1、第十章不锈钢的焊接 主编第一节概述一、不锈钢的类型不锈钢的分类方法很多，通常按金相的组织分类如下：(1)马氏体钢马氏体钢包括Cr13系及以Cr12为基的多元合金化的钢。(2)铁素体钢正火状态下以铁素体组织为主，wCr=11%30%的高铬钢属于此类，主要用作抗氧化钢，也可作耐热钢用。(3)奥氏体钢奥氏体钢是不锈钢中最重要的类别，其生产量和使用量约占不锈钢总量的70%。(4)铁素体-奥氏体双相钢这类钢是在超低碳铁素体不锈钢的基础上发展起来的双相不锈钢。第一节概述二、不锈钢的性能特点1.不锈钢的物理性能 与碳钢相比，不锈钢的导电性能差；奥氏体不锈钢线膨胀系数比碳钢约大50%，而马氏体不锈钢和铁素体不
2、锈钢的线膨胀系数大体上和碳钢相等；奥氏体不锈钢的热导率比碳钢低，仅为其1/3左右，马氏体与铁素体不锈钢的热导率均为碳钢的1/2左右。合金元素含量越多，导电、导热性越差，线膨胀系数越大。2.不锈钢的腐蚀形式 金属受介质的化学及电化学作用而被破坏的现象称为腐蚀，不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀、晶间腐蚀、点状腐蚀和应力腐蚀开裂等。第一节概述(1)均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属整个表面产生腐蚀的现象，如图10-1a所示，受腐蚀的金属由于截面不断缩小而最后破坏。(2)晶间腐蚀是一种起源于金属表面沿晶界深入金属内部的腐蚀现象，如图10-1b所示。图10-1腐蚀的破坏形式a)均匀腐蚀b)晶间腐蚀c)点状腐蚀
3、(3)点状腐蚀腐蚀首先集中于金属表面的局部范围，然后迅速向内部发展，最后穿透，如图10-1c所示。(4)应力腐蚀开裂是一种金属在拉应力与电化学介质共同作用下所产生的一种延迟开裂的现象。对焊接结构来说，晶间腐蚀与应力腐蚀开裂较为常见，危害也较大。第二节不锈钢的焊接性一、合金元素对不锈钢接头耐蚀性的影响 不锈钢中常用的合金元素有C、Cr、Ni、Mo、Ti、Nb、Mn、Si等，其中Cr、Ni是保证不锈钢耐蚀性能的最重要元素。(1)铬(Cr)铬是决定不锈钢耐蚀性最重要的元素。(2)镍(Ni)镍也是不锈钢中的主要元素，当wNi15%时，对硫酸和盐酸有很高的耐蚀性。(3)碳(C)碳一方面是稳定奥氏体的元素
4、，作用相当于镍的30倍；另一方面，碳与铬的亲和力较大，能与铬形成一系列的碳化物，而使固溶于基体中的铬减少，使钢的耐蚀性下降。第二节不锈钢的焊接性(4)锰(Mn)和氮(N)锰和氮都是形成和稳定奥氏体的元素，锰的作用是镍的1/2，氮的作用是镍的40倍，有时用锰和氮部分或全部代替镍，组成Cr-Mn-N系列不锈钢。(5)钛(Ti)和铌(Nb)钛和铌都是强碳化物形成元素，一般作为稳定剂加入不锈钢中，防止碳与铬形成碳化物，以保证钢的耐蚀性。(6)钼(Mo)钼可以增强钢的钝化作用，对提高抗点状腐蚀有显著效果。第二节不锈钢的焊接性二、不锈钢的焊接性分析1.焊接接头的晶间腐蚀倾向 奥氏体不锈钢在400800C范
5、围内加热后对晶间腐蚀最为敏感，此温度区间一般称为敏化温度区间。这主要是由于奥氏体钢在固溶状态下，碳以过饱和的形式溶解于固溶体中。加热时，过饱和的碳以Cr23C6的形式沿晶界析出，当使晶界附近wCr降到低于钝化所需的最低数量(wCr12%)时，在晶界形成了贫铬层，从而使晶界的电极电位远低于晶内。当金属与腐蚀介质接触时，电极电位低的晶界就被腐蚀，这种腐蚀就是晶间腐蚀。图10-2奥氏体不锈钢焊接接头的晶间腐蚀1焊缝晶间腐蚀2敏化区腐蚀3刀蚀第二节不锈钢的焊接性2.提高焊接接头耐晶间腐蚀能力的措施(1)降低含碳量减少奥氏体不锈钢和焊条中的含碳量，是防止晶间腐蚀最根本的办法。(2)加入稳定剂在钢和焊接材
6、料中加入钛、铌等与碳的亲和力比铬强的合金元素，这些合金元素能够优先与碳结合成稳定的碳化物，从而避免在奥氏体晶界形成碳化铬而产生贫铬层，对提高抗晶间腐蚀能力有十分良好的作用。(3)焊后进行固溶处理将焊件加热到10501100C，使已经析出的Cr23C6重新溶入奥氏体中，然后快速冷却，形成稳定的奥氏体组织，此过程称为固溶处理。第二节不锈钢的焊接性(4)改变焊缝的组织状态即使焊缝由单一的相改变为+双相。(5)减少焊接热输入尽量选用较小的焊接热输入，以减少在高温停留的时间，对减小敏化区的形成和刀蚀的形成都具有一定的作用。(6)合理安排焊接顺序防止刀状腐蚀的产生还应注意合理安排焊接顺序，这是因为刀状腐蚀
7、除产生于焊后在敏化温度再次受热外，在多层焊和双面焊时，后一条焊缝的热作用可能对先焊焊缝的过热区起到敏化加热的作用(如图10-3a所示)。图10-3第二面焊缝的敏化区对刀状腐蚀的影响a)敏化区与腐蚀介质不接触，双面焊b)敏化区与腐蚀介质接触，多层焊第二节不锈钢的焊接性3.焊接接头的应力腐蚀开裂 这是不锈钢在静应力(内应力或外应力)与腐蚀介质同时作用下发生的破坏现象。纯金属一般没有应力腐蚀开裂倾向，而在不锈钢中，奥氏体不锈钢比铁素体或马氏体不锈钢的应力腐蚀倾向大。因为奥氏体不锈钢导热性差，线膨胀系数大，所以焊后会产生较大的焊接残余应力，因而容易造成应力腐蚀开裂。第二节不锈钢的焊接性(1)正确选用材
8、料根据介质特性选用对应力腐蚀开裂敏感性低的材料是防止应力腐蚀开裂最根本的措施。(2)消除焊件的残余应力通常可采用锤击焊件表面来松弛残余应力，也可以进行消除应力热处理。(3)对材料进行防蚀处理通过电镀、喷镀、衬里等方法，用金属或非金属覆盖层将金属与腐蚀介质隔离开。(4)接头设计应注意防止“死区”，这是为了避免缝隙的存在。第二节不锈钢的焊接性4.焊接接头的热裂纹 热裂纹是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的一种缺陷，特别是含镍量较高的奥氏体不锈钢更易产生。其产生的主要原因是由于奥氏体不锈钢的液、固相线区间较大、结晶时间较长，而且奥氏体结晶方向性强，使低熔点杂质偏析严重而集中于晶界处；此外，奥氏体不锈钢
9、的线膨胀系数大，冷却收缩时应力大，所以易产生热裂纹。(1)严格限制焊缝中的S、P等杂质的含量。(2)产生双相组织对于wNi15%的188型不锈钢，具有+的双相组织焊缝有较高的抗裂性，铁素体含量()应控制在3%8%。第二节不锈钢的焊接性 当wNi15%，单相奥氏体组织的高镍不锈钢不宜采用+双相组织(高温时相促进生成相，导致相脆化)时，可采用+碳化物或+硼化物的双相组织，亦有较高的抗裂性。(3)合理的进行合金化在不允许采用双相组织的情况下，可以通过调整焊缝金属的合金成分，如加入wMn4%6%，对防止单相奥氏体焊缝产生热裂纹相当有效。(4)工艺上的措施为降低焊缝的热裂倾向，制定焊接工艺时应尽可能减少
10、熔池过热和接头的残余应力。第二节不锈钢的焊接性5.焊接接头的脆化(1)相脆化奥氏体或铁素体不锈钢在高温(375875C)长时间加热就会形成一种FeCr金属间化合物，即相。(2)粗大的原始晶粒高铬铁素体钢在加热与冷却过程中不发生相变，晶粒很容易长大，而且用热处理也无法消除，只能用压力加工才能使粗大的晶粒破碎。(3)475C脆性wCr15%的铁素体不锈钢，在400550C范围内长期加热后，钢在室温下变得很脆，其冲击韧度和塑性接近于零。此外，由于铁素体不锈钢焊接接头有明显的脆化倾向，马氏体不锈钢焊接时淬硬倾向大，都会造成接头部位冷裂纹的形成。第三节不锈钢的焊接工艺一、奥氏体不锈钢的焊接工艺 对奥氏体
11、不锈钢结构，多数情况下都有耐蚀性的要求。因此，为保证焊接接头的质量，需要解决的问题比焊接低碳钢或低合金钢时要复杂得多，在编制工艺规程时，必须考虑备料、装配、焊接各个环节对接头质量可能带来的影响。此外，奥氏体钢本身的物理性能特点，也是编制焊接工艺时必须考虑的重要因素。1.焊接材料的选择 奥氏体不锈钢焊接材料的选用原则，应使焊缝金属的合金成分与母材成分基本相同，并尽量降低焊缝金属中的碳含量和S、P等杂质的含量。奥氏体不锈钢焊接材料的选用见第三节不锈钢的焊接工艺表10-1奥氏体不锈钢焊接材料的选用第三节不锈钢的焊接工艺2.焊接方法的选择 奥氏体不锈钢具有较好的焊接性，可以采用焊条电弧焊、埋弧焊、惰性
12、气体保护焊和等离子弧焊等熔焊方法，并且焊接接头具有相当好的塑性和韧性。因为电渣焊的热过程特点，会使奥氏体不锈钢接头的抗晶间腐蚀能力降低，并且在熔合线附近易产生严重的刀蚀，所以一般不应用电渣焊。3.焊前准备(1)下料方法的选择奥氏体不锈钢中有较多的铬，用一般的氧乙炔切割有困难，可用机械切割、等离子弧切割及碳弧气刨等方法进行下料或坡口加工，机械切割最常用的有剪切、刨削等。第三节不锈钢的焊接工艺(2)坡口的制备在设计奥氏体不锈钢焊件坡口形状和尺寸时，应充分考虑奥氏体不锈钢较大的线膨胀系数会加剧接头的变形，应适当减小V形坡口角度。(3)焊前清理为了保证焊接质量，焊前应将坡口及其两侧2030mm范围内的
13、焊件表面清理干净，如有油污，可用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭。(4)表面防护在搬运、坡口制备、装配及定位焊过程中，应注意避免损伤钢材表面，以免使产品的耐蚀性降低。4.焊接参数的选择 焊接奥氏体不锈钢时，应控制焊接热输入和层间温度，以防止热影响区晶粒长大及碳化物的析出。第三节不锈钢的焊接工艺表10-2不锈钢焊条电弧焊工艺参数表10-3不锈钢钨极氩弧焊工艺参数第三节不锈钢的焊接工艺表10-4奥氏体不锈钢熔化极氩弧焊工艺参数表10-518-8型奥氏体不锈钢埋弧焊的工艺参数第三节不锈钢的焊接工艺5.奥氏体不锈钢的焊后处理 为增加奥氏体不锈钢的耐蚀性，焊后应对其进行表面处理，处理的方法有表面抛光、酸洗和钝化
14、处理。(1)表面抛光不锈钢的表面如有刻痕、凹痕、粗糙点和污点等，会加快腐蚀。(2)酸洗经热加工的不锈钢和不锈钢焊接热影响区都会产生一层氧化皮，这层氧化皮会影响耐蚀性，所以焊后必须将其除去。酸洗时，常用酸液酸洗和酸膏酸洗两种方法。酸液酸洗又有浸洗和刷洗两种。第三节不锈钢的焊接工艺1)浸洗酸液配方(体积分数)：硝酸(密度1.42g/cm3)为20%，氢氟酸为5%，其余为水。2)刷洗酸液配方(体积分数)：盐酸50%，水50%。3)酸膏酸洗适用于大型结构，将配制好的酸膏敷于结构表面，停留几分钟，再用清水冲净。酸膏配方：盐酸(密度119g/cm3)20mL、水100mL、硝酸(密度142g/cm3)30
15、mL、膨润土150g。(3)钝化处理钝化处理是在不锈钢的表面用人工方法形成一层氧化膜，以增加其耐蚀性。钝化液配方(质量分数)：硝酸(密度142g/cm3)5%，重铬酸钾2%，其余为水。第三节不锈钢的焊接工艺6.焊后检验 奥氏体不锈钢一般都具有耐蚀性的要求，所以焊后除了要进行一般焊接缺陷的检验外，还要进行耐蚀性试验。耐蚀性试验的目的是：在给定的条件(介质、浓度、湿度、腐蚀方法、应力状态等)下测定金属抵抗腐蚀的能力，估计其使用寿命，分析腐蚀原因，找出防止或延缓腐蚀的方法。第三节不锈钢的焊接工艺二、铁素体不锈钢的焊接工艺 铁素体不锈钢焊接时热影响区晶粒急剧长大而形成粗大的铁素体。由于铁素体钢加热时没
16、有相转变发生，这种晶粒粗大现象会造成明显脆化，而且也使冷裂纹倾向加大。此外，焊接时，在温度高于1000C的熔合线附近快速冷却时会产生晶间腐蚀，但经650850C加热并随后缓冷就可以加以消除。1)铁素体不锈钢只采用焊条电弧焊进行焊接，为了减小475C脆化，避免焊接时产生裂纹，焊前可以预热，预热温度为70150C。2)焊接时，尽量缩短在430480C之间的加热或冷却时间。3)为防止过热，尽量减少热输入，例如焊接时采用小电流、快速焊，焊条最好不要摆动，尽量减少焊缝截面，不要连续焊，即待前一道焊缝冷却到预热温度时再焊下一道焊缝，多层焊时要控制层间温度不宜连续施焊。第三节不锈钢的焊接工艺4)对于厚度大的
17、焊件，为减少焊接应力，每道焊缝焊完后，可用小锤轻轻敲击焊缝表面。5)采用强制冷却焊缝的方法，以减少焊接接头的高温脆化和475脆性，同时，还可以减少焊接接头的热影响区过热，其方法主要是通氩冷却或通水冷却铜垫板等。6)焊后常在700750C之间退火处理，这种焊后热处理可以改善接头韧性及塑性。7)焊接铁素体不锈钢用焊条见表10-6。表10 6焊接铁素体不锈钢用焊条表10-6焊接铁素体不锈钢用焊条三、马氏体不锈钢的焊接工艺1)为保证马氏体不锈钢焊接接头不产生裂纹，并具有良好的力学性能，在焊接时，应进行焊前预热，一般预热温度在150400之间。2)焊后热处理是防止延迟裂纹和改善接头性能的重要措施，通常在
18、700760之间加热空冷。3)常用的焊接方法是焊条电弧焊，焊条的选用见表10-7。表10 7焊接马氏体不锈钢用焊条表10-7焊接马氏体不锈钢用焊条第四节奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺一、试件的准备及技术要求 试件的材料为1Cr18Ni9Ti，焊接位置为垂直固定；采用焊条电弧焊，要求开U形坡口。试件及坡口尺寸如图10 4所示。进行单面焊双面成形；焊接材料选用E30816(A101)焊条；电源选用ZX300型弧焊整流器，采用反接。二、焊前准备与试件的装配1)彻底清除坡口及两侧20mm范围内的油污、脏物，直至露出金属光泽2)焊条需经250烘干，并保温12h。3)将试件置于装配胎具上进行定位焊接，根部
19、间隙为3mm。4)定位焊采取三点定位，其相对位置如图10-5所示。5)试件错边量2mm。第四节奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺图10-41Cr18Ni9Ti钢大直径管垂直固定对接焊的试件及坡口尺寸图10-51Cr18Ni9Ti钢大直径管垂直固定对接焊的定位焊接位置第四节奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺三、焊接参数选择及操作要点1Cr18Ni9Ti钢大直径管垂直固定对接焊的焊条电弧焊焊接参数见表10 8。表10-81Cr18Ni9Ti钢大直径管垂直固定第四节奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺(1)打底焊打底层的焊接可采用连弧焊手法，也可采用断弧焊手法。1)如图10-5所示，在起始焊接位置坡口上侧引弧，然
20、后向管子的下坡口移动，待坡口两侧熔化后，焊条向根部下压，并稍做停顿，听到电弧击穿坡口根部的“噗噗”声后移动焊条，钝边每侧应熔化0.51mm，形成熔孔。2)焊条与管子下侧的夹角应为8085，与管切线前进方向的夹角为7075。3)焊接方向为从左到右，采用锯齿形或斜椭圆形运条，保持短弧施焊。4)采用连弧焊手法时，焊条在坡口两侧停留时间，上坡口停留时间应比下坡口长些，以防止熔池下坠。5)若采用断弧焊时，应逐点将液态金属送到坡口根部，迅速向侧后方灭弧，灭弧时间间隔要短，动作要干净利落，不拉长弧，灭弧频率以(7080)次/min为宜。第四节奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺6)运条到定位焊缝根部时，焊条要前顶
21、一下，听到“噗噗”击穿声后稍做停留，然后运条到定位焊缝另一端再次向下压一下，听到击穿声后稍做停留，再恢复到原来的操作手法。7)当焊条接近起始焊端头时，焊条向前顶一下，让电弧击穿坡口根部，听到“噗噗”声后稍做停留，然后继续向前施焊10mm左右，填满弧坑收弧。(2)填充焊采用多层多道焊，必须认真清除各焊层间和焊道间的焊渣和飞溅，修平凹凸处，再进行填充层的焊接。填充焊缝应保持表面平整，整个填充层厚度应低于母材表面152mm，并不得熔化坡口两侧棱边。(3)盖面焊在盖面焊接前，彻底清除填充层上的焊渣和飞溅。第五节异种钢焊接一、珠光体钢与奥氏体钢的焊接性 珠光体钢与奥氏体钢成分差异大，所以它们之间的焊接实
22、际上是异种材料的焊接。异种材料焊接，除了金属本身物理、化学性能对焊接带来的影响外，两种材料在成分与性能上的差异，更大程度上会影响其焊接性，所以异种材料焊接时存在以下几个主要问题：1.在熔合区会生成马氏体脆化层 即使采用奥氏体化能力强的高铬镍型焊接材料，使焊缝可获得韧性很好的全部奥氏体组织，但在熔合区还是不可避免的生成马氏体组织。由于马氏体硬度高，在焊接时或使用中可能形成裂纹。第五节异种钢焊接2.熔合区碳的扩散 除了熔合区会产生低塑性的马氏体组织外，在焊接时还会由于焊缝与母材成分差异较大而导致元素扩散的现象，尤其是碳的扩散。碳从珠光体母材通过熔合区向焊缝扩散，从而在靠近熔合区的珠光体母材上形成了
23、一个软化的脱碳层，而在奥氏体焊缝中形成了硬度较高的增碳层。3.接头复杂的应力状态 在珠光体钢与奥氏体钢焊接时，接头在焊后除了产生由于局部加热而引起的热应力外，还有因两种材料线膨胀系数不同而造成的附加的残余应力，这种由于线膨胀系数不同所产生的残余应力，经过热处理是无法消除的。由于接头应力的增加，降低了高温持久强度和塑性，易导致沿熔合线断裂。第五节异种钢焊接二、珠光体钢与奥氏体钢的焊接工艺1.焊接材料的选用 由前面的焊接性分析可知，为了减少熔合区马氏体脆性组织的形成，抑制碳的扩散，应选用含镍量较高的填充金属。但随着焊缝中镍含量的增加，使焊缝热裂倾向加大。为了防止热裂纹的形成，最好使焊缝中含有体积分数为3%7%的铁素体组织或形成奥氏体+碳化物的双相组织。焊条电弧焊时通常选用A302焊条。2.焊接方法的选用 焊接时应注意选用熔合比小的焊接方法，如焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊都比较合适。埋弧焊则需注意限制热输入，控制熔合比；不过，由于埋弧焊搅拌作用强，高温停留时间长，形成的过渡层较为均匀。第五节异种钢焊接3.焊接工艺要点 为了减小熔合比，珠光体钢与奥氏体钢焊接时坡口角度应大一些，焊接时采用小直径的焊条或焊丝，小电流、长弧、快速焊的方法。如果为了防止珠光体钢产生冷裂纹而需要预热，则其预热温度应比珠光体钢同种材料焊接时略低一些。
