов.
2. Газ: используйте чистый аргон в качестве защитного слоя; для ответственных корневых проходов рекомендуется использовать смесь Ar + 2% N₂.

3. Контроль: Строго соблюдайте требования технологической карты сварки (WPS), контролируя тепловложение и межпроходную температуру (≤100 °C).

4. Методы сварки: Используйте низкий ток и относительно высокую скорость сварки, чтобы избежать значительных колебаний.

5. Мониторинг: Постоянно измеряйте межпроходную температуру с помощью термопистолета.

6. Инспекция: Проводите неразрушающий контроль (НК) в соответствии со стандартами после сварки, а также при необходимости металлографические и коррозионные исследования.

Наконец, следует подчеркнуть, что успех сварки дуплексной нержавеющей стали во многом зависит от строгих технологических требований и строгого соблюдения требований сварщиками/операторами. Перед началом любого важного проекта обязательно проведите оценку процесса и проконсультируйтесь с поставщиком материалов.