1、 各种材料的焊接 毕晓敏毕晓敏 2011年年10月月一.奥氏体不锈钢的焊接v1.不锈钢概述不锈钢概述v（1）不锈钢的概念）不锈钢的概念v1）定义）定义:主加元素铬含量高于主加元素铬含量高于12%，能使钢处于钝，能使钢处于钝化状态又具有不锈特性的钢称之为不锈钢。化状态又具有不锈特性的钢称之为不锈钢。v2）通常所说的不锈钢实际上是不锈钢和耐酸钢的）通常所说的不锈钢实际上是不锈钢和耐酸钢的总称。总称。v不锈钢：一般是指在大气、水等弱腐蚀介质中耐不锈钢：一般是指在大气、水等弱腐蚀介质中耐蚀的钢。蚀的钢。v耐酸钢：是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀耐酸钢：是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。的钢。v
2、不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般都具有良好的不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般都具有良好的不锈性能。不锈性能。v不锈钢和耐酸钢的共同点：含不锈钢和耐酸钢的共同点：含r量都在量都在12%以上。以上。v按照习惯叫法，下文中将不锈钢和耐酸钢按照习惯叫法，下文中将不锈钢和耐酸钢统称为不锈钢。统称为不锈钢。v2.不锈钢的分类及用途不锈钢的分类及用途v按金相组织分：可分为五类按金相组织分：可分为五类 v奥氏体不锈钢：如：奥氏体不锈钢：如：304，316 L，在氧化，在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性，应用最为广泛耐蚀性，应用最为广泛。v铁素体不锈钢：如：铁素
3、体不锈钢：如：00Cr12，1Cr17，主要应用，主要应用于腐蚀环境不十分苛刻的场合，如室内装饰、厨房于腐蚀环境不十分苛刻的场合，如室内装饰、厨房设备、家用器具。主要用它的不锈性能。设备、家用器具。主要用它的不锈性能。v马氏体不锈钢：如：马氏体不锈钢：如：0Cr13，1Cr13，主要用于，主要用于硬度、强度要求较高而耐腐蚀性要求不太高的场合，硬度、强度要求较高而耐腐蚀性要求不太高的场合，如量具、刀具、餐具等。主要用它的不锈和高强度。如量具、刀具、餐具等。主要用它的不锈和高强度。v铁素体铁素体-奥氏体型不锈钢（双相不锈钢）：奥氏体型不锈钢（双相不锈钢）：如：如：UNS S31803，UNS S3
4、2750,韧性良好，强度韧性良好，强度较高，耐氯化物应力腐蚀和抗点腐蚀能力强。在石较高，耐氯化物应力腐蚀和抗点腐蚀能力强。在石化领域、海水处理设备中应用广泛。化领域、海水处理设备中应用广泛。v沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢 ：0Cr17Ni7Al，0Cr17Ni4Cu4Nb，通常用作耐磨、耐蚀的高强度，通常用作耐磨、耐蚀的高强度结构件。如轴、齿轮、螺栓等。结构件。如轴、齿轮、螺栓等。v3.奥氏体不锈钢焊接特点奥氏体不锈钢焊接特点v 易产生焊接热裂纹，这主要由于奥氏体不锈钢易产生焊接热裂纹，这主要由于奥氏体不锈钢导热系数小，线膨胀系数大，接头在高温停留时间导热系数小，线膨胀系数大，接头在高温停留时
5、间长，在热应力作用下易产生热裂纹，同时由于单相长，在热应力作用下易产生热裂纹，同时由于单相奥氏体组织易形成粗大的方向性很强的柱状晶组织，奥氏体组织易形成粗大的方向性很强的柱状晶组织，在凝固过程中，一些杂质元素易在晶间形成低熔点在凝固过程中，一些杂质元素易在晶间形成低熔点的液态膜，在拉应力作用下形成凝固裂纹。的液态膜，在拉应力作用下形成凝固裂纹。v易产生晶间腐蚀倾向，在易产生晶间腐蚀倾向，在500800温度区间停温度区间停留时间过长时，晶内的碳就会析出于晶界，与晶界留时间过长时，晶内的碳就会析出于晶界，与晶界处的处的Cr结合形成结合形成Cr23C6，从而使晶界发生贪，从而使晶界发生贪Cr现现象，
6、当晶界的象，当晶界的Cr低于低于12%时，就会使晶间的耐蚀性时，就会使晶间的耐蚀性严重降低，不耐腐蚀，这就造成晶间腐蚀倾向。严重降低，不耐腐蚀，这就造成晶间腐蚀倾向。v4.工艺要点：工艺要点：v选择合适的焊材，保证焊缝的选择合适的焊材，保证焊缝的Cr、Ni含量含量v尽量选用偏小电流、快速焊，使高温停留时间短尽量选用偏小电流、快速焊，使高温停留时间短v严格控制层间温度，一般低于严格控制层间温度，一般低于100v选用超低选用超低C和和S、P含量低的焊材。但对于连续重整含量低的焊材。但对于连续重整装置中的再生器，应保证装置中的再生器，应保证C=0.040.08%，以确保，以确保高温蠕变强度。高温蠕变
7、强度。二.抗氢诱导裂纹用钢（HIC钢）的焊接v1.HIC钢的由来钢的由来v 随着我国石化行业的飞速发展，原油需求量越来越大，随着我国石化行业的飞速发展，原油需求量越来越大，且进口原油多占得比例越来越大，进口油大部分是高且进口原油多占得比例越来越大，进口油大部分是高S，而，而 S在有水的条件下就会形成在有水的条件下就会形成H2S，设备在湿，设备在湿H2S条件下使用条件下使用就会由此而引起裂纹，从而发生损坏或破裂事故。近年来就会由此而引起裂纹，从而发生损坏或破裂事故。近年来 在石化行业由于在石化行业由于H2S的存在引起的破坏事故越来越多。的存在引起的破坏事故越来越多。v 如何提高钢材的品质，采用具
8、有能抵抗诱导裂纹能力如何提高钢材的品质，采用具有能抵抗诱导裂纹能力的钢，这是解决问题的关键，为此抗诱导裂纹用钢就应运的钢，这是解决问题的关键，为此抗诱导裂纹用钢就应运而生，我国已经成功地研制出而生，我国已经成功地研制出Q345R（HIC）钢）钢。德国迪林根钢厂依照美国工程材料标准德国迪林根钢厂依照美国工程材料标准（ASTM/ASME）SA516Gr60、65、70所生产所生产的的DICREST系列钢材是具有良好抗系列钢材是具有良好抗HIC性能的性能的压力容器用钢板压力容器用钢板,SA516Gr.70（HIC）钢不是一）钢不是一个新的钢号，只是在个新的钢号，只是在SA516Gr.70钢板规定的范
9、钢板规定的范围内增加了一些附加要求，以提高钢材抗氢诱围内增加了一些附加要求，以提高钢材抗氢诱导开裂（导开裂（HIC）的能力。）的能力。“HIC”的英文全称为的英文全称为“Hydrogen Included Cracking”，中文含义为，中文含义为“氢诱导裂纹氢诱导裂纹”。所以无论从焊工资格、焊所以无论从焊工资格、焊接规范等方面，均可按接规范等方面，均可按SA516Gr.70钢来对待，钢来对待，只是由于焊材选择和力学性能（只是由于焊材选择和力学性能（-30冲击冲击要求）、焊缝化学成分有特殊要求，故焊接要求）、焊缝化学成分有特殊要求，故焊接工艺评定必须单独进行。工艺评定必须单独进行。v2.抗抗H
10、IC钢的特点钢的特点v严格控制其含严格控制其含Mn量和量和S、P含量含量 Mn从从1.20-1.601.20-1.35 S0.004 P0.010v对钢的冶炼过程中进行喷钙处理，以改善夹杂物的形状。对钢的冶炼过程中进行喷钙处理，以改善夹杂物的形状。v控制其硬度控制其硬度200HBv焊后应该进行消应力热处理焊后应该进行消应力热处理v应能够通过抗氢诱导裂纹的腐蚀试验应能够通过抗氢诱导裂纹的腐蚀试验 具体的讲，美国具体的讲，美国NACE TM-0284-2003标准标准 我国我国GB/8650-2006试验标准试验标准v3.抗氢诱导裂纹的腐蚀试验抗氢诱导裂纹的腐蚀试验vA溶液：试验溶液含溶液：试验溶
11、液含5%氯化钠和氯化钠和0.5%醋酸，在硫醋酸，在硫化氢饱和之后的化氢饱和之后的PH值约为值约为3。vB溶液：人造海水，在硫化氢饱和之后的溶液：人造海水，在硫化氢饱和之后的PH值约为值约为4.85.4。图一 HIC试验方法图二 试样截取示意图图三 裂纹的计算示意图v裂纹长度比：CLR=a/W 100%v裂纹厚度比：CTR=b/T 100%v裂纹敏感性比：v CSR=（ab）/（WT）100%v其中：a裂纹长度，v b裂纹宽度，v T试样厚度 v W试样宽度 （W=200.5mm）v4.HIC钢对焊接的特殊要求钢对焊接的特殊要求v焊缝的焊缝的S、P含量要求含量要求 S0.010 P0.015v焊
12、接接头的硬度焊接接头的硬度 HB200v接头冲击试验：接头冲击试验：A-30kv 34J 单个值单个值24Jv焊后应该进行消应力热处理。焊后应该进行消应力热处理。推荐使用温度为推荐使用温度为62014三.低温钢的焊接v定义：凡用来制造低于或等于定义：凡用来制造低于或等于-20的低温设备，的低温设备，在相应的低温条件下仍具有良好的低温冲击韧性在相应的低温条件下仍具有良好的低温冲击韧性和抗脆断能力的钢称之为低温钢。和抗脆断能力的钢称之为低温钢。v1.影响低温韧性的主要因素影响低温韧性的主要因素v(1)化学成分化学成分v C、S、P都会使韧脆转变温度升高，都会使韧脆转变温度升高，尽量降低尽量降低 含
13、含C量量,严格限制严格限制S、P含量。含量。v V、Ti、Nb及及RE(稀土稀土)可以细化晶粒，提高低可以细化晶粒，提高低温韧性。温韧性。vMn、Ni会降低钢材的韧脆转变温度。特别是会降低钢材的韧脆转变温度。特别是Ni可以显著改善钢的低温韧性。可以显著改善钢的低温韧性。v（2）金属的组织和晶粒、晶格状态）金属的组织和晶粒、晶格状态v 奥氏体钢具有面心立方晶格，其韧性随温度奥氏体钢具有面心立方晶格，其韧性随温度降低变化极小，故在很低的温度下仍具有较高的降低变化极小，故在很低的温度下仍具有较高的韧性。凡具有面心立方晶格的金属，如韧性。凡具有面心立方晶格的金属，如铁、铝、铁、铝、铜及镍等都不会产生冷
14、脆性。此外，钢的晶粒越铜及镍等都不会产生冷脆性。此外，钢的晶粒越细，低温冲击韧性越好，所以凡是可以细化晶粒细，低温冲击韧性越好，所以凡是可以细化晶粒的合金元素或通过正火热处理等工艺措施，均能的合金元素或通过正火热处理等工艺措施，均能改善钢的低温韧性。改善钢的低温韧性。v2.低温钢的分类低温钢的分类v按钢的组织分：可分为铁素体型低温钢和奥氏按钢的组织分：可分为铁素体型低温钢和奥氏 体型低温钢。体型低温钢。v 按合金体系分：可分为不含按合金体系分：可分为不含 Ni钢和含钢和含Ni钢。钢。va）不含）不含 Ni钢：一般最低使用温度在钢：一般最低使用温度在-40以上，属以上，属于铁素体型低温钢。这类钢
15、主要通过严格控制于铁素体型低温钢。这类钢主要通过严格控制C、S、P含量或添加少量的含量或添加少量的V、Al、Nb、Ti等微合金化元等微合金化元素，通过合金元素的固溶强化、晶粒细化并进行正素，通过合金元素的固溶强化、晶粒细化并进行正火、正火火、正火+回火、淬火回火、淬火+回火的热处理来得到良好的回火的热处理来得到良好的低温韧性。如：低温韧性。如：SA350 LF6Cl.2、SA333Gr.6。vb）含）含 Ni钢：根据钢：根据Ni含量的高低，其使用温度也不含量的高低，其使用温度也不同，一般来说，随着同，一般来说，随着Ni含量的增加，使用温度也越含量的增加，使用温度也越低。含低。含 Ni钢中，当钢
16、中，当Ni含量较低时，属于铁素体型低含量较低时，属于铁素体型低温钢；当温钢；当Ni含量较高时，则属于奥氏体型低温钢。含量较高时，则属于奥氏体型低温钢。对于铁素体型含对于铁素体型含Ni低温钢，按含低温钢，按含Ni量不同，可分为量不同，可分为0.5Ni钢、钢、1.5Ni钢、钢、2.5Ni钢、钢、3.5Ni钢、钢、5 Ni钢和钢和9 Ni钢。钢。按最低使用温度分：按最低使用温度分：-40、-70、-90 -101、-170、-196等几个温度级别用钢。等几个温度级别用钢。如：如：SA203GrA、B等均属于等均属于2.5Ni钢，使用温度钢，使用温度 在在-60，SA SA203GrD、E、F等均属于
17、等均属于3.5Ni 钢，使用温度在钢，使用温度在-101。v3.焊接工艺要点焊接工艺要点v 选择合适的焊接材料。要选择与钢的最低使用温选择合适的焊接材料。要选择与钢的最低使用温度相匹配的焊接材料，必要时，要选用能保证比钢度相匹配的焊接材料，必要时，要选用能保证比钢的最低使用温度更低的焊材。要从焊缝的化学成分的最低使用温度更低的焊材。要从焊缝的化学成分组成上保证焊缝的低温冲击韧性。如添加组成上保证焊缝的低温冲击韧性。如添加Ni和细化和细化晶粒的晶粒的Ti、B等微合金化元素，严格控制其等微合金化元素，严格控制其C、S、P含量。含量。v 严格控制预热温度和层间温度不可过高，一般控严格控制预热温度和层
18、间温度不可过高，一般控制在制在100-150。v采用较小的焊接热输入量，这是避免焊缝采用较小的焊接热输入量，这是避免焊缝和热影响区不会形成粗大的结晶组织而使低和热影响区不会形成粗大的结晶组织而使低冲严重降低的关键工艺措施，具体要求是：冲严重降低的关键工艺措施，具体要求是：v（a）焊接电流不易过大）焊接电流不易过大v（b）尽量采用窄焊道，不摆动的多道多层焊）尽量采用窄焊道，不摆动的多道多层焊v（c）宜采用快速多道焊，以减轻焊道过热，）宜采用快速多道焊，以减轻焊道过热，并通过薄层多道焊的重热作用细化晶粒。并通过薄层多道焊的重热作用细化晶粒。v要避免弧坑、未焊透及咬边等缺陷。这些要避免弧坑、未焊透及
19、咬边等缺陷。这些缺陷造成应力集中，是引起低温条件下造成缺陷造成应力集中，是引起低温条件下造成脆性破坏的源泉，所以低温容器不允许任何脆性破坏的源泉，所以低温容器不允许任何咬边缺陷存在。咬边缺陷存在。v4.焊后热处理焊后热处理v焊后消除应力热处理对于低温容器而言，是焊后消除应力热处理对于低温容器而言，是确保焊接接头低温冲击韧性合格的重要工艺确保焊接接头低温冲击韧性合格的重要工艺措施之一。虽然措施之一。虽然GB150附录附录C低温压力容低温压力容器器规定，只有规定，只有16mm的碳钢、低合金钢的碳钢、低合金钢制低温容器或元件应进行焊后热处理，但一制低温容器或元件应进行焊后热处理，但一般对于低温容器而
20、言，要慎重考虑其热处理般对于低温容器而言，要慎重考虑其热处理问题，因为焊后热处理可以降低其脆断的危问题，因为焊后热处理可以降低其脆断的危险性。险性。v 一般低温钢容器的焊后热处理温度不宜超一般低温钢容器的焊后热处理温度不宜超过过620。四.双相不锈钢的焊接v1.双相不锈钢定义：指金相组织由铁素体和奥双相不锈钢定义：指金相组织由铁素体和奥氏体两相组成的不锈钢，其中铁素体和奥氏体氏体两相组成的不锈钢，其中铁素体和奥氏体各占一半，且一般较少相的含量至少也要在各占一半，且一般较少相的含量至少也要在30%以上，这种不锈钢称为铁素体以上，这种不锈钢称为铁素体-奥氏体双相奥氏体双相不锈钢。不锈钢。铁素体含量
21、低于铁素体含量低于10%，这种不锈钢不这种不锈钢不属于双相不锈钢之列，一般仍称之为奥氏体不属于双相不锈钢之列，一般仍称之为奥氏体不锈钢锈钢。v2.双相钢的特性双相钢的特性v具有良好的耐蚀性，特别是其耐点蚀，缝隙腐蚀具有良好的耐蚀性，特别是其耐点蚀，缝隙腐蚀和应力腐蚀的能力比传统的奥氏体不锈钢优越的多。和应力腐蚀的能力比传统的奥氏体不锈钢优越的多。v综合性能好，不但有较高的屈服强度和疲劳强度，综合性能好，不但有较高的屈服强度和疲劳强度，同时具有良好的韧性，其同时具有良好的韧性，其Rp0.2可达可达400-550MPa，是普通不锈钢（是普通不锈钢（Rp0.2205MPa）的两倍，具有良）的两倍，具
22、有良好韧性的原因：主要是奥氏体相的存在好韧性的原因：主要是奥氏体相的存在。v3.焊接特点：焊接性良好，与奥氏体不锈钢比有焊接特点：焊接性良好，与奥氏体不锈钢比有较低的热裂纹倾向，与铁素体不锈钢相比有较低热较低的热裂纹倾向，与铁素体不锈钢相比有较低热脆化倾向。脆化倾向。v4.焊接工艺要点：焊接工艺要点：焊缝和热影响区都应保持相平衡，焊缝和热影响区都应保持相平衡，得到满意的相比例组织是关键，得到满意的相比例组织是关键，一般铁素体在一般铁素体在30-60%，最好在，最好在30-45%。v严格控制热输入量，过大或过小都不利，最好在严格控制热输入量，过大或过小都不利，最好在5-15KJ/cm。v过大时，
23、冷却速度慢，会使过大时，冷却速度慢，会使量多，结果使量多，结果使过少；过少；v过小时，冷却速度快，会使过小时，冷却速度快，会使量少，结果使量少，结果使过高，过高，要绝对避免十分快速的冷却。要绝对避免十分快速的冷却。v提高焊材的提高焊材的Ni含量，一般要含量，一般要 焊材中焊材中Ni含量要比母材含量要比母材 高高2-4%，所以在焊，所以在焊2205双相钢时要用双相钢时要用E2209焊条。焊条。v尽量采用多层多道焊。尽量采用多层多道焊。v一般不需要预热焊接，层间温度控制在一般不需要预热焊接，层间温度控制在150以下。以下。vTIG焊时不推荐采用自熔焊。焊时不推荐采用自熔焊。v（5）使用：）使用：v
24、双相钢的极限使用温度，双相钢的极限使用温度，EN标准定为标准定为250。v2205、2207是瑞典双相钢的焊条，作为通用型号是瑞典双相钢的焊条，作为通用型号 应应 成成UNSS31803和和UNSS32750。v焊材选用：焊条焊材选用：焊条 AWS A5.4 E2209 E2594 焊丝焊丝 AWS A5.9 E2209 ER25945镍基合金v1.什么是镍基耐蚀合金什么是镍基耐蚀合金v Ni含量在含量在30%以上的合金通常称为以上的合金通常称为Ni基合金，它属基合金，它属于有色合金之列，其显微组织为单一的奥氏体组织。于有色合金之列，其显微组织为单一的奥氏体组织。v镍基合金固态下没有相变，母材
25、和焊缝金属的晶粒镍基合金固态下没有相变，母材和焊缝金属的晶粒不能通过热处理细化，固态具有面心立方晶格结构，不能通过热处理细化，固态具有面心立方晶格结构，化学活泼性低，在化学活泼性低，在2001090能耐各种腐蚀介质能耐各种腐蚀介质的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能。的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能。v2.为什么镍基合金运用的越来越好：为什么镍基合金运用的越来越好：v 石化行业中所用设备的工作介质环境越来越苛石化行业中所用设备的工作介质环境越来越苛刻，各种腐蚀日益严重，需要用耐蚀性好的材料来刻，各种腐蚀日益严重，需要用耐蚀性好的材料来做设备。做设备。v Ni基合金具有独特的物理、力
26、学和耐蚀性能，基合金具有独特的物理、力学和耐蚀性能，能解决一般不锈钢和其他金属、非金属材料无法解能解决一般不锈钢和其他金属、非金属材料无法解决的工程腐蚀决的工程腐蚀，是各行各业中耐高温、高压、高浓，是各行各业中耐高温、高压、高浓度或混有不纯物质各种苛刻腐蚀环境的比较理想的度或混有不纯物质各种苛刻腐蚀环境的比较理想的金属材料。金属材料。v3.常用的镍基合金分类常用的镍基合金分类v纯纯Ni，如镍，如镍200、镍、镍201vNi-Cu合金：蒙乃尔合金，合金：蒙乃尔合金，Monel 400vNi-Cr-Fe合金：称因康镍合金合金：称因康镍合金,Inconel 600v Ni-Cr-MO-Nb合金：称因
27、康镍合金：称因康镍Inconel 625vNi-Fe-Cr合金：称因科洛依合金，合金：称因科洛依合金，Incoloy 800v Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金合金:称因科洛依称因科洛依Incoloy 825vNi-Mo-Cr合金：称哈斯特洛依合金合金：称哈斯特洛依合金,如如C-276v常用镍基合金推荐选用的焊材常用镍基合金推荐选用的焊材合金材料 牌号焊条牌号TIG、MIG焊丝牌号SAW焊材焊丝牌号焊剂镍200镍201镍141镍61镍61INCO FLUX6号焊剂Monel 400蒙乃尔190蒙乃尔60蒙乃尔605号焊剂Inconel 600因康镍182因康镍82因康镍824号焊剂Incone
28、l 625因康镍112因康镍625因康镍6254号焊剂Incoloy 800因康镍182因康镍82因康镍824号焊剂Incoloy 825因康镍112因康镍625因康镍6254号焊剂哈氏合金C-276哈氏合金C-276哈氏合金C-276v4.焊接特点焊接特点v具有高的热裂纹敏感性，凝固裂纹和多边具有高的热裂纹敏感性，凝固裂纹和多边 化裂纹化裂纹v易产生气孔，未融合，未焊透且熔易产生气孔，未融合，未焊透且熔 深浅深浅v焊前清理是保证成功焊接的一个极其重要焊前清理是保证成功焊接的一个极其重要的措施的措施v5.焊接工艺要点焊接工艺要点v正确选择合适的焊材正确选择合适的焊材v严格限制热输入量，使焊道具
29、有略为突起的外形，严格限制热输入量，使焊道具有略为突起的外形，层间温度层间温度100，填满弧坑，填满弧坑v焊件清理极其重要焊件清理极其重要v熔深浅，流动性差不能用增大电流克服，只有增熔深浅，流动性差不能用增大电流克服，只有增大坡口角度，适当摆动大坡口角度，适当摆动v预热和热处理：焊前不预热，不推荐焊后热处理预热和热处理：焊前不预热，不推荐焊后热处理六六.稀有金属（稀有金属（Ti、锆、锆Zr、Mg及其及其合金）的焊接合金）的焊接v主要工艺要点主要工艺要点:v焊接方法：等离子焊、电子束焊、焊接方法：等离子焊、电子束焊、Ar弧焊弧焊v焊件及焊材清理严格焊件及焊材清理严格v保护气体要用高纯的保护气体要用高纯的 谢谢！
