不锈钢的焊接

不锈钢的焊接 1、奥氏体不锈钢的焊接 ;不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称，钢中所加合金元素在10%（质量分数）以上，属于高合金钢。它包括奥氏体型、马氏体型、铁素体型、奥氏体－马氏体型和沉淀硬化型五类。 焊接奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9、00Cr18Ni9、0Cr18Ni12Mo2、00Cr18Ni12Mo2、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti等）主要问题是热裂纹――焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区所产生的焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀――沿金属晶粒边界发生的腐蚀破坏现象。和应力腐蚀开裂――金属材料（包括焊接接头）在一定温度下受腐蚀介质和拉应力的共同作用而产生的裂纹。此外，因导热性差，线膨胀系数大，焊接变形也大。 1)热裂纹与结构钢相比，它的热裂纹倾向较大，在焊 缝及热影响区均可能出现热裂纹。最常见的是焊缝结晶裂纹－－在焊缝凝固过程的后期所形成的焊接裂纹，时在热影响区和多层焊层间还会出现液化裂纹。含镍量越高，产生热烈倾向越大，而且越不容易控制。 ;防止：a.严格限制硫、磷等杂质的含量。b.调整焊缝金属组织，以奥氏体为主的γ＋δ双相组织具有良好抗裂性。c.调整焊缝金属合金成分，在单相稳定奥氏钢中适当增加锰、碳、氮的含量。d.采用小线能量及小截面焊道 2)接头脆化奥氏体钢焊接接头的低温脆化和高温脆化是值得注意的问题 ;防止措施：a.严格控制焊缝中铁素体含量（体积分数）2～7%，因为475℃脆化和δ相脆化易出现在铁素体中。b.多层焊时采用较小线能量，以减少熔池体积，提高冷却速度，缩短高温滞留时间。 3）晶间腐蚀有三种形式：焊缝的晶间腐蚀；热影响区的“敏化区腐蚀”--敏化区腐蚀――在焊接热循环作用下，奥氏体不锈钢焊接热影响区中，被加热到易引起晶间腐蚀的敏化温度（理论上为450-850℃）的部位，称为敏化区。在敏化区发生的晶间腐蚀现象； 刀蚀――发生在焊接接头近缝区一个狭带（小于1mm）上的晶间腐蚀。这种腐蚀的破坏形式像刀的切口，故称为刀蚀 。   ;防止措施：a.尽量降低母材及焊缝中含碳量；b.采用热量集中的焊接方法，小的焊接线能量，多道焊、焊缝背面加铜衬垫等措施使接头快速冷却，使焊缝和热影响区在450～850℃的停留时间尽量缩短；c.在钢中添加稳定化元素Ti、Nb等；d.在钢及焊缝金属中加铁素体形成元素，从而获得奥氏体加少量铁素体的双相组织；e.焊后进行固溶处理（加热至1050～1150℃，保温后淬火）或稳定化处理（加热至850℃保温2h后空冷）。 ;4)应力腐蚀开裂随材料腐蚀介质及拉应力大小的不同，开裂的断口可能是沿晶的，也可能是穿晶的，还可能是两种皆有的混合形式。焊接残余应力是引起应力腐蚀开裂的主要原因。接头过热区对这种开裂最敏感。 ;减缓或防止措施：a.焊后消除或减少焊接残余应力；b.选用奥氏体－铁素体双相组织的母材或焊接材料；c.采用高Ni（达40%）的铬镍不锈钢焊条。焊接奥氏体不锈钢常采用焊接方法有手工电弧焊、钨极氩弧焊和熔化极富氩混合气体保护焊。 2、马氏体不锈钢的焊接 马氏体不锈钢一般均经调质处理，属于热处理强化钢.马氏体钢可分为两类，一类是是简单的Cr13系列，如2Cr13、4Cr13等；另一类是Cr12为基的多元合金强化马氏体钢，如1Cr12WMoV、1Cr12Ni3MoV等马氏体钢属于在空气中冷却即能淬硬的钢种，所以冷裂纹和脆化是这类钢焊接的主要问题。 ;防止冷裂措施：a、预热。预热是防止这类钢在焊接时产生冷裂纹的重要措施，但预热温度要控制不要超过400℃，以防止产生475℃脆性。b、为防止冷裂，马氏体钢（F11钢除外）焊后应立即进行高温回火。 焊接马氏体不锈钢常用手工电弧焊和钨极氩弧焊。手工电弧焊一般用低氢焊条，钨极氩弧焊主要用于薄板焊接的封底焊。 3、  铁素体不锈钢的焊接 ;铁素体不锈钢（Cr17、Cr17Ti、Cr17Mo2Ti、Cr25Ti、Cr28）由铬、铝、钼及钛等添加元素来防止焊接受热过程中形成奥氏体，所以在焊后冷却过程中不会出现奥氏体向马氏体转变得淬硬现象。 ;焊接的主要问题是热影响区脆化和常温冲击韧度较低。焊缝和热影响区在400～600℃温度区间停留易出现475℃脆化，在650～850℃温度区间停留易引起δ相析出而脆化。焊接时，接头过热区（900℃）以上晶粒粗大，不能用热处理细化。 铁素体不锈钢焊接时应采用小功率，高焊速进行焊接，尽量减少焊缝截面，且不要连续焊接，即等待前一道焊缝冷却到预热温度时再焊下一道焊缝。为防止高铬铁素体钢的室温韧性的大幅度降低，所以很容易在焊接接头上产生裂纹，因此，常要求进行低温（70℃～150℃）预热，使接头处于富有韧性状态下，这样可以有效地防止裂纹的产生。一旦出现脆化现象，可在650～850℃短时加热后空冷，即能消除475℃脆化；加热到930～950℃后水淬急冷，可以消除δ相脆化。 高铬铁素体钢焊接时所用焊条，可以是和母材成分相近的铁素体铬钢焊条，也可以使奥氏体钢焊条。采用同质焊接材料时，焊缝呈粗大的铁素体组织，韧性很差。假如焊件不允许预热或后热处理时，可采用奥氏体焊接材料。 一、奥氏体不锈钢的焊接特性 1.晶间腐蚀（包括刀状腐蚀） 焊缝在450～850℃温度区间停留，或在焊接热循环下，加热至450～850℃的热影响区内，奥氏体不锈钢中的碳和铬形成碳化铬，使晶粒边界处奥氏体局部贫铬，丧失耐腐蚀能力的现象（即沿晶粒边界发生腐蚀）。晶间腐蚀的特点：外观仍有金属光泽，但困晶粒已失去联系，敲击时失去金属声音、钢质变脆。一般认为650℃为晶间腐蚀敏感温度，奥氏体钢焊缝或热影响区，只要在这个温度停留十几秒到几分钟，就会产生晶间腐蚀。 2.热裂纹焊接奥氏体不锈钢时，焊缝和近缝区会产生裂纹，而且主要是热裂纹、其原因为： ①奥氏体不锈钢的导热系数小和线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却的条件下，焊接接头在冷却过程中可形成较大拉应力。 ②奥氏体钢焊缝易形成方向性强的粒状晶组织，促进了有害杂质偏析，易形成晶间液态夹层，增大热裂倾向。 ③在含镍很高的奥氏体不锈钢中，不仅硫、磷、锡、锑等杂质可形成易熔夹层，而且一些合金组元，如硅、硼、铌等，因溶解度有限也易于偏析，形成易熔夹层，增大了热裂倾问。 3.脆性б相析出奥氏体不锈钢焊缝，在650～850℃停留时间过长时，也有可能象铁素体不锈钢一样，析出一种硬脆（HRC≥60）、无磁性的金属间化合物（主要成分是铁和铬及小量的镍一б相）。由于这种脆性相的析出，割断了晶间的联系／使该处的塑性和韧性严重降低，而且抗晶问腐蚀性能也有所下降。 二、奥氏体不锈钢的焊接工艺要点 1.正确选择焊接材料根据奥氏体不锈钢焊接的主要问题、无论手工电弧焊、埋弧焊熔化极或非熔化极氩弧焊接时，都必须首先从焊接材料（主要焊条、焊丝）选择上尽量消除或减弱下述三方面问题的影响： （1）选用超低碳焊丝（焊条）因为焊缝含碳量越高，晶间腐蚀倾向越大，所以尽量降低焊缝金属的含碳量，是提高焊缝耐晶间腐蚀能力的一个途径。由于在奥氏体中溶解的碳小于等于0.03％时不会析出碳化铬，所以一般把焊丝中含碳量小于等于0.04％，定为超低碳的。采用超低碳焊丝，因碳化铬析出引起的贫铬问题得到了控制，自然就提高了焊缝抗晶间腐蚀的能力。 （2）在焊丝（焊条）中加稳定化元素 由于钛（Ti）、铌（Nb）等亲碳能力强，因而在、焊丝中添加这些元素后，在450～850℃加热时，奥氏体不锈钢中的碳，将优先与钛、铌形成化合物，避免了碳与铬形成化合物而引起晶界处奥氏体局部贫铬问题，从而保证了焊缝贫晶间腐蚀能力。 钛加入量与含碳量有关，一般应符合Ti／（C一0.02）＞8.5～9.5的关系。 （3）使焊缝获得双相组织 获得双相组织的方法：合金元素对金属组织的影响可分两大类：一类是奥氏体促进元素，如镍、氮、铜、钴、碳、锰等；另一类是铁素体促进元素，如铬、钼、钒、硅、钛、铌等。因而在奥氏体不锈钢焊材中加入适量铁素体促进元素，可获得奥氏体十铁素体双相组织。 双相组织的作用： 1）提高焊缝耐晶间腐蚀能力单相奥氏体组织的焊缝金属，具有发达的柱状晶特征，一旦出现贫铬层，可以贯穿于晶粒之间，而构成腐蚀介质集中的腐蚀通道，因而具有较大的晶间腐蚀倾向。若焊丝中添加一些铁素体形成元素，则获得奥氏体十铁素体双相组织，使柱状树枝晶被打散，对腐蚀介质不能形成集中的腐蚀通道，大大减弱了晶间腐蚀倾向。 2）提高焊缝抗热裂能力少量的铁素体可以细化晶粒，打乱柱状晶体的方向和防止杂质的聚集。另外，铁素体还可以比奥氏体溶解更多的杂质、从而可以减少偏析：这些都对抗热裂能力有利。但必须注意稳定的单相奥氏体钢，如Cr25Ni20、Crl5Ni35钢等，不能采用双相组织来防止热裂纹，因为这种双相组织在高温（＞650℃）会析出σ相，使焊缝脆化。对于这类钢，防止热裂纹的措施，一是适当提高含碳量，使焊缝中形成一定数量的稳定的一次碳化物。由于这种碳化物组成的共晶体，熔点低流动性好，在焊缝结晶过程中弥散分布、可以细化奥氏体晶粒，并在晶间薄层被拉断的瞬间填充进去，因而可防止形成热裂纹。二是降低焊缝含硅量、适当增加锰、钼含量。 3）控制铬镍比为了获得稳定的双向组织，希望焊缝中的铬、镍之比=2.2～2.3通常应将铁素体含量控制在5％以内，一方面可大大提高奥氏体不锈钢（主要是18—8型）的耐晶间腐蚀和抗热裂纹能力，另方面可有效地抑制σ相的生成。 （4）控制硫、磷含量选用硫、磷含量低的焊接材料，严格控制焊缝中硫、磷含量不应高出母材的硫、磷含量。 2.焊接注意事项 （1）采用小的线能量在相同条件下，焊接电流应比普通碳钢、低合金高强钢小10％～20％。 （2）采取冷却措施要采取强制冷却（例如水冷、吹压缩空气等）措施、控制层间和焊后温度，尽量减少在450～850℃的停留时间。 （3）采取拖焊法 焊条不准作横向摆动。（4）其它 ①避免飞溅； ②禁止随便到处乱打弧； ③焊缝表面应光洁，无凹凸不平现象，残渣彻底除净； ④接触腐蚀介质的焊缝根部，禁止预留垫板或锁边，要保证焊透； ⑤焊接电缆卡头在工件上要卡紧，以免发生打弧或过烧现象； ⑥接触介质的焊缝应在最后焊接； ⑦焊缝交接处要错开； ⑧有可能时接头背面（焊管子时为内壁）也要加氩气保护，以保证背面成形并防止氧化。 3.焊后处理焊后应进行以下处理： （1）固溶（或奥氏体化）处理将焊接接头加热到1050～1100℃，因在这个温度下析出的碳又重新溶人奥氏体中，然后急冷便得到了稳定的奥氏体组织。经过这种处理后，如果焊接接头仍在危险温度区间工作，碳仍会析出形成贫铬层而产生晶间腐蚀。 （2）均匀化处理（或称稳定化退火、免疫处理）将焊接接头加热至850～900℃，保温一定时间，使奥氏体晶粒内部的铬，有充分时间扩散到晶界，使晶界处的含铬量又恢复到大于临界值（12％），从而避免产生晶间腐蚀。4.其它措施奥氏体不锈钢氩弧焊时，除遵守以上规定外，还应注意以下几点：①TIG焊时，一般应采用直流正接。对于含Al较多的奥氏体钢，因易生成A1203氧化膜，以采用交流电源为宜。 ②MIG焊时，一般应采用直流反接，为使熔滴以喷射形式过渡，要求有足够大的电流密度。 ③如果能采用脉冲氩弧焊，则有利于减少接头过热，并有利于打乱柱状晶的方向性，对耐蚀性和抗裂性的改善都大有好处。一、低温钢的焊挂特性低温钢，大都使用以铁素体为基的细晶钢，而超低温大都使用铬镍奥氏体钢。这里主要介绍铁素体为基的细晶粒钢焊接。焊低温钢的主要矛盾是如何保证接头的韧性。对于以铁素体为基的低温钢影响断裂韧性的主要因素是铁素体的晶粒度。因而凡能促使细化晶粒的合金元素，数量适当都可改善韧性。例如可形成碳、氮化合物的铝、钛、铌均有很好的细化晶粒作用。对焊件正火处理，也有利于细化晶粒。当锰与硅添加比例合适时，能很好的脱氧，锰脱硫作用明显，因而适当提高含锰量，也能明显地提高韧性。由于碳能影响钢材韧性，且能促使硫偏析，因而在低温钢焊缝中，应尽量减少含碳量，并严格控制硫、磷含量。稀土元素有除气、除硫作用，所以低温钢焊丝中，加入适当稀土元素，可明显地改善钢的韧性。当低温钢使用含镍焊丝，以改善基体韧性时，尤其要控制碳、硫、磷的含量。