1、铁素体不锈钢的焊接铁素体不锈钢的焊接 4.3 铁素体不锈钢的焊接铁素体不锈钢的焊接 铁素体不锈钢的焊接特点铁素体不锈钢的焊接特点n分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢两大类，分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢两大类，钢中的铁素体化元素（钢中的铁素体化元素（Cr、Mo、Al或或Ti等）较多，奥等）较多，奥氏体化元素（氏体化元素（C、Ni、Mn等）含量较低。等）含量较低。n铁素体不锈钢成本低，抗氧化性好，尤其是抗应力腐铁素体不锈钢成本低，抗氧化性好，尤其是抗应力腐蚀开裂性能强于奥氏体不锈钢。蚀开裂性能强于奥氏体不锈钢。n加热过程中始终是铁素体组织，在焊后冷却过程中不加热过程中始终是铁素体组织
2、，在焊后冷却过程中不出现奥氏体向马氏体转变的淬硬现象，但出现奥氏体向马氏体转变的淬硬现象，但HAZ由于高由于高温而促成铁素体晶粒粗大，降低接头的韧性，焊接性温而促成铁素体晶粒粗大，降低接头的韧性，焊接性较差。较差。n随着真空和保护气氛精练技术的发展，已生产出间隙随着真空和保护气氛精练技术的发展，已生产出间隙元素元素(C+N)含量极低、焊接性良好的超纯铁素体不锈含量极低、焊接性良好的超纯铁素体不锈钢并得到应用。钢并得到应用。 4.3.1 铁素体不锈钢的焊接性分析铁素体不锈钢的焊接性分析 1. 焊接接头晶间腐蚀焊接接头晶间腐蚀 (1) 高铬铁素体不锈钢高铬铁素体不锈钢n与奥氏体不锈钢相比，高铬铁素
3、体不锈钢加热到与奥氏体不锈钢相比，高铬铁素体不锈钢加热到950以上冷却后，将产生敏化腐蚀，而在以上冷却后，将产生敏化腐蚀，而在700850短时短时保温退火处理，耐蚀性可恢复。保温退火处理，耐蚀性可恢复。n由由1100水淬或空冷都产生严重腐蚀。因此高铬铁素水淬或空冷都产生严重腐蚀。因此高铬铁素体不锈钢体不锈钢HAZ，由于受到热循环高温作用产生敏化，在，由于受到热循环高温作用产生敏化，在强氧化性酸中产生晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的位置在邻强氧化性酸中产生晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的位置在邻近焊缝的高温区。近焊缝的高温区。 (2) 超纯铁素体不锈钢超纯铁素体不锈钢nC+N总量是影响超纯铁素体不锈钢晶间腐蚀的
4、主要因总量是影响超纯铁素体不锈钢晶间腐蚀的主要因素。在超纯铁素体不锈钢中严格控制了钢中素。在超纯铁素体不锈钢中严格控制了钢中C+N含量，含量，一般控制在一般控制在0.035%0.045%、0.030%、0.010%0.015%三个水平。还添加必要的合金元三个水平。还添加必要的合金元素进一步提高耐腐蚀性及其他综合性能。素进一步提高耐腐蚀性及其他综合性能。n对高纯铁素体不锈钢，易引起敏化的加热温度是对高纯铁素体不锈钢，易引起敏化的加热温度是11001200 ，正是，正是C、N化物大量溶解的温度。化物大量溶解的温度。n冷却过程，约在冷却过程，约在950500，过饱和的，过饱和的C、N将重新将重新析出
5、。这种析出是否引起贫铬现象与碳氮含量、过饱析出。这种析出是否引起贫铬现象与碳氮含量、过饱和程度、冷却速度以及其它合金元素（如和程度、冷却速度以及其它合金元素（如Mo、Ti、Nb等）含量有关。等）含量有关。 (3) 防止晶间腐蚀措施防止晶间腐蚀措施 1) 控制化学成分控制化学成分n 降低母材及焊缝降低母材及焊缝C含量，可采用超低碳母材含量，可采用超低碳母材（C0.03%）和超低碳焊丝（）和超低碳焊丝（C0.02%）；）；n 将工件再次加热到将工件再次加热到650850，并缓慢冷却，使，并缓慢冷却，使晶粒内部的晶粒内部的Cr原子能充分向晶界贫铬区扩散，可消除原子能充分向晶界贫铬区扩散，可消除晶间腐
6、蚀；晶间腐蚀；n 加入强碳化物元素，如加入强碳化物元素，如Ti（Ti=5C%）、）、Nb等，等，通过通过Ti、Nb与与C的结合降低的结合降低C含量和避免形成含量和避免形成Cr23C6，可以提高抗晶间腐蚀能力。可以提高抗晶间腐蚀能力。 2) 工艺措施工艺措施n通过采用小线能量、强制冷却等方法，降低通过采用小线能量、强制冷却等方法，降低HAZ敏化敏化温度区的停留时间，使之处于一次稳定状态。温度区的停留时间，使之处于一次稳定状态。 3) 焊后热处理焊后热处理n 固溶处理固溶处理 加热到加热到10501150，使，使Cr23C6重新重新溶入奥氏体中，通过水淬快冷，使之来不及析出，从溶入奥氏体中，通过水
7、淬快冷，使之来不及析出，从而达到一次稳定状态；而达到一次稳定状态；n 稳定化处理稳定化处理 加热到加热到850，保温，保温2h，然后空冷，然后空冷，使使Cr23C6充分析出，奥氏体中充分析出，奥氏体中Cr扩散均匀，达到二次扩散均匀，达到二次稳定状态，消除晶间腐蚀；稳定状态，消除晶间腐蚀； 2. 热影响区脆化热影响区脆化 主要包括粗晶脆化、主要包括粗晶脆化、相脆化和相脆化和475脆化。脆化。 (1) 粗晶脆化粗晶脆化nF不锈钢不发生相变，加热时有强烈的晶粒长大倾向。焊缝和不锈钢不发生相变，加热时有强烈的晶粒长大倾向。焊缝和HAZ近缝区被加热到近缝区被加热到950以上，晶粒严重长大，又不能用热处以
8、上，晶粒严重长大，又不能用热处理的方法使之细化，降低了理的方法使之细化，降低了HAZ韧性，导致粗晶脆化。韧性，导致粗晶脆化。n晶粒粗化的程度取决于加热温度和时间，因此焊接时尽量缩短在晶粒粗化的程度取决于加热温度和时间，因此焊接时尽量缩短在950以上高温的停留时间。以上高温的停留时间。 (2) 相脆化相脆化n相是一种相是一种Fe、Cr金属间化合物，具有复杂的晶体结构。金属间化合物，具有复杂的晶体结构。n焊后焊后850650温度区间冷却速度缓慢，温度区间冷却速度缓慢，铁素体会向铁素体会向相转化。相转化。Fe-Cr合金中合金中Cr20%时即可产生时即可产生相。相。Mn、Si、Mo、W，会，会促使在较
9、低促使在较低Cr含含r量下形成量下形成相，如相，如FeCrMo。n相硬度高（相硬度高（68HRC），主要析集于柱状晶的晶界，从而导致），主要析集于柱状晶的晶界，从而导致接头的韧性降低。接头的韧性降低。 (3) 475脆化脆化nCr15%的铁素体不锈钢，在的铁素体不锈钢，在430480温度区间温度区间长时间加热并缓慢冷却，导致在常温时或负温时出现长时间加热并缓慢冷却，导致在常温时或负温时出现475脆化现象。脆化现象。n造成造成475脆化的主要原因是在脆化的主要原因是在Fe-Cr系中共析反应沉系中共析反应沉淀析出富淀析出富Cr的的a相（体心立方结构）所致。相（体心立方结构）所致。n杂质（杂质（S、
10、P、O、N、H）也会促进）也会促进475脆化。脆化。 高高Cr铁素体钢的室温韧性铁素体钢的室温韧性 防止焊缝和热影响区的脆化措施防止焊缝和热影响区的脆化措施n 选用含少量选用含少量Ti元素的母材，以防止粗晶脆化；元素的母材，以防止粗晶脆化；n 减小减小475脆化，无论是母材或焊缝金属均应最大脆化，无论是母材或焊缝金属均应最大限度地提高其纯度；限度地提高其纯度；n 采用小焊接热输入，缩短在采用小焊接热输入，缩短在950以上高温停留的以上高温停留的时间，焊件避免用冲击整形；时间，焊件避免用冲击整形；n 缩短在缩短在475和和相脆化温度区间停留的时间。一相脆化温度区间停留的时间。一旦产生旦产生475
11、脆化，可以在脆化，可以在600以上短时加热、空以上短时加热、空冷。产生冷。产生相脆化，可加热到相脆化，可加热到930980后急冷的方后急冷的方法进行消除；法进行消除；n 预热温度一般不超过预热温度一般不超过150。 4.3.2 铁素体钢焊接工艺特点铁素体钢焊接工艺特点 (1) 焊接方法焊接方法n高铬铁素体不锈钢采用：高铬铁素体不锈钢采用：SMAW、TIG/MIG、SAW、PAW、EBW等焊接方法。等焊接方法。n高纯铁素体不锈钢主要采用：高纯铁素体不锈钢主要采用：TIG/MIG、PAW、电、电EBW等获得良等获得良好保护的焊接方法，也用好保护的焊接方法，也用SMAW。 (2) 焊接材料焊接材料n
12、焊接填充金属分三类：同质铁素体、奥氏体不锈钢和镍基合金。焊接填充金属分三类：同质铁素体、奥氏体不锈钢和镍基合金。n同质焊缝与母材有一样的颜色，相同的线膨胀系数和近似的耐腐蚀同质焊缝与母材有一样的颜色，相同的线膨胀系数和近似的耐腐蚀性，颜色一致，但抗裂性能不高。性，颜色一致，但抗裂性能不高。n要求焊缝有更好的塑性时，可采用铬镍奥氏体类型的焊条和焊丝。要求焊缝有更好的塑性时，可采用铬镍奥氏体类型的焊条和焊丝。n使用奥氏体型焊丝，可采用埋弧焊，参考舍夫勒焊缝组织图，控制使用奥氏体型焊丝，可采用埋弧焊，参考舍夫勒焊缝组织图，控制好母材对奥氏体焊缝的稀释。对于耐腐蚀及韧性要求高的好母材对奥氏体焊缝的稀释
13、。对于耐腐蚀及韧性要求高的F不锈钢，不锈钢，一般不用埋弧焊。一般不用埋弧焊。 表表4-4 铁素体不锈钢焊条、焊丝选用表铁素体不锈钢焊条、焊丝选用表 铁素体不锈钢焊接方法、材料铁素体不锈钢焊接方法、材料（1）焊接方法）焊接方法 SMAW、TIG（2）焊接材料）焊接材料 1）同质：如）同质：如Cr17，用，用G302（Cr17系）系） Cr17Ti，用，用G311（Cr17Mo2系）系） 预热预热120-200，焊后，焊后750-800回火回火 2）异质（用）异质（用A焊条）：不预热，焊后不热处理焊条）：不预热，焊后不热处理 Cr17TiA107（18-8） Cr17Mo2TiA207（18-12
14、Mo2） Cr25TiA307（25-13） Cr28TiA407（25-20） 铁素体钢焊接工艺要点铁素体钢焊接工艺要点1）无相变，）无相变，HAZ晶粒急剧长大，晶粒急剧长大， 引起脆化（引起脆化（相相、470脆化脆化），产生裂纹），产生裂纹 防止措施：低温预热（防止措施：低温预热（T150 ）2）有晶间腐蚀倾向，防止措施与）有晶间腐蚀倾向，防止措施与A钢相同；钢相同；3）限制）限制C、N等杂质，防止脆化；等杂质，防止脆化；4）减小焊接热输入，窄焊道，控制层间温度；）减小焊接热输入，窄焊道，控制层间温度；5）焊后回火处理（实际是空冷的退火处理）焊后回火处理（实际是空冷的退火处理） 采用采用A
15、焊材时，不预热，不焊后热处理。焊材时，不预热，不焊后热处理。 (3) 铁素体不锈钢铁素体不锈钢SMAW工艺工艺 1) 焊前预热焊前预热n由于高铬钢低塑性、由于高铬钢低塑性、HAZ晶粒长大和碳、氮化物在晶界聚集，焊接接头塑晶粒长大和碳、氮化物在晶界聚集，焊接接头塑韧性都很低。采用同成分焊材，特别在拘束度大时，容易产生冷裂纹。韧性都很低。采用同成分焊材，特别在拘束度大时，容易产生冷裂纹。n要求预热要求预热70150，Cr含量越高，预热温度应越高。含量越高，预热温度应越高。 2) 焊接工艺参数焊接工艺参数n铁素体不锈钢具有粗晶脆化、铁素体不锈钢具有粗晶脆化、475脆化和脆化和相脆化的倾向。要求用小电
16、相脆化的倾向。要求用小电流、快速度，焊条不横向摆动，多层多道焊，严格控制层间温度。待层间流、快速度，焊条不横向摆动，多层多道焊，严格控制层间温度。待层间温度冷至预热温度时，再焊下一道。不宜连续施焊。厚大焊件焊接时，可温度冷至预热温度时，再焊下一道。不宜连续施焊。厚大焊件焊接时，可在每道焊缝焊好后，用小锤轻轻锤击焊缝，以减少焊缝的收缩应力。在每道焊缝焊好后，用小锤轻轻锤击焊缝，以减少焊缝的收缩应力。 3）焊后热处理）焊后热处理n为消除焊接应力和组织均匀，铁素体不锈钢焊后应进行热处理。但焊后热为消除焊接应力和组织均匀，铁素体不锈钢焊后应进行热处理。但焊后热处理不能使已经粗化的铁素体晶粒细化。焊后热
17、处理有两种：处理不能使已经粗化的铁素体晶粒细化。焊后热处理有两种：n 750800加热后空冷的退火处理，使组织均匀化，可以提高韧性和加热后空冷的退火处理，使组织均匀化，可以提高韧性和抗腐蚀性能。退火后应快冷，以防止出现抗腐蚀性能。退火后应快冷，以防止出现相及相及475脆化；脆化；n 900以下加热水淬，使析出脆性相重新溶解，得到均一的铁素体组织，以下加热水淬，使析出脆性相重新溶解，得到均一的铁素体组织，提高接头的韧性。提高接头的韧性。 (4) 高纯铁素体不锈钢焊接要点高纯铁素体不锈钢焊接要点n采用与母材同成分的焊丝作为填充材料。焊丝间隙元素含量最好采用与母材同成分的焊丝作为填充材料。焊丝间隙元
18、素含量最好低于母材。焊前应清理焊丝表面。由于高纯铁素体不锈钢的间隙低于母材。焊前应清理焊丝表面。由于高纯铁素体不锈钢的间隙元素极低，对高温热作用引起的脆化不显著，焊接接头有很好的元素极低，对高温热作用引起的脆化不显著，焊接接头有很好的塑性和韧性，不需预热。塑性和韧性，不需预热。n焊接关键是防止焊接过程的污染，以免增加焊缝焊接关键是防止焊接过程的污染，以免增加焊缝C、N、O含量。含量。 焊接工艺措施如下：焊接工艺措施如下：n 增加熔池保护，如采用双层气体保护、用气体透镜、增大喷嘴增加熔池保护，如采用双层气体保护、用气体透镜、增大喷嘴直径、增加氩气流量（直径、增加氩气流量（28L/min）等。填充
19、焊丝时，要防止焊丝）等。填充焊丝时，要防止焊丝高温端离开保护区；高温端离开保护区；n 采用尾气保护，这对多层焊尤为必要；采用尾气保护，这对多层焊尤为必要；n 焊缝背面通焊缝背面通Ar保护，最好采用通保护，最好采用通Ar水冷铜垫板，减少过热，水冷铜垫板，减少过热，增加冷却速度；增加冷却速度；n 尽量减小热输入，多层焊时控制层间温度低于尽量减小热输入，多层焊时控制层间温度低于100。 4.4 马氏体不锈钢的焊接马氏体不锈钢的焊接 1. 马氏体不锈钢的类型马氏体不锈钢的类型n Cr13系列系列M钢，钢， 如如1Cr13、2Cr13、3Cr13、 4Cr13n 多元合金化马氏体钢，如多元合金化马氏体钢
20、，如Cr-Mn-N钢钢n 热强马氏体钢热强马氏体钢 以以Cr12为基多元复合合金化的马氏体钢，为基多元复合合金化的马氏体钢，如如2Cr12WMoV、2Cr12MoV、2Cr12Ni3MoV。热强。热强M钢钢的淬硬倾更大一些，一般经过调制处理。的淬硬倾更大一些，一般经过调制处理。n 超低碳复相马氏体钢超低碳复相马氏体钢 C4%超低碳超低碳M钢淬火后钢淬火后形成低碳形成低碳M，回火加热发生，回火加热发生M的的“逆转变逆转变”，为超，为超微细复相组织，强韧性好，微细复相组织，强韧性好，称为称为超低碳复相马氏体钢超低碳复相马氏体钢，无淬硬倾向。无淬硬倾向。 （1）焊接接头冷裂纹）焊接接头冷裂纹 1）产
21、生原因）产生原因n马氏体不锈钢一般经调质热处理，显微组织为马氏体。马氏体不锈钢一般经调质热处理，显微组织为马氏体。焊接接头区域表现出明显的淬硬倾向。焊缝及焊接接头区域表现出明显的淬硬倾向。焊缝及HAZ组织组织为硬而脆的马氏体组织，含碳量越高，淬硬倾向越大。为硬而脆的马氏体组织，含碳量越高，淬硬倾向越大。n焊接接头区容易产生冷裂纹，尤其当焊接接头刚度大或焊接接头区容易产生冷裂纹，尤其当焊接接头刚度大或有氢存在时，马氏体不锈钢更易产生延迟裂纹。有氢存在时，马氏体不锈钢更易产生延迟裂纹。n焊接焊接Ni较少，较少，Cr、Mo、W、V较多的马氏体不锈钢，焊较多的马氏体不锈钢，焊后除了马氏体组织外，还形成
22、一定量的铁素体组织。这后除了马氏体组织外，还形成一定量的铁素体组织。这部分铁素体组织使马氏体回火后的冲击韧性降低。部分铁素体组织使马氏体回火后的冲击韧性降低。n在粗大焊缝组织及过热区中的铁素体，往往分布在粗大在粗大焊缝组织及过热区中的铁素体，往往分布在粗大的马氏体晶间，严重时可呈网状分布，这会使焊接接头的马氏体晶间，严重时可呈网状分布，这会使焊接接头对冷裂纹更加敏感。对冷裂纹更加敏感。 2）防止焊接冷裂纹的措施防止焊接冷裂纹的措施n 正确选择焊接材料正确选择焊接材料 为了保证使用性能，采用同质填充为了保证使用性能，采用同质填充金属；为防止冷裂纹，也可采用金属；为防止冷裂纹，也可采用Cr-Ni奥
23、氏体填充金属；奥氏体填充金属；n 焊前预热焊前预热 是防止焊缝硬脆和产生冷裂纹的有效措施。是防止焊缝硬脆和产生冷裂纹的有效措施。预热温度根据工件厚度和刚性决定，一般预热温度根据工件厚度和刚性决定，一般200400，C含量越高，预热温度越高。但预热温度过高，会在接头含量越高，预热温度越高。但预热温度过高，会在接头中引起晶界碳化物沉淀和形成铁素体，对韧性不利，尤其中引起晶界碳化物沉淀和形成铁素体，对韧性不利，尤其是焊缝是焊缝C含量低时。含量低时。F+碳化物的组织，通过高温回火不碳化物的组织，通过高温回火不能改善，必须进行调质处理；能改善，必须进行调质处理；n 采用较大焊接热输入，减缓冷却速度；采用
24、较大焊接热输入，减缓冷却速度；n 焊后热处理焊后热处理 焊后缓冷到焊后缓冷到150200，进行焊后热处，进行焊后热处理以消除焊接应力，去除接头中扩散氢，同时也可改善接理以消除焊接应力，去除接头中扩散氢，同时也可改善接头的组织和性能。头的组织和性能。 (2) 热影响区硬化（脆化）热影响区硬化（脆化） 1）产生原因）产生原因n马氏体不锈钢，尤其是铁素体形成元素含量较高的马氏马氏体不锈钢，尤其是铁素体形成元素含量较高的马氏体不锈钢，具有较大的晶粒长大倾向。体不锈钢，具有较大的晶粒长大倾向。n冷却速度较小时，冷却速度较小时，HAZ易产生粗大的铁素体和碳化物；易产生粗大的铁素体和碳化物； 冷却速度较大时
25、，冷却速度较大时，HAZ会产生硬化现象，形成粗大的会产生硬化现象，形成粗大的马氏体。马氏体。n这些粗大的组织都使马氏体不锈钢这些粗大的组织都使马氏体不锈钢HAZ塑韧性降低并导塑韧性降低并导致脆化。致脆化。n马氏体不锈钢还具有一定的回火脆性，因此焊接马氏体马氏体不锈钢还具有一定的回火脆性，因此焊接马氏体不锈钢时，要严格控制冷却速度。不锈钢时，要严格控制冷却速度。 2）防止）防止HAZ硬化（脆化）的措施硬化（脆化）的措施n 正确选择预热温度，预正确选择预热温度，预热温度不应超过热温度不应超过450，以，以避免产生避免产生475脆化；脆化；n 合理选择焊材调整焊缝合理选择焊材调整焊缝的成分，尽可能避免焊缝中的成分，尽可能避免焊缝中产生粗大的铁素体组织。产生粗大的铁素体组织。 图图4-21 马氏体钢马氏体钢TIG焊后的硬度焊后的硬度11Cr13 22Cr13 300Cr13Ni17Si3
