1、 不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr（wCr12%）、Ni、Mn、Mo等元素，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备，应用十分广泛，其焊接具有特殊性。4.1.1 不锈钢的基本定义不锈钢的基本定义 不锈钢的定义 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4.1.2 不锈钢及耐热钢的分类不锈钢及耐热钢的分类1按主要化学成分分类按主要化学成分分类(1)铬不锈钢铬不锈钢 指指Cr的质量分数介于的质量分数介于12%30%之间之间的不锈钢，其基本类型为的不锈钢，其基本类型为
2、Cr13型。型。(2)铬镍不锈钢铬镍不锈钢 指指Cr的质量分数介于的质量分数介于12%30%，Ni的质量分数介于的质量分数介于6%12%和含其他少量元素的和含其他少量元素的钢种，基本类型为钢种，基本类型为Cr18Ni9钢。钢。(3)铬锰氮不锈钢铬锰氮不锈钢 属于节镍型奥氏体不锈钢，化学属于节镍型奥氏体不锈钢，化学成分中部分镍被锰、氮替代，可减少镍的含量。成分中部分镍被锰、氮替代，可减少镍的含量。这类钢种如这类钢种如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N等。等。2按用途分类(1)不锈钢（指习惯型含义）(2)抗氧化钢(3)热强钢3按组织分类 按空冷后室温来分类，是应用最广泛的分类方法。
3、(1)奥氏体钢 是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为8%25%）而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。它是应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型。(2)铁素体钢 显微组织为铁素体，铬的质量分数在11.5%32.0%范围。主要用作耐热钢（抗氧化钢），也用作耐蚀钢，如1Cr17、1Cr25Si2。铁素体钢以退火状态供货。(3)马氏体钢 显微组织为马氏体，这类钢中铬的质量分数为11.5%18.0%。Cr13系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12，常用作不锈钢。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，或者是退火态，或者是淬火回火态。(4
4、)铁素体奥氏体双相钢 钢中铁素体占6040，奥氏体占4060，故常称为双相不锈钢。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性能。(5)沉淀硬化钢 经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，主要用作高强度不锈钢。典型钢种，如0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH；半奥氏体（奥氏体马氏体）沉淀硬化钢，如0Cr17Ni7Al，简称17-7PH。所以，也常称这类钢为PH不锈钢（Precipitation Hardening Stainless Steels）。4.1.3 不锈钢及耐热钢的特性不锈钢及耐热钢的特性1不锈钢的物理性能不锈钢的物理性能对焊接性构成影响的主要有两方不锈钢的物理性能对焊接性构成影响的主要有
5、两方面：面：1、导热系数、导热系数小，仅为低碳钢的小，仅为低碳钢的1/3 2、热膨胀系数大，比低碳钢大、热膨胀系数大，比低碳钢大50%2不锈钢的耐蚀性能 不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。（1）均匀腐蚀 均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。(2)点腐蚀 点腐蚀是指在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生高度的局部腐蚀，又称坑蚀或孔蚀（Pitting Corrosion），常见蚀点的尺寸小于1mm，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。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。(3)缝隙腐蚀 在电解液中，如在
6、氯离子环境中，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现象，以至溶液局部Cl浓化，形成浓差电池，从而导致缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl而被局部破坏的现象称为缝隙腐蚀(4)晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。受这种腐蚀的设备或零件，外观虽呈金属光泽，但因晶粒彼此间已失去联系，敲击时已无金属的声音，钢质变脆。晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬”现象有联系。(5)应力腐蚀 也称应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，简称SCC），是指不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。不锈钢的应力腐蚀大部分是由氯引起的。高浓度苛性
7、碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。3不锈钢及耐热钢的高温性能 耐热性能是指高温下，既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性，同时又有足够的强度即热强性。(1)高温性能 不锈钢表面形成的钝化膜不仅具有抗氧化和耐腐蚀的性能，而且还可提高使用温度。(2)合金化问题 耐热钢的高温性能中首先要保证抗氧化性能。为此钢中一般均含有Cr、Si或Al，可形成致密完整的氧化膜而防止继续发生氧化。热强性是指在高温下长时间工作时对断裂的抗力（持久强度），或在高温下长时间工作时抗塑性变形的能力（蠕变抗力）。为提高钢的热强性，其措施主要是：1)提高Ni量以稳定基体，利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力。2)形成稳定的
8、第二相，主要是碳化物相（MC、M6C、或M23C6）。因此，为提高热强性希望适当提高碳含量（这一点恰好同不锈钢的要求相矛盾）。如能同时加入强碳化物形成元素Nb、Ti、V等就更有效。3)减少晶界和强化晶界，如控制晶粒度并加入微量硼或稀土等，如奥氏体钢0Cr15Ni26Ti2MoVB中添加wB 0.003%。(3)高温脆化问题 耐热钢在热加工或长期工作中，可能产生脆化现象。除了Cr13钢在550附近的回火脆性、高铬铁素体钢的晶粒长大脆化，以及奥氏体钢沿晶界析出碳化物所造成的脆化之外，值得注意的还有475脆性和相脆化。1）475脆性主要出现在脆性主要出现在Cr的质量分数超的质量分数超过过15%的铁素
9、体钢中。在的铁素体钢中。在430480之之间长期加热并缓冷，就可导致在常温时间长期加热并缓冷，就可导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现或负温时出现强度升高而韧性下降的现象，称之为象，称之为475脆性。脆性。2）相脆化：在高温条件下由相脆化：在高温条件下由相中析出相中析出一种硬度高达一种硬度高达68HRC的的脆性相导致的脆脆性相导致的脆化。化。4.2 4.2 奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接l奥氏体钢由高温冷却下来时不发生任何组织变化，直到室温或更低的温度下仍保持奥氏体组织。l显微组织显微组织：奥氏体 一般属于耐蚀钢l成分成分：高铬不锈钢+适量的Ni 825%l典型钢种典型钢种：1
10、8-8钢 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9Til25-20钢 2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni20l25-35钢 0Cr21Ni32 4Cr25Ni35 4Cr25Ni35Nb4.2.2 奥氏体不锈钢焊接性分析奥氏体不锈钢焊接性分析奥氏体钢的焊接性问题主要有：热裂纹、接奥氏体钢的焊接性问题主要有：热裂纹、接头耐蚀性、脆化头耐蚀性、脆化1奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性(1)晶间腐蚀 18-8钢焊接接头有三个部位能出现晶间腐蚀现象，如图4-3所示。图4-3 18-8钢焊接接头晶间腐蚀现象 1)焊缝区晶间腐蚀焊缝区晶间腐蚀 根据贫铬理论，为防止焊缝发生晶间腐蚀：根据贫铬理论，为防止焊缝发生晶
11、间腐蚀：一是通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或者一是通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或者含有足够的稳定化元素含有足够的稳定化元素Nb（因（因Ti不易过渡到焊缝中而不采用不易过渡到焊缝中而不采用Ti），一般希望），一般希望wNb8wC或或wNb1；二是调整焊缝成分以获；二是调整焊缝成分以获得一定数量的铁素体（得一定数量的铁素体（）相。）相。焊缝中铁素体焊缝中铁素体()的作用：其一，可打乱单一的作用：其一，可打乱单一 相柱状晶的方相柱状晶的方向性，不形成连续贫向性，不形成连续贫Cr层；其二，铁素体层；其二，铁素体()富富Cr，有良好，有良好的供的供Cr条件，可减少条件，可减
12、少 相相 晶粒形成贫晶粒形成贫Cr层，一般铁素体层，一般铁素体()在在412左右左右 铬当量铬当量 Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+3Al+5V 镍当量镍当量 Nieq=Ni+30C+0.87Mn+K(N-0.045)+0.33Cu2）热影响区敏化区晶间腐蚀 指焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位（故称敏化区）所发生的晶间腐蚀。和恒温加热不同，由于焊接是一个快速连续加热的过程，所以有一个过热度，敏化区温度范围不是450-850，而是600-1000。l只有普通的只有普通的18-8钢才会有敏化区，含有钛、铌的奥氏钢才会有敏化区，含有钛、铌的奥氏体不锈钢、含有一定数量铁素
13、体的双相不锈钢、以至体不锈钢、含有一定数量铁素体的双相不锈钢、以至超低碳的奥氏体不锈钢母材，不易有敏化区出现。超低碳的奥氏体不锈钢母材，不易有敏化区出现。l为防止敏化区腐蚀，一般倾向采用含钛、铌或低碳为防止敏化区腐蚀，一般倾向采用含钛、铌或低碳18-8钢，比如钢，比如1Cr18Ni9Ti,也可以采用超低碳不锈钢也可以采用超低碳不锈钢00Cr18Ni11；在焊接工艺上应采取小热输入、快速焊；在焊接工艺上应采取小热输入、快速焊过程，以减少处于敏化加热的时间。过程，以减少处于敏化加热的时间。图4-5 0Cr18Ni9钢热影响区敏化区晶间腐蚀l3）刀状腐蚀 在熔合区产生的晶间腐蚀，有如刀削切口形式，故
14、称为“刀状腐蚀”（Knife-line Corrosion），简称刀蚀，如图4-7所示。腐蚀区宽度初期不超过35个晶粒，逐步扩展到1.01.5mm。图4-7 刀状腐蚀l发生材质：发生材质：含有铌、钛的18-8钢的过热区l产生原因：产生原因：加入钛的18-8型不锈钢材料，固溶处理态（供货态）时，钢中只有很少量的碳和钛溶入固溶体，其余大部分碳和钛结合成游离的TiC。焊接时，这种钢的焊接接头的过热区内，加热温度超过1200的部位，NbC或TiC将全部或大部固态溶解于奥氏体晶粒内。冷却时，体积小且活泼的碳原子向奥氏体晶界扩散并聚集于此，而Ti来不及扩散留在晶内。这种状态如果再经历6001000中温敏化
15、加热，就会在晶界产生Cr23C6沉淀，造成该区晶粒边界的贫铬。在一定腐蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀切状腐蚀破坏。形成刀蚀的必要条件是高温过热和中温敏化。不含钛或不含铌的18-8钢不应有刀蚀发生，超低碳不锈钢不但不发生敏化区腐蚀，也不会有刀蚀。图4-6 Cr23C6、TiC的析出温度对于含有稳定化元素的不锈钢，可以采取以下方法来减对于含有稳定化元素的不锈钢，可以采取以下方法来减少或避免晶间腐蚀的发生：少或避免晶间腐蚀的发生：含碳量。含碳量。近缝区的过热近缝区的过热 避免在敏化温度下工作避免在敏化温度下工作 焊后热处理焊后热处理l固溶处理：固溶处理：T1050-1150，使，
16、使Cr23C6分解固溶。分解固溶。淬火冷却，消除贫铬层淬火冷却，消除贫铬层l稳定化退火处理：稳定化退火处理：T850-9002h，使，使Cr23C6充充分析出，分析出，Cr也扩散均匀，消除贫铬层。也扩散均匀，消除贫铬层。(2)应力腐蚀开裂（应力腐蚀开裂（SCC）应力腐蚀开裂是构件在应力和腐蚀介质共同作用下所应力腐蚀开裂是构件在应力和腐蚀介质共同作用下所发生的脆性开裂现象。发生的脆性开裂现象。l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:首先是金属在该环境中具有应力腐蚀开裂的倾向；其次是由这种材质组成的结构接触或处于选择性的腐蚀介质中；最后是有高于一定水平的拉应力。l 要减小要
17、减小SCC的倾向，具体可以采取下列措施：的倾向，具体可以采取下列措施：选择合适的材料选择合适的材料改进结构设计和加工工艺改进结构设计和加工工艺注意保护奥氏体不锈钢表面的钝化膜注意保护奥氏体不锈钢表面的钝化膜 残余应力消除程度与残余应力消除程度与“回火参数回火参数”LMP（Larson Miller Parameter）有关，即：）有关，即：LMP=T(lgt+20)10-3 （4-4）式中式中 T加热温度（）；加热温度（）；t保温时间（保温时间（h）。）。LMP越大，残余应力消除程度越大。越大，残余应力消除程度越大。图4-10 应力腐蚀裂纹(3)点蚀点蚀 奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向，其实即使耐
18、点蚀性奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向，其实即使耐点蚀性优异的双相钢有时也会有点蚀产生。优异的双相钢有时也会有点蚀产生。提高耐点蚀性能，措施：提高耐点蚀性能，措施：1.不能进行自熔焊接；不能进行自熔焊接；2.采用较采用较母材更高母材更高Cr、Mo含量的含量的“超合金化超合金化”焊接材料；焊接材料；3.必须必须考虑母材的稀释作用，以保证足够的合金含量；考虑母材的稀释作用，以保证足够的合金含量；4.提高提高Ni量有利于减少微观偏析，必要时考虑采用量有利于减少微观偏析，必要时考虑采用Ni基合金焊丝。基合金焊丝。2热裂纹l奥氏体不锈钢具有较高的焊接热裂纹敏感性奥氏体不锈钢具有较高的焊接热裂纹敏感性焊缝结晶焊
19、缝结晶裂纹和裂纹和HAZ液化裂纹。液化裂纹。25-20型奥氏体钢焊接热裂倾向最型奥氏体钢焊接热裂倾向最大，其次是大，其次是18-8钢。钢。l18-8型不锈钢的热裂纹主要是产生在焊缝中，如果钢中含型不锈钢的热裂纹主要是产生在焊缝中，如果钢中含有铌有铌HAZ也可以产生液化裂纹。也可以产生液化裂纹。奥氏体钢焊接易于热裂的原因奥氏体钢焊接易于热裂的原因 1 导热系数小、线膨胀系数大，焊缝凝固时产生的拉导热系数小、线膨胀系数大，焊缝凝固时产生的拉应力较大；应力较大；2 奥氏体焊缝为方向性强的柱状晶，易形成偏析奥氏体焊缝为方向性强的柱状晶，易形成偏析 3 焊缝成分复杂（焊缝成分复杂（S、P、Sn、Sb、S
20、i、Nb）易形成多）易形成多种低熔共晶。种低熔共晶。热裂纹与凝固模式热裂纹与凝固模式 所谓凝固模式，首先是指以何种初生相（所谓凝固模式，首先是指以何种初生相（或或）开始）开始结晶进行凝固过程，其次是指以何种相完成凝固过程。结晶进行凝固过程，其次是指以何种相完成凝固过程。1.全铁素体凝固模式全铁素体凝固模式(F)晶粒界面：晶粒界面：-2.先铁素体凝固模式先铁素体凝固模式(FA)晶粒界面：晶粒界面：(不会有热不会有热裂倾向）裂倾向）3.先奥氏体凝固模式先奥氏体凝固模式(AF)晶粒界面：晶粒界面：4.全奥氏体凝固模式全奥氏体凝固模式(A)晶粒界面：晶粒界面：-图4-13 凝固模式对热裂纹的影响 图4
21、-14 Fe-Cr-Ni三元合金一个70%Fe的伪二元相图 图4-17 热裂倾向 (3)化学成分对热裂纹的影响化学成分对热裂纹的影响 调整成分归根结底还是通过调整成分归根结底还是通过组织发生作用。对于焊缝金属，调整化学成分是控制焊缝组织发生作用。对于焊缝金属，调整化学成分是控制焊缝性能（包括裂纹问题）的重要手段。但如何进行冶金化，性能（包括裂纹问题）的重要手段。但如何进行冶金化，还未能获得完全有规律的认识。因为，任何钢种都是一个还未能获得完全有规律的认识。因为，任何钢种都是一个复杂的合金系统，某一元素单独作用和其他元素共存时发复杂的合金系统，某一元素单独作用和其他元素共存时发生的作用，往往不尽
22、相同，甚至可能相反。生的作用，往往不尽相同，甚至可能相反。1）Mn的影响的影响 2）S、P的影响的影响3）Si的影响的影响 4）铌的影响）铌的影响 5）钛的影响）钛的影响6）碳的影响）碳的影响7）硼的影响）硼的影响 (4)焊接工艺的影响焊接工艺的影响 应尽量采用小焊接热输入快速应尽量采用小焊接热输入快速焊工艺，而且不应预热，并降低层间温度。不过，焊工艺，而且不应预热，并降低层间温度。不过，为了减小焊接热输入，不应过分增大焊接速度，为了减小焊接热输入，不应过分增大焊接速度，而应适当降低焊接电流。增大焊接电流，焊接热而应适当降低焊接电流。增大焊接电流，焊接热裂纹的产生倾向也随之增大。裂纹的产生倾向
23、也随之增大。3.析出现象 在不锈钢中，在不锈钢中，相通常只有在铬的质量分数大于相通常只有在铬的质量分数大于16%时时才会析出，由于铬有很高的扩散性，才会析出，由于铬有很高的扩散性，相在铁素体中的析相在铁素体中的析出比奥氏体中的快。出比奥氏体中的快。的转变速度与的转变速度与相的合金化程度相的合金化程度有关，而不单是有关，而不单是相的数量。凡铁素体化元素均加强相的数量。凡铁素体化元素均加强转变，即被转变，即被Cr、Mo等浓化了的等浓化了的相易于转变析出相易于转变析出相。相。相是指一种脆硬而无磁性的金属间化合物相，具有变成分相是指一种脆硬而无磁性的金属间化合物相，具有变成分和复杂的晶体结构。和复杂的
24、晶体结构。相的析出使材料的韧性降低，硬度相的析出使材料的韧性降低，硬度增加。有时还增加了材料的腐蚀敏感性。增加。有时还增加了材料的腐蚀敏感性。相的产生，是相的产生，是或是或是。4低温脆化 为了满足低温韧性要求，有时采用18-8钢，焊缝组织希望是单一相，成为完全面心立方结构，尽量避免出现相。相的存在，总是恶化低温韧性，表4-2即是一例。4.2.3 奥氏体不锈钢的焊接工艺特点奥氏体不锈钢的焊接工艺特点l焊接方法的选择焊接方法的选择l焊接材料的选择，不能只考虑焊接工艺性（如保证焊缝的焊接材料的选择，不能只考虑焊接工艺性（如保证焊缝的外观成形），而应注意到焊缝成分要求，以保证抗晶间腐外观成形），而应注
25、意到焊缝成分要求，以保证抗晶间腐蚀性能和抗热裂性能。蚀性能和抗热裂性能。P1322.操作工艺操作工艺 主要是采取措施避免焊缝主要是采取措施避免焊缝HAZ过热，这既有利于预防晶过热，这既有利于预防晶间腐蚀，又可以减小焊接变形。具体可以采取以下措间腐蚀，又可以减小焊接变形。具体可以采取以下措施：施：（1）采用小电流焊接）采用小电流焊接（2）尽量避免重复加热）尽量避免重复加热（3）电弧要短）电弧要短（4）避免在焊件或焊缝上引弧，如果变形较大，只能冷）避免在焊件或焊缝上引弧，如果变形较大，只能冷矫，不能热矫。矫，不能热矫。（5）控制焊缝成形、保护焊件的工作表面应处于正常状）控制焊缝成形、保护焊件的工作
26、表面应处于正常状态态（6）.尽可能控制焊接工艺稳定以保证焊缝金属成分稳定尽可能控制焊接工艺稳定以保证焊缝金属成分稳定4.3.1 铁素体不锈钢焊接性分析铁素体不锈钢焊接性分析1铁素体不锈钢的类型(1)普通铁素体钢普通铁素体钢 低铬：低铬：00Cr12、0Cr13、0Cr13Al 中铬：中铬：0Cr17Ti、1Cr17Mo 高铬：高铬：1Cr25Ti、1Cr28(2)高纯铁素体钢高纯铁素体钢:限制限制C+N的含量的含量 2焊接性分析焊接性分析(1)晶间腐蚀晶间腐蚀(2)接头脆化接头脆化1）高温脆性）高温脆性2）相脆化相脆化3）475脆化脆化 4.3.2 铁素体不锈钢的焊接工艺特点铁素体不锈钢的焊接
27、工艺特点1焊接方法 2焊接材料的选择l同质焊材同质焊材：焊缝金属呈粗大的铁素体钢组织，引起粗晶脆：焊缝金属呈粗大的铁素体钢组织，引起粗晶脆化，室温下韧性低，易产生裂纹。应尽量限制杂质含量，化，室温下韧性低，易产生裂纹。应尽量限制杂质含量，提高其纯度，同时进行合理的合金化。提高其纯度，同时进行合理的合金化。l异质焊缝异质焊缝：A焊接材料（在不宜进行预热或焊后热处理的焊接材料（在不宜进行预热或焊后热处理的情况下），焊后不可进行退火处理，因情况下），焊后不可进行退火处理，因F钢退火温度范围钢退火温度范围（787843），正好处在），正好处在A钢敏化温度区间，容易产生钢敏化温度区间，容易产生晶间腐蚀及
28、脆化。晶间腐蚀及脆化。3低温预热及焊后热处理低温预热及焊后热处理l预热温度的选择要慎重，一般控制在预热温度的选择要慎重，一般控制在100200，随着，随着母材金属中铬含量的提高，预热温度可相应提高。但预母材金属中铬含量的提高，预热温度可相应提高。但预热温度过高，又会使焊接接头过热而脆硬。热温度过高，又会使焊接接头过热而脆硬。l焊接时应尽量采取小的热输入和较快的冷却速度；多层焊接时应尽量采取小的热输入和较快的冷却速度；多层焊时，还应严格控制层间温度。焊时，还应严格控制层间温度。l由于这类钢在加热和冷却过程中不发生相变，所以晶粒由于这类钢在加热和冷却过程中不发生相变，所以晶粒长大后无法通过热处理细
29、化晶粒。焊后热处理的目的仅长大后无法通过热处理细化晶粒。焊后热处理的目的仅在于使接头组织均匀化而提高塑性和耐腐蚀性。一般采在于使接头组织均匀化而提高塑性和耐腐蚀性。一般采用回火处理。有时为了消除析出的脆性相，可在用回火处理。有时为了消除析出的脆性相，可在900以下加热水淬，以得到单一的铁素体组织。以下加热水淬，以得到单一的铁素体组织。焊接工艺要点焊接工艺要点 从焊接工艺上应防止过热，即采用小线能量和窄焊从焊接工艺上应防止过热，即采用小线能量和窄焊道，并严格控制层间温度，等前一焊道冷到预热温度道，并严格控制层间温度，等前一焊道冷到预热温度时再焊下道焊缝。此外，焊条最好不要摆动。时再焊下道焊缝。此
30、外，焊条最好不要摆动。4.3.3 马氏体不锈钢焊接性分析马氏体不锈钢焊接性分析马氏体钢含铬量不高（马氏体钢含铬量不高（12%以上），具有一定的耐蚀性，但以上），具有一定的耐蚀性，但对于具有如晶间腐蚀、点蚀、应力腐蚀等特殊腐蚀形式的对于具有如晶间腐蚀、点蚀、应力腐蚀等特殊腐蚀形式的场合不宜选用。场合不宜选用。马氏体不锈钢的分类马氏体不锈钢的分类1.普通普通Cr13钢钢(作不锈钢使用）作不锈钢使用）1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 2.热强马氏体钢（作热强钢使用）热强马氏体钢（作热强钢使用）2Cr12WMoV、2Cr12MoV、2Cr12Ni3MoV3.超低碳复相马氏体钢超低碳复相马
31、氏体钢 图4-20 淬火与硬度的关系2焊接性分析问题：冷裂纹、脆化，焊接性较差1焊接材料的选择焊接材料的选择考虑两点：考虑两点：为了保证使用性能要求，焊接成分应力求与母材相近；为了保证使用性能要求，焊接成分应力求与母材相近；为了防止冷裂，也可采用奥氏体钢焊条或焊丝，使焊缝成为了防止冷裂，也可采用奥氏体钢焊条或焊丝，使焊缝成为奥氏体组织，但此时焊缝强度必然低于母材。为奥氏体组织，但此时焊缝强度必然低于母材。3.焊前预热及焊后热处理的制定 预热可以防止冷裂纹。钢的淬硬倾向越大，预热温度也应预热可以防止冷裂纹。钢的淬硬倾向越大，预热温度也应选得高些，一般在选得高些，一般在150 400之间。但从接头
32、质量看，之间。但从接头质量看，预热温度过高，会在接头中引起晶间碳化物沉淀和形成铁预热温度过高，会在接头中引起晶间碳化物沉淀和形成铁素体，对韧性不利。素体，对韧性不利。为了防止冷裂纹，焊后应立即进行高温回火。马氏体钢一为了防止冷裂纹，焊后应立即进行高温回火。马氏体钢一般在调质状态下焊接，焊后只需回火处理。但有些马氏体般在调质状态下焊接，焊后只需回火处理。但有些马氏体钢不允许焊后立即回火，而需焊后冷到一定温度再回火处钢不允许焊后立即回火，而需焊后冷到一定温度再回火处理。理。在焊接工艺上如适当提高线能量，则有利于减少冷裂倾向，在焊接工艺上如适当提高线能量，则有利于减少冷裂倾向，但此时应防止晶粒粗化。
33、但此时应防止晶粒粗化。4.4 奥氏体奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接铁素体双相不锈钢的焊接 双相不锈钢是在固溶体中铁素体相和奥氏体相各约占一半，一般较少相的含量至少也需要达到30%的不锈钢。这类钢综合了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，具有良好的韧性，强度及优良的耐氯化物应力腐蚀性能。4.4.1 奥氏体奥氏体-铁素体双相不锈钢的类型铁素体双相不锈钢的类型1低合金型双相不锈钢 00Cr23Ni4N钢是瑞典最先开发的一种低合金型的双相不锈钢，不含钼，铬和镍的含量也较低。由于钢中wCr为23%，有很好的耐孔蚀、缝隙腐蚀和均匀腐蚀的性能，可代替304L和316L等常用奥氏体不锈钢。2中合金型双相不锈钢
34、典型的中合金型不锈钢有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti。这两种钢是了为节镍，分别代替0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti而设计的，但比后者具有更好的力学性能，尤其是强度更高（约为1Cr18Ni9Ti的2倍）。4.4.2 双相不锈钢的耐蚀性双相不锈钢的耐蚀性1耐应力腐蚀性能 与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有强度高，对晶间腐蚀不敏感和较好的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的能力，其中优良的耐应力腐蚀是开发这种钢的主要目的。其耐应力腐蚀机理主要有以下几点：1)双相不锈钢的屈服强度比18-8型不锈钢高，即产生表面滑移所需的应力水平较高，在相同的腐蚀环境中，由于双相不锈钢的表面膜因表面滑移而破坏的
35、应力较大，即应力腐蚀裂纹难以形成。2)双相不锈钢中一般含有较高的铬、钼合金元素，而加入这些元素都可延长孔蚀的孕育期，使不锈钢具有较好的耐点腐蚀性能，不会由于点腐蚀而发展成为应力腐蚀；而18-8型不锈钢中不含钼或很少含钼，其含铬量也不是很高，所以其耐点腐蚀能力较差，由点腐蚀扩展成孔蚀，成为应力腐蚀的起始点而导致应力腐蚀裂纹的延伸。3)双相不锈钢的两个相的腐蚀电极电位不同，裂纹在不同相中和在相界的扩展机制不同，其中必有对裂纹扩展起阻止或抑制作用的阶段，此时应力腐蚀裂纹发展极慢。4)双相不锈钢中，第二相的存在对裂纹的扩展起机械屏障作用，延长了裂纹的扩展期。此外，两个相的晶体形面取向差异，使扩展中的裂
36、纹频繁改变方向，从而大大延长了应力腐蚀裂纹的扩展期。2耐晶间腐蚀性能 双相不锈钢与奥氏体不锈钢一样也会发生晶间腐蚀，均与贫铬有关，只是发生晶间腐蚀的情况不同。如00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈钢在650850进行敏化加热处理不会出现晶间腐蚀。当敏化加热到12001400时，空冷的试样无晶间腐蚀现象，但空冷时则有轻微的晶间腐蚀倾向，这是由于加热到1200以上时，铁素体晶粒急剧长大，奥氏体数量随加热温度的升高而迅速减少。到1300以上温度时，钢内只有单一的铁素体组织且为过热的粗大晶粒，水冷后，粗大的铁素体晶粒被保留下来，在-相界面容易析出铬的 氮化物，如Cr2N等，在其周围形成贫铬层，导致晶
37、间腐蚀。3耐点蚀性能 双相不锈钢中含有Cr、Mo、N等元素，可使PI值增大，明显地降低点蚀速率，尤其N的作用更为明显，PI中N的系数可以增大到30。此外，增大焊接热输入，可提高HAZ中的相数量，也有利于提高耐点蚀性能。4.4.3 奥氏体奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接性分析铁素体双相不锈钢的焊接性分析 与纯奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢焊后具有较低的热裂倾向；与纯铁素体不锈钢相比，焊后具有较低的脆化倾向，且焊接热影响区粗化程度也较低，因而具有良好的焊接性。但双相不锈钢中因有较大比例铁素体存在，而铁素体钢所固有的脆化倾向，如475脆性，相析出脆化和晶粒粗化依然存在，只是因奥氏体的平衡作用而 获得一定
38、缓解，焊接时，仍应引起注意。选用合适的焊接材料不会发生焊接热裂纹和冷裂纹；双相不锈钢具有良好的耐应力腐蚀性能、耐点腐蚀性能、耐缝隙腐蚀性能及耐晶间腐蚀性能。双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头组织的影响。无论焊缝或是焊接HAZ都会有相变发生，因此，焊接的关键是要使焊缝金属和焊接热影响区均保持有适量的铁素体和奥氏体的组织。1双相不锈钢焊接的冶金特性双相不锈钢焊接的冶金特性 (1)焊缝金属的组织转变 事实上所有双相不锈钢从液相凝固后都是完全的铁素体组织，这一组织一直保留至铁素体溶解度曲线的温度，只有在更低的温度下部分铁素体才转变成奥氏体，形成奥氏体铁素体双相组织。(2)焊接热影响区的组织
39、转变 焊接加热过程，使得整个热影响区受到不同峰值温度的作用，如图4-26所示。最高温度接近钢的固相线（此处为1410）。但只有在加热温度超过原固熔处理温度的区间（图4-26中的点d以上的近缝区域），才会发生明显的组织变化。一般情况下，峰值低于固溶处理温度的加热区，无显著的组织变化，相虽有些增多，但与两相比例变化不大。通常下也不会见到析出相，如相。超过固溶处理温度的高温区（图4-26的d-c区间），会发生晶粒长大和相数量明显减少，但仍保持扎制态的条状组织形貌。紧邻熔合线的加热区，相当图4-26的c-b区间，相将全部溶入相中，成为粗大的单相等轴组织。这种相在冷却下来时可转变形成相，但已无扎制方向而
40、呈羽毛状，有时具有魏氏体组织特征。因焊接冷却过程造成不平衡的相变，室温所得到的相数量在近缝区常具有 图4-25 相区域宽度 图4-26 峰值温度对热影响区的影响 低值。这一相最少的区域宽度决定于图4-25中b-c区间大小。除相图外，还可利用各种线性关系来判定双相不锈钢焊接HAZ和焊缝金属的组织特性。母材成分或Creq、Nieq对HAZ能否形成“健全”的-两相组织有重要影响。所谓“健全”组织是指不存在-或-相界。可用当量指数B来衡量：B=CreqNieq 11.6 （4-6）其中 Creq=Cr+Mo+1.5Si（%）；Nieq=Ni+0.5Mn+30（N+C）（%）。单层焊时虽然B7，过热区的
41、相仅在部分晶界上析出，未形成“健全”的组织，性能不理想。多层焊时，B7是可行的。母材原始相比例/为接近50/50时，B4可以获得理想的效果。2双相不锈钢焊接接头的析出现象双相不锈钢焊接接头的析出现象 双相不锈钢焊接时，有可能发生三种类型的析出，即铬的氮化物（如Cr2N、CrN）、二次奥氏体（2）及金属间相（如相等）。当焊缝金属铁素体数量过多或为纯铁素体组织时，很容易有氮化物的析出，这与在高温时，氮在铁素体中的溶解度高，而快速冷时溶解度又下降有关。尤其是在焊缝近表面，由于氮的损失，使铁素体量增加，氮化物更易析出。焊缝若是健全的两相组织，氮化物的析出量很少。因此，为了增加焊缝金属的奥氏体数量，可在
42、填充金属中提高镍、氮元素的含量。另外，若采用大的热输入焊接，也可防止纯铁素体晶粒的生成而引起的氮化物的析出。当热影响区/相比例失调，致使相增多而相减少，出现-相界时，也会在这种相界上有析出相存在，如Cr2N、CrN以及Cr23C6等，也可能出现相。氮化物常居主要地位。在含氮量高的超级双相不锈钢多层焊时会出现二次奥氏体的析出。特别是前道焊缝采用低热输入而后续焊缝采用大热输入焊接时，部分会转变成细小分散的二次奥氏体2，这种2也和氮化物一样会降低焊缝的耐腐蚀性能，尤其以表面析出影响更大。一般来说，采用较高的热输入和较低的冷却速度有利于奥氏体的转变，减少焊缝金属的铁素体量，但是热输入过高或冷却速度过慢
43、又会带来金属间相的析出问题。通常双相不锈钢焊缝金属不会发现有相析出，但在焊接材料或热输入选用不合理时，也有可能出现相。4.4.4 奥氏体奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接工艺特点铁素体双相不锈钢的焊接工艺特点1焊接方法 除电渣焊外，基本上所有的熔焊方法都可以用来焊接奥氏体-铁素体双相不锈钢。常用的方法为焊条电弧焊及钨极氩弧焊。药芯焊丝由于熔敷效 率高，也已在双相不锈钢焊接领域得到越来越多的应用。埋弧焊可用于双相不锈钢厚板的焊接，但问题是稀释率大，应用不多。2焊接材料 采用奥氏体相占比例大的焊接材料，来提高焊接金属中奥氏体相的比例，对提高焊缝金属的塑性、韧性和耐蚀性均是有益的。对于含氮的双相不锈钢和
44、超级双相不锈钢的焊接材料，通常采用比母材高的镍含量和母材相同的含氮量，以保证焊缝金属有足够的奥氏体量。一般来说，通过调整焊缝化学成分，双相钢均能获得令人满意的焊接性。焊接时，焊缝和热影响区的冷却时间t12/8不能太短。应根据材料的厚度，选择合适的冷却速度，如图4-28所示。焊接厚板时，应采用较高的热输入；焊接薄板时，尤其是板厚小于5mm时，应采用较低的焊接热输入。图4-28材料厚度与冷却时间的关系3焊接工艺措施(1)控制热输入 双相钢要求在焊接时遵守一定的焊接工艺，其目的一方面是为了避免焊后由于冷速过快而在热影响区产生过多的铁素体，另一方面是为了避免冷速过慢在热影响区形成过多粗大的晶粒和氮化铬
45、沉淀。如果通过适当的工艺措施，将焊缝和热影响区不同部位的铁素体含量控制在70%以下，则双相钢焊缝的抗裂性会相当好。但当铁素体含量超过70%时，在焊接应力很大的情况下会出现氢致冷裂纹。为避免焊缝中Ni含量下降过多，必须阻止Ni含量低的母材过多稀释。否则，铁素体含量增加会对焊缝腐蚀抗力、韧性和抗裂能力产生不良影响。焊接时，焊缝和热影响区的冷却时间t12/8不能太短。应根据材料的厚度，选择合适的冷却速度，如图4-28所示。焊接厚板时，应采用较高的热输入；焊接薄板时，尤其是板厚小于5mm时，应采用较低的焊接热输入。(2)多层多道焊 采用多层多道焊时，后续焊道对前层焊道有热处理作用，焊缝金属中的铁素体进
46、一步转变成奥氏体，成为奥氏体占优势的两相组织，毗邻焊缝的焊接热影响区组织中的奥氏体相也增多，从而使焊接接头的组织和性能得到改善。(3)焊接顺序及工艺焊缝 与奥氏体不锈钢焊缝相反，接触腐蚀介质的焊缝要先焊，使最后一道焊缝移至非接触介质的一面。其目的是利用后道焊缝对先焊焊缝进行一次热处理，使先焊焊缝及其热影响区的单相铁素体组织部分转变为奥氏体组织。如果要求接触介质的焊缝必须最后施焊，则可在焊接终了时，在焊缝表面再施以一层工艺焊缝，便可对表面焊缝及其邻近的焊接热影响区进行所谓的热处理。工艺焊缝可在焊后经加工去除。如果附加工艺焊缝有困难，在制定焊接工艺时，尽可能考虑使最后一层焊缝处于非工作介质面上。思
47、考题思考题1.不锈钢焊接时，为什么要控制焊缝中的含碳量？如何控制焊缝中的含碳量？2.为什么18-8奥氏体不锈钢焊缝中要求含有一定数量的铁素体组织？通过什么途径控制焊缝中的铁素体含量？3.18-8不锈钢焊接接头区域在哪些部位可能产生晶间腐蚀，是由于什么原因造成的？如何防止？4.简述奥氏体不锈钢产生热裂纹的原因？在母材和焊缝合金成分一定的条件下，焊接时应采取何种工艺措施防止热裂纹？5.奥氏体钢焊接时为什么常采用“超合金化”焊接材料？6.铁素体不锈钢焊接中容易出现什么问题？焊条电弧焊和气体保护焊时如何选择焊接材料？在焊接工艺上有什么特点？7.何谓“脆化”现象？铁素体不锈钢焊接时有哪些脆化现象，各发生在什么温度区域？如何避免？8.马氏体不锈钢焊接中容易出现什么问题，在焊接材料的选用和工艺上有什么特点？制定焊接工艺时应采取哪些措施？9.双相不锈钢的成分和性能有何特点？与一般奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的焊接性有何不同？在焊接工艺上有什么特点？10.从双相不锈钢组织转变的角度出发，分析焊缝中的Ni含量为什么比母材要高及焊接热循环对焊接接头组织、性能的影响？
