1、4-5 4-5 奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接 不锈钢是指能耐空气、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的总称。不锈钢实际上是不锈钢和不锈耐酸蚀钢的总称。在空气或弱介质中能抵抗侵蚀的钢称为不锈钢；在某些强腐蚀介质中能抵抗侵蚀的钢称为不锈耐酸蚀钢。不锈钢不一定能耐（酸）腐蚀，而耐蚀钢一定具有良好的耐蚀性。一、奥氏体不锈钢的分类及性能（一）不锈钢的分类 1、按其合金元素的特点分，可划分为铬不锈钢和铬镍不锈钢。2、按其正火状态下钢的组织状态分，可划分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体-铁素体型不锈钢。（1）马氏体不锈钢p室温组织为马氏体 铬的质
2、量分数较高(13%17%),碳的质量分数也较高(0.1%1.1%)。马氏体不锈钢具有一定的淬硬性、耐酸腐蚀性和较好的热稳定性及热强性。主要用于力学性能要求较高、且在弱腐蚀介质中工作的零件和工具，也可作为温度在700以下长期工作的耐热钢使用，如汽轮机的叶片、内燃机排气阀和医疗器械等。这类钢的焊接性较差，其典型牌号的钢板有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。（2）铁素体不锈钢p室温组织为铁素体 铬的质量分数较高(13%30%)，碳的质量分数较低(低于15%)。此类钢的耐酸能力强；加入钼后，则可以提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。此外，还有很好的抗氧化能力，强度低，塑性好，主要用于制作
3、化工设备中的容器、管道等，广泛用于硝酸、氮肥工业中。典型牌号的钢板有00Cr17Mo、00Cr30Mo2、00Cr12、1Cr17、1Cr17Mo等。根据其C和N的总含量分，铁素体不锈钢分为普通纯度铁素体不锈钢和超高纯度铁素体不锈钢两种。（1）普通纯度铁素体不锈钢 其碳的质量分数wc为0.1左右，并含有少量的氮，其典型的牌号为1Cr17Mo等。与奥氏体不锈钢相比，缺点是材质较脆，焊接性较差。其主要原因是其中碳和氮的总质量分数较高、在高温加热条件下造成钢的脆性转变温度升高。（2）超高纯度铁素体不锈钢 通过真空或保护气体精炼技术炼出超低碳和超低氮含量（C和N总质量分数0.0250.035）的超高纯
4、度铁素体不锈钢，其典型牌号有00Cr18Mo2和00Cr27Mo等。这类钢不论在韧性、耐蚀性还是焊接性等方面均优于普通纯度的铁素体不锈钢，并得到了广泛的应用。（3）奥氏体不锈钢p室温组织为奥氏体 它是在高铬不锈钢中加入适当的镍（镍的质量分数WNi为825）而形成的。其主要合金元素是铬、镍。奥氏体不锈钢属于耐蚀钢，它有更优良的耐腐蚀性，强度较低，而塑性、韧性极好，焊接性能良好。是目前工业上应用最广泛的不锈钢。主要用作化工容器、设备和零件等。典型牌号的钢板0Cr18Ni9,00Cr19Ni10，1Cr18Ni9,1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni10Ti，18Ni11Nb,1Cr18Ni12,0
5、Cr18Ni12Mo2Ti，0Cr25Ni20,0Cr23Ni13等。（4）奥氏体-铁素体不锈钢p室温组织为奥氏体+铁素体 与含碳量相同的奥氏体不锈钢相比，具有较小的晶间腐蚀倾向和较高的力学性能，且韧性比铁素体不锈钢好。同时，由于少量铁素体的存在，还有利于奥氏体不锈钢在焊接过程中防止热裂纹的形成。当铁素体的体积分数在3060时，不锈钢具有特殊的抗点蚀、抗应力腐蚀的性能，如00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr26Ni5Mo2等牌号，这类钢的屈服点约为一般奥氏体不锈钢的两倍。主要广泛应用于化肥厂和化工厂等设备装置，其机械加工、冷冲压和焊接性能良好，且具有较好的耐蚀性能。（5）沉淀硬度不锈钢 沉淀
6、硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性能的一类不锈钢。典型材料有马氏体沉淀硬化不锈钢（17-4PH）0Cr17Ni4Cu4，半奥氏体沉淀硬化钢(17-7PH)0Cr17Ni7Al。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、弹簧、阀等零件以及高强度压力容器、化工处理设备和航空航天设备等。（二）不锈钢的性能 1.不锈钢的物理性能 与焊接有关的物理性能主要有：（1）不锈钢的热导率低于碳钢，尤其是奥氏体不锈钢的热导率，约为碳钢的1/3。（2）不锈钢的电阻率高，尤其是奥氏体不锈钢的电阻率，约为碳钢的5倍。（3）奥氏体不锈钢的线膨胀系数比碳钢约大
7、 50，马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线膨胀系数大体上与碳钢相等。（4）奥氏体不锈钢的密度大于碳钢，马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的密度稍小于碳钢。（5）奥氏体不锈钢没有磁性，马氏体不锈钢和铁素体不锈钢有磁性。2.不锈钢的耐腐蚀性能 金属受腐蚀介质的化学及电化学作用而损坏的现象称为腐蚀。不锈钢的腐蚀形式有均匀腐蚀（整体腐蚀）、晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。（1）均匀腐蚀 接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象，称为均匀腐蚀，也称整体腐蚀。它是一种表面腐蚀。不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，它的均匀腐蚀量并不大。（2）晶间腐蚀 在腐蚀介质作用下，起源于金属表面的晶界，沿晶粒边界深入金属内部，产生
8、在晶粒之间的一种腐蚀，称晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的机理 晶粒边界的铬的质量分数降至12%以下，即在晶间形成铬的质量分数小于12%的贫铬区，因此晶间在腐蚀介质作用下发生腐蚀。产生晶间贫铬的原因是:奥氏体钢在固溶状态下碳以过饱和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。Cr23C6的析出消耗了大量的铬，因而使晶界附近Cr降到低于钝化所需的最低量12%，形成了贫铬层。贫铬层的电极电位比晶粒内低得多。当金属与腐蚀介质 接触时，就形成了微电池电极电位低的晶界成为阳极，被腐蚀溶解形成晶间腐蚀。图4-5-1 晶间腐蚀贫铬理论示意图 防止晶间腐蚀的主要措施：（1）采用超低碳不锈钢 （2
9、）采用双相组织 （3）添加稳定剂 （4）进行固溶处理 （5）进行均匀化处理 防止晶间腐蚀的工艺措施：（1）选择合适的焊接方法 即热输入最小，让焊接接头尽可能地缩短在敏化温度区间停留时间；（2）焊接参数应在保证焊缝质量的前提下，采用小的焊接电流、最快的焊接速度；（3）在操作上尽量采用窄焊缝，多道多层焊，焊条或焊丝不摆动；并注意每焊完一道焊缝后，要等焊接处冷却至室温再进行下一道焊缝的焊接。（4）强制焊接区的快速冷却；（5）焊后进行固溶处理或稳定化处。（3）点腐蚀 又称点蚀。它是指不锈钢表面产生的尺寸约小于1.0mm的穿孔性或蚀坑性的宏观腐蚀。主要是由材料表面钝化膜的局部破坏所引起的，经试验研究表明
10、，材料的阳极电位值越高，抗点蚀能力越好。其中，超低碳高铬镍含钼奥氏体不锈钢和超高纯度含钼高铬铁素体不锈钢均有较高的耐点蚀性能。（4）缝隙腐蚀 缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀坑，常发生在垫圈、铆接、螺钉连接缝、搭接的焊接接头等部位。主要是由介质的电化学不均匀性引起的。适当加入铬、钼含量可以改善抗缝隙腐蚀的能力。实际上只有采用钛、高钼镍基合金和铜合金等才能有效地防止缝隙腐蚀的发生。（5）应力腐蚀 它是指在静拉伸应力和电化学腐蚀介质共同作用下，因阳极溶解过程引起的腐蚀断裂。产生应力腐蚀开裂的影响因素：（1）应力性质、大小及结构特点。（2）钢的成分和组织状态。（3）腐蚀介质的种类、
11、温度、浓度等。p 防止应力腐蚀的措施：（1）正确的选用材料（2）消除残余应力（3）对材料进行防腐措施（4）改进部件结构及接头设计p奥氏体不锈钢焊接时存在的主要问题是：（1）焊缝及热影响区热裂纹敏感性大；（2）接头产生碳化铬沉淀析出，耐蚀性下降；（3）接头中铁素体含量高时，可能出现475脆化或相脆化。二、奥氏体不锈钢的焊接性（一）焊接接头的抗腐蚀性 奥氏体不锈钢焊接容易造成降低焊接接头抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力。1.晶间腐蚀（1）焊缝的晶间腐蚀 多层多道焊时，前面已焊焊缝处于敏化温度区时，会产生贫铬。使用时接触腐蚀介质，就会发生晶间腐蚀。防止焊缝晶间腐蚀，可选用含钛或铌稳定剂的奥氏体不锈钢焊接材料
12、，也可选用超低碳焊接材料材料，还可以选用焊缝有少量铁素体组织的焊接材料和熔合比。0Cr18Ni9不锈钢晶间腐蚀图4-5-2奥氏体不锈钢接头的晶间腐蚀a-焊缝晶间腐蚀；b-敏化区腐蚀；c-刀状腐蚀（2）热影响区的敏化温度区的晶间腐蚀 由于焊接热循环的加热速度和冷却速度都非常快，因此焊接热影响区的敏化温度区略高于热处理敏化温度区，在6001000范围内。防止热影响区晶间腐蚀的措施：选用含钛或铌的奥氏体不锈钢母材；在焊接工艺上选用小热输入焊接、快速冷却的焊接工艺等；以减少在敏化温度区范围的停留时间，减少晶界Cr23C6产生。奥氏体不锈钢在加热到400800时，对晶间腐蚀最为敏感，此温度区间称敏化温度
13、区。当温度低于400是，碳原子的活动能力很弱，Cr23C6析出困难而不会形成贫铬层；当温度高于800是，晶粒内部的铬获得了足够的动能，扩散到晶界，从而使已形成的贫铬区消失。当温度在400-800之间，既有利于Cr23C6的析出，晶内的铬原子又不能扩散到晶界，最容易形成贫铬层，对晶间腐蚀也最敏感。如果在400800温度区间加热足够长的时间，晶内的铬原子也可以扩散到晶界使贫铬层消失。18-8型奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感区温度与时间对应关系曲线（3）熔合线和过热区的“刀蚀”使用时，在一定的腐蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀状腐蚀的破坏，简称“刀蚀”。防止“刀蚀”的措施：选用超低碳奥氏
14、体不锈钢母材，对于稳定化不锈钢，要求Wc0.06%。减少近缝区过热，尽量选用小的线能量，以减小过热区在高温停留的时间。合理安排焊接顺序 刀口腐蚀不仅产生于焊后在敏化温度再热时，而在多层焊与双面焊时后一焊缝的热作用，有可能对先焊焊缝的过热区起到敏化温度加热作用，在于腐蚀介质接触时也会产生刀口腐蚀。焊后进行稳定化处理 使过热区的碳与稳定剂结合为稳定的碳化物，从而不会再以Cr23C6的形式析出。1Cr18Ni2Mo2Ti不锈钢焊接接头的刀状腐蚀2.应力腐蚀 应力腐蚀的最大特点之一是腐蚀介质与材料的组合上有选择性。p 防止应力腐蚀的措施（1）正确的选用材料（2）合理地设计焊接接头，避免腐蚀介质在焊接接
15、头部位聚集，降低或消除焊接接头应力集中。（3）消除或降低焊接接头的残余应力。不锈钢焊接接头表面的应力腐蚀消除焊接残余应力的焊后热处理，以及焊接工艺上采取措施减小残余应力。（二）热裂纹 奥氏体不锈钢钢焊接时比较容易产生的裂纹是热裂纹。奥氏体不锈钢焊接时产生热裂纹的原因：一是单相奥氏体焊缝易形成方向性强的柱状晶组织，硫、磷、镍、碳等元素形成的低熔点共晶杂质偏析严重，形成晶间液态夹层；不锈钢的液相线与固相线距离较大，结晶时间较长，也是低熔点杂质偏析严重。二是不锈钢导热系数小、线膨胀系数大，导致焊接应力比较大，热裂纹的产生主要有两种形式，分别为结晶裂纹和液化裂纹。p 防止热裂纹的措施：（1）严格限制焊
16、缝中硫、磷等杂质元素的质量分数，以减少低熔点共晶杂质。（2）选用碱性焊条和焊剂，以降低焊缝中的杂质含量，改善偏析程度。（3）控制焊接电流和电弧电压大小，适当提高焊缝形状系数；采用多层多道焊，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹。（4）采用小热输入，小电流快速不摆动焊，可减小焊接应力。（5）填满弧坑，可防止弧坑裂纹。（6）选用双相组织焊条，使焊缝形成奥氏体及少量铁素体的双相组织，以细化晶粒，打乱柱状晶方向，减小偏析严重程度。（三）焊接接头的脆化 奥氏体不锈钢的焊缝在高温加热一段时间后，常出现冲击韧度下降的现象，称为脆化。奥氏体不锈钢焊接接头的脆化主要是由475脆性、相脆性和熔合线脆性造成的。（1）4
17、75脆化 含有较多铁素体相在15%20%的双相焊缝组织，经过350500加热后，塑性和韧性会显著下降，由于475时脆化速度最快，故称475脆化。铁素体相越多，脆化就越严重。已产生的475脆化的焊缝，可经900淬火消除。（2）相脆化 奥氏体不锈钢焊接接头在375875温度内长期使用，会产生一种FeCr金属间化合物，称为相，相硬而脆。由于相析出的结果，使焊缝冲击韧度下降，这种现象称为相脆化。总之，防止475脆化和相脆化的主要措施是控制铁素体含量小于5%的范围。（3）熔合线脆化 奥氏体不锈钢在高温下长期使用，在沿熔合线外几个晶粒的地方，会发生脆化现象，称为熔合线脆断。在钢中加入钼能提高钢材抗高温脆断
18、的能力。（一）奥氏体不锈钢焊接工艺特点 1.采用小热输入，小电流快速焊 焊条不应作横向摆动，焊道宜窄不宜宽，最好不超过焊条直径的3倍。小热输入即热输入小，焊接应力就小，焊接变形也就小。此外，焊接电流小，可防止奥氏体不锈钢焊条药皮发红和开裂，保证焊条药皮的机械保护作用。三、奥氏体的焊接2.要快速冷却 焊后可采取强制冷却措施，以减小在敏化温度区的停留时间，防止晶间腐蚀。3.不进行预热和后热工艺 奥氏体不锈钢焊接时，不能采取预热和后热工艺措施，防止降低焊后冷却速度。多层多道焊时，各道间温度应低于60。4.不锈钢焊后热处理 奥氏体不锈钢制压力容器焊接时，一般不进行消除焊接残余应力的焊后热处理。5.采用
19、适当的焊后处理 为增加奥氏体不锈钢的耐腐蚀性，焊后应进行表面处理。处理的方法有表面抛光和表面钝化处理两种。（1）表面抛光（2）表面钝化处理 钝化处理是在不锈钢表面形成一层氧化膜，起保护作用。钝化处理的流程为：表面清理和修补-酸洗-水洗和中和-钝化-水洗和吹干。表面清理和修补 把表面损伤的地方修补好，用手提砂轮磨光，把飞溅物清除干净，也必须磨光。酸洗 目的是去除经热加工和焊接热影响区产生的氧化皮，这层氧化皮不能抗氧化、耐腐蚀。酸洗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。钝化 处理方法是将钝化液在表面擦一遍，停留1h，然后用冷水冲，用布仔细擦洗，最后用热水冲洗干净，并将其吹干。
20、经钝化处理后的不锈钢，外表呈白色，具有较高的耐腐蚀性。（二）奥氏体不锈钢焊接方法的选用 奥氏体不锈钢可以采用所有的熔焊方法，最好采用焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊、等离子弧焊等进行焊接。1.焊条电弧焊 焊条电弧焊是奥氏体不锈钢最常用的焊接方法。（1）奥氏体不锈钢焊条的选用 奥氏体不锈钢焊条的选用，应根据母材的化学成分，选用化学成分类型相同的奥氏体不锈钢焊条，焊条含碳量不高于母材，铬镍含量不低于母材。常用奥氏体不锈钢焊条选用示例见教材213页表4-5-1。奥氏体不锈钢焊条的药皮通常有钛钙型和低氢型两种。（2）焊接工艺参数的选择 奥氏体不锈钢焊接，采用小热输入，小电流短弧快速焊，
21、采用多层多道焊时，要控制道间温度，要冷却到60左右（手能摸了）再焊下一道。2.氩弧焊（1）钨极氩弧焊 适用于厚度不超过8mm的板结构，特别适宜于厚度3mm以下的薄板，直径60mm以下的管子以及厚件单面焊的打底焊。表4-5-2是手工钨极氩弧焊焊接薄板工艺参数示例。表4-5-3是钨极氩弧焊打底焊的工艺参数示例。表4-5-1 手工TIG焊焊接薄板工艺参数示例板厚/mm接头形式钨极直径/mm焊丝直径/mm焊接电流/A焊接速度/mm.min-1氩气流量/L.min-1电流类型1.0对接21.6357515055034交流1.0对接21.6306011045034直流正极1.2对接21.65025034直
22、流正极1.5对接21.6458512050034交流1.5对接21.640758023034直流正极1.0角接2-4523034交流1.5T形接21.64060608034交流管子规格钨极直径/mm钨极伸出长度/mm焊接电流/A喷嘴直径/mm填充焊丝直径/mm氩气流量/L.min-1小直径薄壁管 2.5569011082.4812大直径薄壁管 2.56811013082.41015表4-5-3 TIG打底焊的工艺参数示例（2）熔化极氩弧焊 可以用于焊接厚板。但熔化极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢时，焊缝成形差，焊缝窄而高，因此应用少。3.埋弧焊 埋弧焊焊接奥氏体不锈钢适用于中厚板，有规则的长直缝和直径
23、较大的环缝，且相同焊缝数量多，还只限于平焊位置。埋弧焊焊接奥氏体不锈钢焊接材料的选用，要求焊丝碳的质量分数不得高于母材，铬镍含量比母材高。焊接奥氏体不锈钢的埋弧焊焊剂有HJ260、HJ172、HJ151、SJ601、SJ608、SJ701等。18-8型奥氏体不锈钢埋弧焊的焊接工艺参数示例见表4-5-4。表4-5-4 18-8型奥氏体不锈钢埋弧焊焊接工艺参数4.等离子弧焊 等离子弧焊已用于奥氏体不锈钢的焊接。对于厚度在1012mm以下的奥氏体不锈钢，采用小孔效应时，热量集中，可不开坡口单面焊一次成形，尤其适合于不锈钢管的焊接，微束等离子弧焊对厚度小于0.5mm的薄件尤为适宜。（三）焊接时注意事项
24、（1）为防止晶间腐蚀，与腐蚀介质接触的焊缝最后焊。（2）定位焊用细焊条，定位焊道不超过2mm，定位焊道的长度和间距见表4-5-5。（3）对装配好的坡口及两侧各2030mm范围内，用汽油或丙酮、乙醇擦洗，去除油污。（4）为避免焊条电弧焊的飞溅损伤不锈钢表面，在坡口刷涂石灰水或商品化的专用防飞溅。（5）不要在坡口之外的焊件上打弧，连接焊件的地线要接好，避免起弧损伤不锈钢表面，降低抗腐蚀性。（6）焊条电弧焊时，要注意填满弧坑，防止弧坑热裂纹。（7）矫正焊接变形只能用机械矫正，不能用火焰矫正，以免降低抗晶间腐蚀能力。板厚/mm2355焊道长度/mm5810151525间距/mm405080100200300表4-5-5 奥氏体不锈钢定位焊道的长度和间距
