焊工培训教材第14章不锈钢的焊接特点.docx

第十四章 不锈钢的焊接
不锈钢的概述
不锈钢是指主加元素铬含量能使钢处于钝化状态，又具有不锈特性的钢。为此，不锈钢w（Cr）应高于12%。此时，钢的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，使钢的电极电位和在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性提高。在非氧化介质（HCl、H2SO4）中，铬的作用并不明显，除了铬外，不锈钢中还须加入能使钢钝化的Ni、Mo等其它元素。通常所说的不锈钢实际是不锈钢和耐酸钢的总称，不锈钢一般泛指在大气、水等弱酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。两者在化学成分上的共同特点是w（Cr）均在12%以上，但由于合金化的差异，不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般具有良好的不锈钢性能。
不锈钢的种类、化学成分及其用途
不锈钢按照组织类型，可分为五类，即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。
不锈钢的重要特性之一是耐蚀性，然而不锈钢的不锈性和耐蚀性都是相对的，有条件的，受到诸多因素的影响，包括介质种类、浓度、纯净度、流动状态、使用环境的温度、压力等，目前还没有对任何腐蚀环境都具有耐蚀性的不锈钢。因此，不锈钢的选用应根据具体的使用条件加以合理选择，才能获得良好的使用效果。
奥氏体不锈钢在各种类型不锈钢中应用最广泛，品种也最多。由于奥氏体不锈钢的Cr、Ni含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性。奥氏体不锈钢的塑韧性优良，冷热加工性能俱佳，焊接性优于其它类型不锈钢，因而广泛应用于建筑装饰、食品工业、医疗器械、纺织印染设备以及石油、化工 、原子能等工业领域。
铁素体不锈钢的应用比较广泛，其中Cr13和Cr17型铁素体不锈钢主要用于腐蚀环境不十分苛刻的场合，例如室内装饰、厨房设备、家电产品、家用器具等。超低碳高铬含钼铁素体不锈钢因对氯化物应力腐蚀不敏感，同时具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，因而广泛用于热交换设备、耐海水设备、有机酸及制碱设备等。
马氏体不锈钢应用较为普遍的是Cr13型马氏体不锈钢。为获得或改善某些性能，添加Ni、Mo等合金元素，形成一些新的马氏体不锈钢。马氏体不锈钢主要用于硬度、强度要求较高，耐腐蚀要求不太高的场合，如量具、刀具、餐具、弹簧、轴承、气轮机叶片、水轮机转轮、泵、阀等。
双相不锈钢是金相组织由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢，而且各相占有较大的比例。双相不锈钢具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的一些特点，韧性良好 、强度较高，耐氯化物应力腐蚀。适于制作海水处理设备、冷凝器，热交换器等，在石油、化工领域应用广泛。
沉淀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、高韧性并具有良好腐蚀性的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、叶片等转动部件和螺栓、销子、垫圈、弹簧、阀、泵等零部件以及高强度压力容器、化工处理设备等。
不锈钢的组织特点
因化学元素含量的上下限和热处理状态的差异，从各元素对不锈钢组织的影响和作用程度来看，基本上有两类元素。一类是形成或稳定奥氏体的元素：C、Ni、Mn、N和Cu等，其中C和N作用程度最大。另一类是缩小甚至封闭γ相区即形成铁素体的元素：Cr、Si、Mo、Ti、Nb、Ta、V、W和Al等，其中Nb的作用程度最小。
不锈钢的组织有以下几种组织类型：
1）奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Mn等系列。为改善某些性能，满足特殊用途要求，在一些钢中单独或复合添加了N、Nb、Cu、Si等合金元素。奥氏体不锈钢通常在室温下为纯奥氏体组织，也有一些奥氏体不锈钢室温下的组织为奥氏体加少量铁素体，这种少量铁素体有助于防止热裂纹的产生。奥氏体不锈钢不能用热处理方法强化，但由于这类钢具有明显的冷加工硬化性，可通过冷变形方法提高强度。经冷变形产生的加工硬化，可采用固溶处理使之软化。
2）铁素体不锈钢
今年来铁素体不锈钢逐渐向低碳高纯度发展，使铁素体不锈钢的脆化倾向和焊接性得到明显改善。该类钢在固溶状态下为铁素体组织。当钢中w（Cr）超过16%时，仍存在加热脆化倾向。在400～600℃温度区间停留易出现475℃脆化，在650～850℃温度区间易引起σ相析出而导致的脆化，加热至900℃以上易造成晶粒粗化，使韧性降低。这类钢还有脆性转变特性，其脆性转变温度与钢中碳、氮含量，热处理时的冷却速度以及截面尺寸有关，碳、氮含量越低，截面尺寸越小，脆性转变温度越低。475℃脆化和σ相析出引起的脆化，可通过热处理方法予以消除。采用516℃以上短时加热后空冷，可消除475℃脆化，加热到900℃以上急冷可消除σ相脆化。
3）马氏体不锈钢
马氏体不锈钢w（Cr）范围在12%～18%，w（C）范围在0.1%～1.0%，也有一些含碳量更低的马氏体不锈钢，如0Cr13Ni5Mo等。马氏体不锈钢加热时可形成奥氏体，一般在油或空气中冷却即可得到马氏体组织，含碳量较低的马氏体不锈钢淬火状态的组织为板条马氏体加少量铁素体，如1Cr13、1Cr17Ni2、0Cr16Ni5Mo等。当w（C）超过0.3%时，正常淬火温度加热时碳化物不能完全固溶，淬火后的组织为马氏体加碳化物。
4）铁素体-奥氏体双相不锈钢
铁素体-奥氏体双相不锈钢室温下的组织为铁素体加奥氏体，通常铁素体的体积分数不低于50％。双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，具有较低的热裂倾向，而与铁素体不锈钢相比，则具有较低的加热脆化倾向，其焊接热影响区铁素体的粗化程度也较低。但这类钢仍然存在铁素体不锈钢的各种加热脆性倾向。
5）沉淀硬化不锈钢
沉淀硬化不锈钢包括马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和奥氏体沉淀硬化不锈钢。马氏体沉淀硬化不锈钢固溶处理后，空冷至室温即可得到马氏体少量铁素体和残余奥氏体或马氏体加少量残余奥氏体。再通过不同的时效温度，可得到不同的强化效果。半奥氏体沉淀硬化不锈钢固溶处理后，冷却至室温下得到的是不稳定的奥氏体组织。经700～800℃加热调整处理，析出碳化铬，使Ms点升高至室温以上，冷却后即转变为马氏体。再在400～500℃时效，达到进一步强化。这类钢也可在固溶处理后直接冷却至Ms与Mf之间，得到部分马氏体组织。再经时效处理，亦可达到强化效果。奥氏体沉淀硬化不锈钢的Cr、Ni或Mn含量较高，无论采用何种热处理，室温下均为稳定的奥氏体组织。经时效处理，在奥氏体基础上析出沉淀硬化相，从而获得更高的强度。
由于这类钢中含有较多硬化元素，比普通奥氏体不锈钢的焊接性差。
不锈钢的物理性能和力学性能
1）不锈钢物理性能
奥氏体不锈钢比电阻可达碳钢的5倍，线膨胀系数比碳钢的约大50%，而马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线膨胀系数大体上和碳钢的相等。奥氏体不锈钢的热导率为碳钢的1/2左右。奥氏体不锈钢通常是非磁性的。铬当量和镍当量较低的奥氏体不锈钢在冷加工变形较大的情况下，会产生形变诱导马氏体，从而产生磁性。用热处理方法可消除这种马氏体和磁性。
2）不锈钢的力学性能
马氏体不锈钢在退火状态下，硬度最低，可淬火硬化，正常使用时的回火状态的硬度又稍有下降。铁素体钢的特点是常温冲击韧性低。当高温长时间加热时，力学性能将进一步恶化，可能导致475℃脆化、σ脆性或晶粒粗大等。奥氏体不锈钢常温具有低的屈强比（40%～50%），伸长率、断面收缩率和冲击吸收功均很高并具有高的冷加工硬化性。某些奥氏体不锈钢经高温加热后，会产生σ相和晶界析出碳化铬引起的脆化现象。在低温下，铁素体和马氏体不锈钢的夏比冲击吸收功均很低，而奥氏体不锈钢则有良好的低温韧性。对含有百分之几铁素体的奥氏体不锈钢，则应注意低温下塑性和韧性降低的问题。
不锈钢的耐腐蚀性能
金属受介质的化学及电化学作用而破坏的现象称为腐蚀，不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀（表面腐蚀）和局部腐蚀，局部腐蚀包括晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。据统计，在不锈钢腐蚀破坏事故中，由均匀腐蚀引起的仅占约10%,而由局部腐蚀引起的则高达90%以上，由此可见，局部腐蚀是相当严重的。
1）均匀腐蚀
均匀腐蚀是指接触的金属表面全部产生腐蚀的现象。检查方法多半使用失重法。
铬不锈钢在氧化性介质中容易先在表面形成富铬氧化膜。该膜将阻止金属的离子化而产生钝化作用，提高了金属的耐均匀腐蚀性能。铬不锈钢或铬镍不锈钢因铬的钝化作用而对氧化性酸、大气均有较好的耐均匀腐蚀性能。但单纯依靠铬钝化的铬不锈钢在非氧化性酸，如稀硫酸和醋酸中耐均匀腐蚀的性能相对较低。高铬镍的奥氏体不锈钢，由于高镍或添加钼、铜之类元素，具有较高的耐还原性酸腐蚀的性能。该类钢又有耐酸钢之称。
沉淀硬化型不锈钢由于高铬，亦有较好的耐均匀腐蚀性能。但由于强化处理，按碳化铬析出或时效的情况不同，耐蚀性也有相应的损失或降低。
2）局部腐蚀
（1） 晶间腐蚀
在腐蚀介质作用下，起源于金属表面沿晶界深入金属内部的腐蚀称为晶间腐蚀。它是一种局部性腐蚀。晶间腐蚀导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，是一种很值得重视的危险的腐蚀现象。导致奥氏体不锈钢晶间腐蚀的原因很多，概括有以下几种：
A．碳化铬析出引起的晶间腐蚀
奥氏体不锈钢在500～800℃温度区间进行敏化处理时，过饱和固溶的碳向晶粒间界的扩散比铬的扩散的快，在晶界附近和铬结合成（Cr、Fe）23C6的碳化物并在晶界沉淀析出，形成了晶粒边界附近区域的贫铬现象。当该区铬含量降低导钝化所需的极限（w（Cr）12.5%）以下时，就会加速该区的腐蚀而发生了晶间腐蚀。
为了防止这种晶间腐蚀的产生，可以采取如下措施：采用超低碳（w（C）<0.03%以下或更低）或加Ti、Nb等；固溶处理（1010～1120℃）；调整相比例，使之含有5%~10%的δ铁素体；采用稳定化处理使晶内铬扩散均匀化以消除局部贫铬现象。
B．σ相析出引起的晶间腐蚀
试验证明，超低碳已解决了晶界析出（Cr、Fe）23C6引起的晶间腐蚀，但某些超低碳含钼奥氏体不锈钢，如00Cr17Ni13Mo2（316L）在敏化温度区间在晶界析出σ相，在沸腾的65%硝酸溶液中可发现σ相析出引起的晶间腐蚀。
C．晶界吸附引起的晶间腐蚀
普通的Cr18－Ni8奥氏体不锈钢在强氧化性的硝酸溶液中会产生晶间腐蚀，而高纯度的奥氏体不锈钢未发生这种现象。已查明Cr14－Ni14不锈钢中杂质P在晶界吸附是引起硝酸溶液中产生晶间腐蚀的原因。
D．稳定元素高温溶解引起的晶间腐蚀
含钛和含铌奥氏体不锈钢焊后在敏化温度加热处理再放入强氧化性的硝酸溶液中工作，将在熔合线上出现很窄区域的选择性腐蚀。它是一种沿晶界的腐蚀。常称为“刀状腐蚀”。
熔焊接时，熔合线附近由于过热，大部分碳化物被溶解。当第二次加热到敏化温度区间（或多层焊或热处理）时，主要沿晶界析出了铬的碳化物，由此引起晶间腐蚀。
铁素体不锈钢也会发生晶间腐蚀。将这种钢加热到925℃以上急冷后就有晶间腐蚀倾向，但经650～815℃短时间加热便可消除。在比邻焊接熔合线处可出现该类腐蚀。只有w（C＋N）降低到0.01%以下时，才能避免这种晶间腐蚀。和奥氏体不锈钢一样，也有温度－时间－敏化（TTS）曲线关系。也可用贫铬理论加以解释。在925℃以上保温时，碳在α相中固溶，冷却过程中即使在水淬冷速度条件下也不能抑制碳化物沿晶界析出而引起晶间腐蚀。又由于铬在α相中的扩散速度高于在γ相中的速度，所以在较低的温度下，如650～815℃区间内退火，便可通过铬的扩散，降低近晶界区的贫铬程度而避免晶间腐蚀。
点蚀及缝隙腐蚀
点蚀及缝隙腐蚀的共同机理是腐蚀区间产生“闭塞电池腐蚀”作用所致，但各自的具体原因不相同。
点蚀是指在金属材料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。
点蚀的形成主要是由于材料表面钝化膜的局部破坏所引起的。试验表明，材料的Ea值越正，抗点蚀能力越好；介质中Cl－的浓度越低，越不容易引起点蚀；增加材料的均匀性，即减少夹杂物（特别是硫夹杂物）、晶界析出物（晶间碳化物或σ相等）以及提高钝化膜的稳定性，如降低碳含量，增加铬和钼以及镍含量等都能提高抗点蚀能力。所以，现在有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。
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抗。它是以腐蚀部位的特征命名的。常发生在垫圈、铆接、螺钉连接缝、搭接的焊接接头、阀座、堆积的金属片间等处。由于连接处的缝隙被腐蚀产物覆盖以及介质扩散受到限制的原因，该处的介质成分和浓度与整体有很大差别，形成了“闭塞电池腐蚀”的作用。和点蚀形成机理有差异之点在于缝隙腐蚀主要是由介质的电化学不均匀性引起的。
从现有材料试验结果分析，0Cr18Ni9及00Cr17Ni14Mo2型奥氏体不锈钢、铁素体及马氏体不锈钢在海水中均有缝隙腐蚀的倾向。适当增加铬、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的防止缝隙腐蚀的发生。因此，改善运行条件、改变介质成分和结构形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。
应力腐蚀断裂（SCC）
应力腐蚀是指在静拉伸应力与电化学介质共同作用下，因阳极溶解过程引起的断裂。在应力与腐蚀介质共同作用下有三种不同类型的局部腐蚀——应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳。氢脆也是在静拉伸应力与电化学介质作用下产生的，但它是由于阴极吸氢而引起的断裂。腐蚀疲劳的应力，不仅是静拉伸应力，更主要地是交变的周期性的拉－拉、拉－压的动态应力，和上述两种类型是根本不相同的。
应力腐蚀断裂在断裂部位和形貌上有如下特征：一般在近介质表面出现，一般没有总体均匀腐蚀；宏观裂纹较平直，常常有分枝、花纹和龟裂；微观裂纹一般有分枝特征，裂纹尖端较锐利，根部较宽，且常起源于点蚀坑底和表面，有沿晶、穿晶与混合型的裂纹；断口形貌一般无显著的塑性变形，宏观断口粗糙，多呈结晶状、层片状、放射状和山口形貌；微观断口穿晶型为准解理断裂，有河流花样、扇形花样、鱼骨状花样、羽毛状花样、流水状花样、泥状花样以及石块状堆积花样等，有撕裂岭，沿晶型呈冰糖块状花样。
不锈钢的焊接方法
许多焊接方法都可用于不锈钢的焊接，但对于不同类型的不锈钢，由于其组织与性能存在较大的差异，焊接性也各不相同，因此，不同的焊接方法对于不同类型的不锈钢具有不同的适用性。在选择焊接方法时，要根据不锈钢母材的焊接性，对焊接接头力学性能、耐腐蚀性能的综合要求来确定。例如埋弧焊是一种高效优质的焊接方法，对于含有少量铁素体的奥氏体不锈钢焊缝来讲，通常不会产生焊接热裂纹，但对于纯奥氏体不锈钢焊缝，由于许多焊剂向焊缝金属中增硅，焊缝金属容易形成粗大的单相奥氏体柱状晶，焊缝金属的热裂纹敏感性大，因此一般不采用埋弧焊焊接纯奥氏体不锈钢，除非采用特殊的焊剂。当焊接接头的腐蚀性要求高时，钨极氩焊等惰性气体保护焊具有明显的优势。对于一些特种焊接方法，如电阻点焊、缝焊、闪光焊及螺柱焊，也可用于不锈钢的焊接，与普通低碳钢相比，由于不锈钢具有较高的电阻和较高的强度，因此需要较低的焊接电流和较大的压力或顶锻力。钎焊也广泛应用于不锈钢的连接，母材类型不同，钎焊温度也不同，与普通碳钢相比，不锈钢用钎剂有较强的腐蚀性，为了防止残留的钎剂对钎焊接头的腐蚀，需对钎焊接头予以仔细的清理。
奥氏体不锈钢的焊接
与其他不锈钢相比，奥氏体不锈钢的焊接是比较容易的。在焊接过程中，对于不同类型的奥氏体不锈钢，奥氏体从高温冷却到室温时，随着C、Cr、Ni、Mo含量的不同、金相组织转变的差异及稳定化元素Ti、Nb＋Ta的变化，焊接材料与工艺的不同，焊接接头各部位可能出现下述一种或多种问题，在实际焊接工艺方法的选择及焊接材料的匹配方面应予以足够的重视。
1）焊接接头的热裂纹
A．热裂纹的一般特性
与其它不锈钢相比，奥氏体不锈钢具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有产生热裂纹的可能。热裂纹通常可分为凝固裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹三大类，由于裂纹均在焊接过程的高温区发生，所以又称高温裂纹。凝固裂纹主要发生在焊缝区，最常见的弧坑裂纹就是凝固裂纹。液化裂纹多出现在靠近熔合线的近缝区。在多层多道焊缝中，层道间也有可能出现液化裂纹。对于高温失塑裂纹，通常发生在焊缝金属凝固结晶完了的高温区。
B．产生热裂纹的基本原因
奥氏体不锈钢的物理特性是热导率小、线膨胀系数大，因此在焊接局部加热和冷却条件下，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝金属及近缝区在高温承受较高的拉伸应力与拉伸应变，这是产生热裂纹的基本条件之一。
2）焊接接头的耐蚀性
A．晶间腐蚀
根据不锈钢及其焊缝金属化学成分、所采用的焊接工艺方法，焊接接头可能在三个部位出现晶间腐蚀，包括焊缝的晶间腐蚀、紧靠熔合线的过热区“刀蚀”及热影响区敏化温度区的晶间腐蚀。
B．应力腐蚀开裂
奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，通常表现为无塑性变形的脆性破坏，危害严重，它也是最为复杂和难以解决的问题之一。影响奥氏体应力腐蚀开裂的因素有焊接残余拉应力，焊接接头的组织变化，焊前的各种热加工、冷加工引起的残余应力，酸洗处理不当或在母材上随意打弧，焊接接头设计不合理造成应力集中或腐蚀介质的局部浓度提高等等。
3）焊接接头的脆化
A．焊缝金属的低温脆化
对于奥氏体不锈钢焊接接头，耐蚀性或抗氧化性并不总是最为关键的性能，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性就成为关键性能。为了满足低温韧性的要求，焊缝组织通常希望获得单一的奥氏体组织，避免δ铁素体的存在。δ铁素体的存在，总是恶化低温韧性。
B．焊接接头的σ相脆化
σ相是一种脆硬的金属间化合物，主要析集于柱状晶的晶界。在奥氏体焊缝中，γ相与δ相均可发生σ相转变。σ相析出的脆化还与奥氏体不锈钢中合金化程度相关。对于Cr、Mo等合金元素含量较高的超级奥氏体不锈钢，易析出σ相。Cr、Mo具有明显的σ化作用，提高奥氏体化合金元素Ni含量。防止N在焊接过程中的降低可有效得降低它们的σ化作用，是防止焊接接头脆化的有效冶金措施。
马氏体不锈钢的焊接
马氏体不锈钢的焊接特点
1）马氏体不锈钢的组织与性能特点
Cr型和马氏体不锈钢，一般经调质热处理，金相组织为马氏体，随回火温度的不同，马氏体的强度、硬度及塑韧性可在较大范围内调整，以满足不同使用性能的要求。对于低碳、超低碳马氏体不锈钢以及超级马氏体不锈钢，经淬火和一次回火或二次回火热处理后，金相组织为低碳马氏体＋逆变奥氏体复合相组织。对于w（Ni）在4%~7%的低碳马氏体不锈钢以及超级马氏体不锈钢，在淬火后（通常采取空冷）形成低碳马氏体，在回火加热到As（低于Ac1）以上时，将发生M γ1的“逆转变”。这种组织不同于Ac1温度以上转变形成的奥氏体，也不同于从高温冷却时残留的奥氏体，因此称为逆变奥氏体。这种组织富碳富镍，具有良好的组织稳定性，通常弥散分布于低碳马氏体基体，具有明显的强韧化作用。
2）马氏体不锈钢的焊接特点
对于马氏体不锈钢来讲，高温奥氏体冷却到室温时，即使是空冷，也转变为马氏体，表现出明显的淬硬倾向。
由于焊接是一个快速加热与快速冷却的不平衡冶金过程，因此，此类焊缝及焊接热影响区焊后的组织通常为硬而脆的高碳马氏体，含碳量越高，这种硬脆倾向就越大。当焊接接头的拘束度较大或氢含量较高时，很容易导致冷裂纹的产生。在冷却速度较小时，近缝区及焊缝金属会形成粗大铁素体及沿晶析出硬化物，使接头的塑韧性显著降低。因此，在采用同材质焊接材料焊接此类马氏体钢，为了细化焊缝金属的晶粒，提高焊缝金属的塑韧性，焊接材料中通常加入少量的Nb、Ti、Al等合金化元素，同时应采取一定工艺。
铁素体不锈钢的焊接