1、 第第4 4章章 不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢及耐热钢的焊接 n主讲：李亚江主讲：李亚江 （山东大学教授、博士生导师）（山东大学教授、博士生导师） 不锈钢的基本定义不锈钢的基本定义n不锈钢不锈钢 是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的，具有高度化学稳定性的合金钢其他腐蚀介质腐蚀的，具有高度化学稳定性的合金钢的总称。的总称。n耐热钢耐热钢 是抗氧化钢和热强钢的总称。在高温下具有是抗氧化钢和热强钢的总称。在高温下具有较好的抗氧化性并有一定强度的钢种称为较好的抗氧化性并有一定强度的钢种称为抗氧化钢抗氧化钢；在高温下有一定的抗氧化能力和较高强度的钢
2、种称为在高温下有一定的抗氧化能力和较高强度的钢种称为热强钢热强钢。n耐热钢的工作温度一般超过耐热钢的工作温度一般超过300350。4.1 不锈钢及耐热钢的分类及特性不锈钢及耐热钢的分类及特性 4.1.1 不锈钢及耐热钢的分类不锈钢及耐热钢的分类n(1)按化学成分分类按化学成分分类n 铬不锈钢铬不锈钢 Cr12%，如，如Cr13、Cr17等；等；n 铬镍不锈钢铬镍不锈钢 在铬不锈钢中加入在铬不锈钢中加入Ni，以提高耐腐蚀，以提高耐腐蚀性、焊接性和冷变形性，如性、焊接性和冷变形性，如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti等；等；n 铬锰氮不锈钢铬锰氮不锈钢 含有含有Cr、Mn、N元素，
3、不含元素，不含Ni，如，如Cr17Mn13Mo2N等。等。2.按用途分类按用途分类n（1）不锈钢）不锈钢 在大气环境及浸蚀性介质中使用的钢，在大气环境及浸蚀性介质中使用的钢，工作温度一般不超过工作温度一般不超过500，要求耐腐蚀，对强度要求，要求耐腐蚀，对强度要求不高。如不高。如Cr13系列不锈钢和低碳系列不锈钢和低碳Cr-Ni钢（如钢（如0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti）或超低碳）或超低碳Cr-Ni钢（如钢（如00Cr25Ni22Mo2、00Cr22Ni5Mo3N等）。等）。n（2）热稳定钢）热稳定钢 在高温下具有抗氧化性能，对高温强在高温下具有抗氧化性能，对高温强度要求不高。工作温度
4、可高达度要求不高。工作温度可高达9001100。常用的有。常用的有高高Cr钢（如钢（如1Cr17、1Cr25Si2）和）和Cr-Ni钢（如钢（如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）。）。n（3）热强钢）热强钢 在高温下既要有抗氧化能力，又要具有在高温下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高温强度，工作温度一定的高温强度，工作温度600800。如。如Cr-Ni奥氏奥氏体钢（如体钢（如1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6、4Cr25Ni20、4Cr25Ni34等）。等）。3.按空冷后显微组织分类按空冷后显微组织分类 1）奥氏体钢）奥氏体钢 是应用最广的一类，分为是应用最广的一类，分
5、为18-8系列（如系列（如0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Mn8Ni5N、0Cr18Ni12Mo2Cu等）和等）和25-20系列（如系列（如2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni20和和00Cr25Ni22Mo2等）两大类。供货状态多为固溶处理态。此外，还等）两大类。供货状态多为固溶处理态。此外，还包括沉淀硬化钢，如包括沉淀硬化钢，如0Cr17Ni4CuNb（简称（简称17-4PH）和）和 0Cr17Ni7Al（简称（简称17-7PH）。）。2）铁素体钢）铁素体钢 含含Cr17%30%，主要用作耐热钢，也用作耐蚀钢，如，主要用作耐热钢，也用作耐蚀钢，如1Cr17、1Cr25
6、Si2及及00Cr30Mo2高纯铁素体钢。铁素体钢多以退火状态供货。高纯铁素体钢。铁素体钢多以退火状态供货。3）马氏体钢）马氏体钢 以以Cr13系列最为典型，如系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及及1Cr17Ni12。以。以Cr12为基的为基的1Cr12MoWV多元合金马氏体钢，用作热强钢。热处理对马氏体钢力学多元合金马氏体钢，用作热强钢。热处理对马氏体钢力学性能影响很大，须根据要求规定供货状态，或是退火状态，或是淬火回火状态。性能影响很大，须根据要求规定供货状态，或是退火状态，或是淬火回火状态。4）双相不锈钢）双相不锈钢 钢中奥氏体占钢中奥氏体占40%60%，铁素
7、体占铁素体占60%40%，这类钢具有优异的抗腐蚀，这类钢具有优异的抗腐蚀性能。最典型的有性能。最典型的有18-5型、型、22-5型、型、25-5型，如型，如00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr22Ni5Mo3N、0Cr25Ni7Mo4WCuN。与。与18-8钢相比，主要特点是提高钢相比，主要特点是提高Cr而而降低降低Ni，同时添加，同时添加Mo和和N。这类双相不锈钢以固溶处理态供货。这类双相不锈钢以固溶处理态供货。表表4.2 铁素体不锈钢的化学成分铁素体不锈钢的化学成分 表表4.3 马氏体不锈钢的化学成分马氏体不锈钢的化学成分 4.1.2 不锈钢及耐热钢的特性不锈钢及耐热钢的特性 1.不锈
8、钢的热物理性能不锈钢的热物理性能n合金元素含量越多，热导率合金元素含量越多，热导率越小，而线膨胀系数越小，而线膨胀系数和和电阻率电阻率越大。越大。n奥氏体不锈钢的线胀系数大，在焊接中引起较大的焊奥氏体不锈钢的线胀系数大，在焊接中引起较大的焊接变形，特别是异种钢焊接时（由于热导率和线胀系接变形，特别是异种钢焊接时（由于热导率和线胀系数有很大差异），会产生很大应力数有很大差异），会产生很大应力产生焊接裂纹的产生焊接裂纹的原因之一。原因之一。n非奥氏体钢具有磁性；奥氏体钢只有非奥氏体钢具有磁性；奥氏体钢只有25-20及及16-36奥氏体钢不呈现磁性；奥氏体钢不呈现磁性；18-8钢在退火状态下无磁性，
9、钢在退火状态下无磁性，在冷作条件显示出强磁性。在冷作条件显示出强磁性。几种不锈钢及耐热钢的热物理性能几种不锈钢及耐热钢的热物理性能F不锈钢和不锈钢和M不锈钢的热物理性能相似，但不锈钢的热物理性能相似，但F、M钢的线胀系数比钢的线胀系数比A钢钢小约小约50%。线胀系数大，导热系数系数小，会产生焊接应力。线胀系数大，导热系数系数小，会产生焊接应力。2.不锈钢的耐腐蚀性能不锈钢的耐腐蚀性能 腐蚀形式：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀腐蚀形式：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀 (1)均匀腐蚀均匀腐蚀n是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。均匀腐蚀使金是指接触腐蚀介质
10、的金属表面全部产生腐蚀的现象。均匀腐蚀使金属截面不断减少，对于被腐蚀的受力零件，会使其承受的应力逐渐属截面不断减少，对于被腐蚀的受力零件，会使其承受的应力逐渐增大，最终达到材料的断裂强度而发生断裂。增大，最终达到材料的断裂强度而发生断裂。n对于硝酸等氧化性酸，不锈钢能形成稳定的钝化层，不易产生均匀对于硝酸等氧化性酸，不锈钢能形成稳定的钝化层，不易产生均匀腐蚀。腐蚀。n对硫酸等还原性酸，只含对硫酸等还原性酸，只含Cr的马氏体钢和铁素体钢不耐腐蚀，而含的马氏体钢和铁素体钢不耐腐蚀，而含Ni的的Cr-Ni奥氏体钢则显示了良好的耐腐蚀性。奥氏体钢则显示了良好的耐腐蚀性。n在含氯离子（在含氯离子（Cl-
11、）的介质中，）的介质中，Cr-Ni钢也容易发生钝化层破坏而发钢也容易发生钝化层破坏而发生腐蚀。生腐蚀。n如果钢中含如果钢中含Mo，在各种酸中均有改善耐蚀性的作用。，在各种酸中均有改善耐蚀性的作用。n双相不锈钢由于两相比例合适，含足量的双相不锈钢由于两相比例合适，含足量的Cr、Mo，其耐蚀性与含，其耐蚀性与含Cr、Mo数量相当的数量相当的Cr-Ni奥氏体不锈钢相近。马氏体钢不适于强腐蚀介奥氏体不锈钢相近。马氏体钢不适于强腐蚀介质中使用。质中使用。(2)点腐蚀（点腐蚀（Pitting Corrosion）n是指在金属表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生的局部腐蚀，是指在金属表面大部分不腐蚀或腐蚀
12、轻微，而分散发生的局部腐蚀，又称坑蚀或孔蚀，常见蚀点的尺寸小于又称坑蚀或孔蚀，常见蚀点的尺寸小于1mm，深度往往大于表面孔，深度往往大于表面孔径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。n不锈钢常因不锈钢常因Cl的存在而使钝化层局部破坏以至形成腐蚀坑。它是在的存在而使钝化层局部破坏以至形成腐蚀坑。它是在介质作用下，由于表面缺陷，如夹杂物、贫铬区、晶界、位错在表介质作用下，由于表面缺陷，如夹杂物、贫铬区、晶界、位错在表面暴露出来，使钝化膜在这些地方首先破坏，使该局部遭到严重阳面暴露出来，使钝化膜在这些地方首先破坏，使该局部遭到严重阳极腐蚀。极腐蚀。可以通过
13、以下几个途径防止点腐蚀：可以通过以下几个途径防止点腐蚀：n 减少氯离子含量和氧含量；加缓蚀剂（如减少氯离子含量和氧含量；加缓蚀剂（如CN、NO3、SO42等）；降低介质温度等。等）；降低介质温度等。n 在不锈钢中加入在不锈钢中加入Cr、Ni、Mo、Si、Cu等合金元素。等合金元素。n 尽量不进行冷加工，以减少位错露头处发生点腐蚀的可能。尽量不进行冷加工，以减少位错露头处发生点腐蚀的可能。n 降低钢中的降低钢中的C含量。此外，添加含量。此外，添加N也可提高耐点腐蚀性能。也可提高耐点腐蚀性能。点蚀指数（点蚀指数（Pitting Index）PI n判定不锈钢的耐点蚀性能常采用判定不锈钢的耐点蚀性能
14、常采用“点蚀指数点蚀指数”（Pitting Index）PI来衡量：来衡量：PI=Cr+3.3Mo+（1316）N （4-1）一般希望一般希望PI3540。nCr的有利作用在于形成稳定的有利作用在于形成稳定Cr2O3氧化膜。氧化膜。nMo的有利作用在于形成的有利作用在于形成MoO42-离子，吸附于表面活性点离子，吸附于表面活性点而阻止而阻止Cl-入侵；入侵；nN与与Mo协同作用，富集于表面膜中，使表面膜不易破坏。协同作用，富集于表面膜中，使表面膜不易破坏。(3)缝隙腐蚀（缝隙腐蚀（Crevise Corrosion）n在电解液中，如在氯离子环境中，不锈钢间或与异物接在电解液中，如在氯离子环境中
15、，不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时，缝隙中溶液流动将发生迟滞，触的表面间存在间隙时，缝隙中溶液流动将发生迟滞，以至溶液局部以至溶液局部Cl浓化，形成浓差电池，导致缝隙中不浓化，形成浓差电池，导致缝隙中不锈钢钝化膜吸附锈钢钝化膜吸附Cl而被局部破坏（称为缝隙腐蚀）。而被局部破坏（称为缝隙腐蚀）。n产生原因产生原因：与点腐蚀形成机理相比，主要是介质的电化：与点腐蚀形成机理相比，主要是介质的电化学不均匀性引起的。因此，缝隙腐蚀和点腐蚀是具有共学不均匀性引起的。因此，缝隙腐蚀和点腐蚀是具有共同性质的一种腐蚀现象。同性质的一种腐蚀现象。n耐点腐蚀的钢都有耐缝隙腐蚀的性能，可用点蚀指数来耐点腐蚀的钢
16、都有耐缝隙腐蚀的性能，可用点蚀指数来衡量耐缝隙腐蚀倾向。衡量耐缝隙腐蚀倾向。(4)晶间腐蚀晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象，与晶界在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象，与晶界 层层“贫铬贫铬”现象有联系。现象有联系。n受腐蚀的设备或零件，外观呈金属光泽，但因晶粒间已失去联系，敲击受腐蚀的设备或零件，外观呈金属光泽，但因晶粒间已失去联系，敲击时无金属的声音，钢质变脆。时无金属的声音，钢质变脆。n晶间腐蚀产生原因：晶间腐蚀产生原因：这类钢加热到这类钢加热到450850温度区间会发生敏化，过饱和固溶的碳向晶温度区间会发生敏化，过饱和固溶的碳向晶粒边界扩散，与晶界附近的粒边界扩散，与
17、晶界附近的Cr结合形成结合形成Cr23C6 或或(Fe,Cr)23C6（常写（常写成成M23C6），并在晶界析出。由于），并在晶界析出。由于C比比Cr扩散快得多，扩散快得多，Cr来不及从晶内来不及从晶内向晶界扩散，致使晶界的晶粒周边层向晶界扩散，致使晶界的晶粒周边层Cr15%的铁素体钢中。在的铁素体钢中。在430480长期加长期加热并缓冷，可导致常温或负温时出现强度升高而韧性下热并缓冷，可导致常温或负温时出现强度升高而韧性下降的现象，称为降的现象，称为475脆化。脆化。n目前对其机理认识不一致：一种说法是，在目前对其机理认识不一致：一种说法是，在Fe-Cr合金合金系中以共析反应的方式时效沉淀，
18、析出富系中以共析反应的方式时效沉淀，析出富Cr的的相（体相（体心立方结构）所致。心立方结构）所致。n也有人认为，是析出了有序固溶体也有人认为，是析出了有序固溶体Fe3Cr或或FeCr，导致，导致了了475脆化。高纯度有利于抑制脆化。高纯度有利于抑制475脆性。已产生脆性。已产生475脆化的钢，在脆化的钢，在6007001h，空冷，可以恢，空冷，可以恢复原有性能。复原有性能。相脆化相脆化n相是相是Cr含量约含量约45%的的FeCr金属间化合物，无磁性，硬金属间化合物，无磁性，硬而脆。而脆。n在在Fe-Cr合金中，合金中，Cr20即可产生即可产生相。存在其他元素，相。存在其他元素，特别是特别是Mn
19、、Si、Mo、W等，会促使在较低等，会促使在较低Cr含量下即含量下即形成形成相，可以是三元组成，如相，可以是三元组成，如FeCrMo。nNi、C、N可减少可减少相而有减轻相而有减轻相形成的作用，因最易发相形成的作用，因最易发生生。高。高Cr-Ni奥氏体钢，如奥氏体钢，如25-20钢也可发生钢也可发生。n相硬度高达相硬度高达68HRC以上，多分布在晶界，降低韧性。以上，多分布在晶界，降低韧性。4.1.4 Fe-Cr，Fe-Ni相图及合金元素的影响相图及合金元素的影响 1Fe-Cr相图相图nCr是缩小是缩小区的元素，区的元素，Cr12%时时区完全消失，不发生区完全消失，不发生-转变，也不转变，也不
20、会发生晶粒细化和硬化。会发生晶粒细化和硬化。nCr是是F形成元素，在整个合金范围内，形成元素，在整个合金范围内，都可从液体金属中析出。都可从液体金属中析出。n当当Cr较高时，较高时，脆硬的脆硬的相在约相在约820从从析出。析出。相相中中Cr含量高，会发生含量高，会发生脆化。由于脆化。由于相在晶界析出，消耗了相在晶界析出，消耗了基体中的基体中的Cr，使抗蚀性下降。低于，使抗蚀性下降。低于600时，时，偏析形成低偏析形成低Cr的的铁素体铁素体和高和高Cr的的铁素体，这将导致产生铁素体，这将导致产生475脆化。脆化。图图4-1 Fe-Cr二元合金状态图二元合金状态图 2Fe-Ni相图相图nNi是强是
21、强A形成元素。当形成元素。当Ni5%时时,不再凝固为不再凝固为，而是形成，而是形成。形成被形成被限制在一个很小的铁素体相区角上。冷却到限制在一个很小的铁素体相区角上。冷却到14001500时，时，又转又转变成变成。这是个包晶反应。凝固形成的。这是个包晶反应。凝固形成的相当稳定，但有时易偏析。相当稳定，但有时易偏析。nNi是扩大是扩大相区元素。随着相区元素。随着Ni增加，增加，向向转变移到更低温度转变移到更低温度900350，使，使组织很稳定。快冷时，在很低的温度下（甚至在室温），都组织很稳定。快冷时，在很低的温度下（甚至在室温），都能保持能保持组织。因组织。因向向转变被完全抑制，因此这种钢不能
22、再硬化。转变被完全抑制，因此这种钢不能再硬化。n奥氏体无磁性，所以借助磁铁可与奥氏体无磁性，所以借助磁铁可与F钢分开。钢分开。Fe-Ni系中无脆性相。系中无脆性相。3合金元素（合金元素（C、N、Mo、Mn）对相图的影响）对相图的影响 (1)碳的影响碳的影响n不锈钢中，不锈钢中，C先和先和Cr形成化合物，其次是形成化合物，其次是Fe。nC是强是强A化元素，使化元素，使相区增大，而相区增大，而相区减小。相区减小。C在在相中的溶解度是相中的溶解度是相中的相中的40倍，倍，晶粒对晶粒对C有良好的溶解性。有良好的溶解性。n由于由于Cr具有强烈的形成具有强烈的形成M23C6倾向，倾向，C含量很低的情况下也
23、可生成，含量很低的情况下也可生成，使得使得C在在中活性降低。中活性降低。nC还影响还影响相的形成。增加相的形成。增加C含量将使碳化物增加，部分含量将使碳化物增加，部分Cr转变为转变为M23C6高铬碳化物。使基体中高铬碳化物。使基体中Cr含量减少，含量减少，相析出减缓。从相图上相析出减缓。从相图上看，看，相区缩小。相区缩小。(2)氮的影响氮的影响nN是强是强A化元素。化元素。N比比C在在A钢中的溶解度高得多，并随钢中的溶解度高得多，并随Cr含量的增加含量的增加而快速增打，因此而快速增打，因此N在在A钢中不易形成脆性析出相。钢中不易形成脆性析出相。nN的溶解度超出了极限，的溶解度超出了极限，N会形
24、成会形成Cr2N析出物。对于不能溶解析出物。对于不能溶解N的析的析出相，如出相，如M23C6碳化物，碳化物，N可延长这些相的析出时间。不锈钢中，可延长这些相的析出时间。不锈钢中，N、C对对相析出的影响是相似的。相析出的影响是相似的。N、C这两种元素都使这两种元素都使Fe-Cr-Ni系中系中相析出曲线向相析出曲线向Cr含量更高的方向移动。含量更高的方向移动。(3)钼的影响钼的影响n同同Cr元素一样，元素一样，Mo也是也是F形成元素。形成元素。Mo对对相区有强烈的缩小作用，相区有强烈的缩小作用，通过调整通过调整Cr、Mo、C的相对含量，可以保留一定量的铁素体。的相对含量，可以保留一定量的铁素体。n
25、Mo还会使还会使相区的边界向高温区迁移相区的边界向高温区迁移。因此含。因此含Mo的铬不锈钢比不含的铬不锈钢比不含Mo的不锈钢转变成的不锈钢转变成相的温度更高。相的温度更高。n由于由于Mo的存在，的存在，相区向低相区向低Cr高高Ni区迁移，区迁移，Mo=2%3%时，时，Laves相（分子式为相（分子式为Fe2Mo）和）和Chi相（分子式为相（分子式为Fe36Cr12Mo10）开）开始析出，这两种相对含始析出，这两种相对含Mo不锈钢及焊缝的韧性和耐蚀性有害。不锈钢及焊缝的韧性和耐蚀性有害。(4)锰的影响锰的影响nMn是是A形成元素，与形成元素，与Ni相似，会扩大相似，会扩大相区，使相区，使-的转变
26、向低温移的转变向低温移动，使得动，使得组织在室温下也很稳定，但其对组织在室温下也很稳定，但其对化的影响比化的影响比Ni弱。弱。nMn的影响有两方面：一是可减小奥氏体焊缝中的热裂倾向；二是提的影响有两方面：一是可减小奥氏体焊缝中的热裂倾向；二是提高高N的溶解度。的溶解度。4.2 奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接 A不锈钢是四大类不锈钢中最重要的钢种，在石油化不锈钢是四大类不锈钢中最重要的钢种，在石油化工、食品机械、生物医学、轻工等领域中得到广泛应工、食品机械、生物医学、轻工等领域中得到广泛应用，使用量约占不锈钢总用量的用，使用量约占不锈钢总用量的70%以上。以上。A不锈钢的类型：不锈钢的类型
27、：18-8、25-20、Cr-Mn-N钢钢 4.2.1 奥氏体不锈钢的焊接性分析奥氏体不锈钢的焊接性分析 1.焊接接头的耐蚀性焊接接头的耐蚀性 2.应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂 3.焊接接头的热裂纹焊接接头的热裂纹 4.2.1 奥氏体不锈钢的焊接性分析奥氏体不锈钢的焊接性分析 1.焊接接头的耐蚀性焊接接头的耐蚀性 图图4-3 18-8不锈钢焊接接头的晶间腐蚀部位不锈钢焊接接头的晶间腐蚀部位 1HAZ敏化区腐蚀；敏化区腐蚀；2焊缝晶间腐蚀；焊缝晶间腐蚀；3熔合区刀蚀熔合区刀蚀焊接区晶间腐蚀焊接区晶间腐蚀 (1)晶间腐蚀的特征晶间腐蚀的特征n焊缝晶间腐蚀焊缝晶间腐蚀 18-8钢前道钢前道HAZ达到敏化
28、温度达到敏化温度(6001000)区，区，晶界析出晶界析出M23C6型碳化物，形成贫铬晶粒边界。这样焊型碳化物，形成贫铬晶粒边界。这样焊缝表面与腐蚀介质接触就会产生晶间腐蚀。缝表面与腐蚀介质接触就会产生晶间腐蚀。n熔合区熔合区“刀蚀刀蚀”晶界碳原子偏聚，同时晶界碳原子偏聚，同时晶界碳化物沉淀；在腐蚀晶界碳化物沉淀；在腐蚀介质作用下，从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀介质作用下，从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀状腐蚀，刀蚀宽度与状腐蚀，刀蚀宽度与Cr23C6的比例有关。的比例有关。nHAZ敏化区腐蚀敏化区腐蚀 18-8钢当钢当HAZ加热到加热到6001000，出现敏化区，出现敏化区腐蚀。含腐蚀
29、。含Ti或或Nb的的18-8Ti或或18-8Nb，以及超低碳，以及超低碳18-8钢，不易出现钢，不易出现HAZ敏化区。敏化区。不锈钢中的合金元素不锈钢中的合金元素 Cr当量（当量（Creq）和）和Ni当量（当量（Nieq）计算）计算n奥氏体化元素奥氏体化元素(镍当量镍当量Nieq)：C、N、Ni、Mn、Cun铁素体化元素铁素体化元素(铬当量铬当量Creq)：Cr、Mo、Ti(Nb)、Si、Aln舍弗勒（舍弗勒（Schaeffler）组织图中）组织图中 Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb,%Nieq=Ni+30C+0.5Mn,%n德龙（德龙（Delong）组织图中）组织图中 Creq=
30、Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb,%Nieq=Ni+30C+30N+0.5Mn,%n 图图4-4 舍夫勒（舍夫勒（Schaeffler）焊缝组织图）焊缝组织图 (2)晶间腐蚀的原因晶间腐蚀的原因n贫贫Cr理论：不锈钢耐蚀基本保证：理论：不锈钢耐蚀基本保证：Cr12%无论整体或局部，若无论整体或局部，若Cr12%，腐蚀，腐蚀n晶界处析出碳化铬（晶界处析出碳化铬（Cr23C6），造成贫铬的晶界，），造成贫铬的晶界，是产生晶间腐蚀的主要原因。是产生晶间腐蚀的主要原因。n影响因素：影响因素：化学成分、腐蚀介质、热循环温度及时间。化学成分、腐蚀介质、热循环温度及时间。18-8钢的晶间腐蚀敏感温度钢的晶
31、间腐蚀敏感温度-时间曲线时间曲线n18-8钢在钢在450850停留一定时间，晶界处析出富铬碳化物停留一定时间，晶界处析出富铬碳化物(M23C6型型)，形成贫铬，形成贫铬区。在腐蚀介质作用下，贫铬区优先腐蚀，即产生晶间腐蚀。区。在腐蚀介质作用下，贫铬区优先腐蚀，即产生晶间腐蚀。n受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶间断裂。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶间断裂。图图4-6 0Cr18Ni9钢碳化物溶解曲线钢碳化物溶解曲线 图图4-8 18-8Ti钢钢HAZ碳化物分布碳化物分布 (3)防止晶间腐蚀的措施防止晶间腐蚀的措施1)选用超低碳或添加选用超
32、低碳或添加Ti、Nb等稳定元素的不锈钢焊材。等稳定元素的不锈钢焊材。要求：母材要求：母材C0.03%，焊丝，焊丝C0.02%2)使之形成（使之形成（+）双相组织，）双相组织，约约5%；3)采用小热输入，减小采用小热输入，减小HAZ敏化区停留时间；采用小电敏化区停留时间；采用小电流、快速焊、短弧焊、不横向摆动，焊缝强制冷却，流、快速焊、短弧焊、不横向摆动，焊缝强制冷却，减小减小HAZ，控制层间温度，后焊道在前焊道冷却到，控制层间温度，后焊道在前焊道冷却到60以下再焊；以下再焊；4)接触腐蚀介质面的焊缝最后焊接；接触腐蚀介质面的焊缝最后焊接；5)焊后焊后稳定化处理，也就是在稳定化处理，也就是在85
33、0900短时加热后短时加热后空冷，可消除晶间腐蚀倾向空冷，可消除晶间腐蚀倾向。2.接头区应力腐蚀开裂（接头区应力腐蚀开裂（SCC）n应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢焊接接头较严重的失效形式，是一种应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢焊接接头较严重的失效形式，是一种无塑性变形的脆性破坏。无塑性变形的脆性破坏。n大多发生在焊缝表面，深入到焊缝内部，尖部多分枝，穿过奥氏体大多发生在焊缝表面，深入到焊缝内部，尖部多分枝，穿过奥氏体晶粒，少量穿过晶界处的铁素体晶粒。是应力和腐蚀介质共同作用晶粒，少量穿过晶界处的铁素体晶粒。是应力和腐蚀介质共同作用的结果。的结果。n影响因素：影响因素：焊接区的残余拉应力焊接区的残余拉应力
34、 焊缝组织和碳化物析出焊缝组织和碳化物析出 由于焊接结构原因，在接头区存在局部浓缩和沉积的介质由于焊接结构原因，在接头区存在局部浓缩和沉积的介质n引起应力腐蚀开裂须具备三个条件：引起应力腐蚀开裂须具备三个条件：金属在该环境中具有应力腐蚀开裂的倾向；金属在该环境中具有应力腐蚀开裂的倾向；由这种材质组成的结构处于选择性的腐蚀介质中；由这种材质组成的结构处于选择性的腐蚀介质中；有高于一定水平的拉应力。有高于一定水平的拉应力。n 图图4-11 18-8钢管钢管C含量对焊接接头含量对焊接接头SCC断裂的影响断裂的影响超低碳有利于提超低碳有利于提高抗高抗SCC性能性能 防止应力腐蚀开裂的措施：防止应力腐蚀
35、开裂的措施：n 合理设计焊接接头，避免腐蚀性介质在接头处聚集，减小应力合理设计焊接接头，避免腐蚀性介质在接头处聚集，减小应力集中；集中；n 减小焊接应力，合理布置焊道顺序，如采用分段退焊等。减小减小焊接应力，合理布置焊道顺序，如采用分段退焊等。减小焊接接头的拘束度，焊后消除应力退火处理。（难以实施焊后热焊接接头的拘束度，焊后消除应力退火处理。（难以实施焊后热处理时，改变焊件的表面状态，对腐蚀表面进行喷丸处理，使该处理时，改变焊件的表面状态，对腐蚀表面进行喷丸处理，使该区产生压应力，或对敏化表面进行抛光、电镀或喷涂等，提高耐区产生压应力，或对敏化表面进行抛光、电镀或喷涂等，提高耐腐蚀性能。）腐蚀
36、性能。）n 合理选择母材和焊材，采用超合金化的焊材，即焊缝金属中的合理选择母材和焊材，采用超合金化的焊材，即焊缝金属中的耐蚀合金元素（耐蚀合金元素（Cr、Mo、Ni等）含量高于母材。等）含量高于母材。n 采用热量集中的焊接方法、小热输入、快速冷却等，减少焊接采用热量集中的焊接方法、小热输入、快速冷却等，减少焊接区碳化物析出和避免接头区过热。保证焊接接头部位光滑洁净，区碳化物析出和避免接头区过热。保证焊接接头部位光滑洁净，焊接飞溅物、电弧擦伤等是导致应力腐蚀开裂的起源，因此保证焊接飞溅物、电弧擦伤等是导致应力腐蚀开裂的起源，因此保证焊接接头的外在质量也是重要的。焊接接头的外在质量也是重要的。3.
37、焊接接头的热裂纹焊接接头的热裂纹 （1）特征）特征 奥氏体钢具有较高的热裂纹敏感性，最常见的是焊缝横（纵）奥氏体钢具有较高的热裂纹敏感性，最常见的是焊缝横（纵）向裂纹、弧坑裂纹、焊缝凝固裂纹，向裂纹、弧坑裂纹、焊缝凝固裂纹，HAZ液化裂纹，厚大焊件液化裂纹，厚大焊件中有时出现焊道下裂纹。中有时出现焊道下裂纹。（2）产生原因）产生原因n 奥氏体钢线胀系数大（是低碳钢奥氏体钢线胀系数大（是低碳钢1.5倍），导热系数小（是倍），导热系数小（是低碳钢低碳钢1/3），焊接局部加热和冷却条件下，焊缝及），焊接局部加热和冷却条件下，焊缝及HAZ在高温在高温承受较大的拉伸应力与应变；承受较大的拉伸应力与应变；
38、n 合金组成复杂，焊缝结晶时，在凝固结晶过程的温度范围很合金组成复杂，焊缝结晶时，在凝固结晶过程的温度范围很大，一些低熔点杂质元素偏析严重，并且在晶界聚集；大，一些低熔点杂质元素偏析严重，并且在晶界聚集；n 焊缝方向性很强，在凝固结晶后期以液态夹层存在于柱状晶焊缝方向性很强，在凝固结晶后期以液态夹层存在于柱状晶粒之间，在一定的拉应力作用下起裂、扩展形成晶间开裂。粒之间，在一定的拉应力作用下起裂、扩展形成晶间开裂。n 焊接区较大的焊接应力是形成焊接热裂纹的必要条件。焊接区较大的焊接应力是形成焊接热裂纹的必要条件。奥氏体化元素对热裂纹的影响奥氏体化元素对热裂纹的影响 铁素体化元素对热裂纹的影响铁素
39、体化元素对热裂纹的影响 (3)凝固模式对热裂纹的影响凝固模式对热裂纹的影响n凝固裂纹易产生于单相凝固裂纹易产生于单相组织的组织的焊缝中，如果为焊缝中，如果为双相组织，双相组织，不易于产生凝固裂纹。不易于产生凝固裂纹。n通常用室温下焊缝中通常用室温下焊缝中相数量来相数量来判断热裂倾向。判断热裂倾向。n室温室温量由量由0%增至增至100%，热，热裂倾向与脆性温度区（裂倾向与脆性温度区（BTR）大）大小完全对应。小完全对应。图图4-13 铁素体含量对热裂倾向的影响铁素体含量对热裂倾向的影响 TCL裂纹总长裂纹总长 BTR脆性温度区间脆性温度区间根据晶粒润湿理论，偏析液膜能够润湿根据晶粒润湿理论，偏析
40、液膜能够润湿-、-界面，界面，不能润湿不能润湿-异相界面。异相界面。n以以FA模式模式形成的形成的铁素体呈蠕虫状，防碍铁素体呈蠕虫状，防碍枝晶发展，枝晶发展，构成的构成的-界面，界面，不会有热裂倾向不会有热裂倾向。n单纯单纯F或或A模式凝固时，只有模式凝固时，只有-或或-界面，所以有界面，所以有热裂倾向。热裂倾向。n以以AF模式凝固时，由于是通过包晶模式凝固时，由于是通过包晶/共晶反应形成共晶反应形成+，这种共晶，这种共晶不足以构成理想的不足以构成理想的-界面，仍可呈界面，仍可呈现液膜润湿现象，仍有一定的热裂倾向。现液膜润湿现象，仍有一定的热裂倾向。HAZ热裂纹与热裂纹与Creq/Nieq的关
41、系的关系n根据焊缝组织图，在根据焊缝组织图，在Creq/Nieq1.5时，时，P+S0.01%，可保，可保证不产生热裂纹。易产生液化证不产生热裂纹。易产生液化裂纹的部位是过热区（裂纹的部位是过热区（1300-1450），易出现偏析液膜。），易出现偏析液膜。n18-8钢，钢，Creq/Nieq处于处于1.5-2.0，一般不产生热裂；一般不产生热裂；n25-20钢，钢，Creq/Nieq1.5，Ni含含量越高，比值越小，所以具有量越高，比值越小，所以具有明显的热裂敏感性。明显的热裂敏感性。图图4-17 Creq/Nieq对对HAZ热裂纹的影响热裂纹的影响 （4）热裂纹防止措施）热裂纹防止措施1）正
42、确选用焊材）正确选用焊材 用低氢焊条可使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，用低氢焊条可使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，提高抗裂性，但降低耐蚀性。用酸性焊条，氧化性强，合金元素提高抗裂性，但降低耐蚀性。用酸性焊条，氧化性强，合金元素烧损严重，抗裂性差，晶粒粗大，容易产生热裂纹；烧损严重，抗裂性差，晶粒粗大，容易产生热裂纹；2）减少焊缝中）减少焊缝中Ni、C、S、P含量，增加含量，增加Cr、Mo、Si、Mn含量，可含量，可以减少热裂纹。为了获得双相组织，一般以减少热裂纹。为了获得双相组织，一般Cr/Ni=2.22.3，Ni含量含量过高，易产生热裂纹；过高，易产生热裂纹；3）控制焊缝金属的组织）控制焊缝金属
43、的组织 焊缝组织为焊缝组织为+组织时，晶界处不易产生组织时，晶界处不易产生低熔点杂质偏析，可以减少热裂纹。但低熔点杂质偏析，可以减少热裂纹。但5%，否则会造成，否则会造成相脆相脆化；化；4）控制工艺参数）控制工艺参数 采用小热输入，即小电流、快速焊，减少熔池过采用小热输入，即小电流、快速焊，减少熔池过热，避免形成粗大柱状晶。采用快冷，减少偏析，提高抗裂性。热，避免形成粗大柱状晶。采用快冷，减少偏析，提高抗裂性。要控制层间温度，后道焊缝要在前焊道冷却到要控制层间温度，后道焊缝要在前焊道冷却到60以下再施焊。以下再施焊。4.2.2 焊接方法和焊接材料焊接方法和焊接材料 （1）焊接方法）焊接方法n熔
44、焊方法可用于熔焊方法可用于A不锈钢的焊接。从经济性、技术性不锈钢的焊接。从经济性、技术性方面考虑，采用方面考虑，采用SMAW、TIG、SAW、PAW等。等。n选择焊接方法须考虑到质量、效率、成本及自动化程选择焊接方法须考虑到质量、效率、成本及自动化程度等，以获得最大的综合效益。度等，以获得最大的综合效益。nE.g.焊接不锈钢薄板时，选用焊接不锈钢薄板时，选用TIG焊较合适；焊接不焊较合适；焊接不锈钢中、厚板，宜选用锈钢中、厚板，宜选用MIG或或SAW，但应考虑施工条，但应考虑施工条件及焊缝位置。件及焊缝位置。n平直焊缝，板厚大于平直焊缝，板厚大于6mm时，可采用焊剂垫或陶瓷衬时，可采用焊剂垫或
45、陶瓷衬垫单面焊双面成形，不仅背面无需清根，还可节约焊垫单面焊双面成形，不仅背面无需清根，还可节约焊材，提高生产效率。材，提高生产效率。奥氏体不锈钢焊接奥氏体不锈钢焊接 表表7.9 焊接方法对不同类型不锈钢的适用性焊接方法对不同类型不锈钢的适用性 (2)焊接材料焊接材料 nA不锈钢焊接通常采用与母材化学成分相似的焊材，不锈钢焊接通常采用与母材化学成分相似的焊材，要求按要求按“等成分原则等成分原则”选择焊材，以满足选择焊材，以满足A不锈钢接不锈钢接头的耐蚀性等使用性能要求。头的耐蚀性等使用性能要求。n填充金属的选择主要考虑所获得的熔敷金属的显微组填充金属的选择主要考虑所获得的熔敷金属的显微组织，焊
46、缝中的主要组成相是奥氏体（织，焊缝中的主要组成相是奥氏体（相）、铁素体相）、铁素体（相）和碳化物。相）和碳化物。n控制焊缝中铁素体（控制焊缝中铁素体（相）的比例。相）的比例。表表7.11 常用奥氏体不锈钢焊接材料的选用常用奥氏体不锈钢焊接材料的选用 4.2.3 奥氏体不锈钢焊接工艺要点奥氏体不锈钢焊接工艺要点1.一般特点一般特点 1）选热量集中，加热）选热量集中，加热-冷却快的焊接方法；冷却快的焊接方法；2）I焊焊比低碳钢时小比低碳钢时小10-20%，短弧、不摆动；，短弧、不摆动；3）尽量机械化快速焊，保持工艺参数稳定。）尽量机械化快速焊，保持工艺参数稳定。2.焊接材料选择焊接材料选择 18-
47、8、25-20、25-133.焊接方法焊接方法 薄板：薄板：TIG、微束、微束PAW、厚板：厚板：SMAW、TIG、MIG、PAW、SAW (1)焊前准备焊前准备n 焊前清理焊前清理 清除母材和坡口表面的油污和杂质；表面氧化皮较薄清除母材和坡口表面的油污和杂质；表面氧化皮较薄用酸洗清除；氧化皮较厚时，用钢丝刷、打磨或喷丸等清理。用酸洗清除；氧化皮较厚时，用钢丝刷、打磨或喷丸等清理。n 接头设计和坡口形式接头设计和坡口形式 根据不同的板厚和焊接方法设计接头和坡根据不同的板厚和焊接方法设计接头和坡口形式。为了保证焊接质量，坡口两侧口形式。为了保证焊接质量，坡口两侧2030mm内应涂覆防飞溅内应涂覆
48、防飞溅涂料以防止焊接飞溅损伤钢材表面。工件表面不许有电弧擦伤或机械涂料以防止焊接飞溅损伤钢材表面。工件表面不许有电弧擦伤或机械损伤。损伤。n 焊接衬垫焊接衬垫 由于由于A钢焊接熔池较大，液态金属高温停留时间长，为钢焊接熔池较大，液态金属高温停留时间长，为了保证焊缝背面成形和防止烧穿，需采用焊接衬垫或垫板。垫板材料了保证焊缝背面成形和防止烧穿，需采用焊接衬垫或垫板。垫板材料应与母材相同。焊接不锈钢管时，采用可熔衬块。第一层用应与母材相同。焊接不锈钢管时，采用可熔衬块。第一层用TIG施焊，施焊，可直接在坡口钝边上用可直接在坡口钝边上用TIG焊封底。焊封底。n 点固焊点固焊 采用采用SMAW焊接大厚
49、度的焊接大厚度的A钢件，为了焊前装配、定位和钢件，为了焊前装配、定位和减小变形等需采用点固焊。点固焊条与施焊焊条相同，直径稍细些。减小变形等需采用点固焊。点固焊条与施焊焊条相同，直径稍细些。点固焊高度不超过工件板厚点固焊高度不超过工件板厚2/3。4.焊接工艺要点焊接工艺要点 尽量采用小电流、快速焊、窄道焊，以减小晶尽量采用小电流、快速焊、窄道焊，以减小晶间腐蚀及热裂纹倾向。焊接热输入应比低碳钢低间腐蚀及热裂纹倾向。焊接热输入应比低碳钢低10%-20%。奥氏体不锈钢焊接奥氏体不锈钢焊接 本章小结本章小结n熟悉不锈钢和耐热钢的分类，如奥氏体钢、铁素体钢、熟悉不锈钢和耐热钢的分类，如奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、马氏体钢、A-F双相钢。双相钢。n了解奥氏体不锈钢焊接特点，焊接中易出现什么问题了解奥氏体不锈钢焊接特点，焊接中易出现什么问题（如晶间腐蚀、热裂纹）、影响因素和防止措施。（如晶间腐蚀、热裂纹）、影响因素和防止措施。n熟悉奥氏体不锈钢的焊接工艺要点。熟悉奥氏体不锈钢的焊接工艺要点。n了解铁素体不锈钢焊接问题（了解铁素体不锈钢焊接问题（HAZ脆化等）、防止措脆化等）、防止措施及焊接工艺要点。施及焊接工艺要点。n了解马氏体不锈钢焊接问题（冷裂纹、了解马氏体不锈钢焊接问题（冷裂纹、HAZ硬化）、硬化）、防止措施及焊接工艺要点。防止措施及焊接工艺要点。
