奥氏体不锈钢的焊接工艺及焊接材料.docx

1 、奥氏体不锈钢的焊接特点
(1) 容易出现热裂纹
    防止措施：
（a）尽量使焊缝金属呈双相组织，铁素体的含量控制在3-5% 以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。（b）尽量选用碱性药皮的优质焊条，以限制焊缝金属中S、P、C 等的含量。
(2) 晶间腐蚀
  根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到450～850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，不足以抵抗腐蚀的程度。
  防止措施：
（a）采用低碳或超低碳的焊材，如A002等；采用含钛、铌等稳定化元素的焊条，如A137、A132等。
（b）由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体形成元素，使焊缝金属成为奥氏体+ 铁素体的双相组织（铁素体一般控制在4～12%）。
（c）减少焊接熔池过热，选用较小的焊接电流和较快的焊接速度，加快冷却速度。
（d）对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件进行焊后稳定化退火处理。
(3) 应力腐蚀开裂
  应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。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，表现为无塑性变形的脆性破坏。
  防止措施：
（a）合理制定成形加工和组装工艺，尽可能减小冷作变形度，避免强制组装，防止组装过程中造成各种伤痕（各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为SCC的裂源，易造成腐蚀坑）。（b）合理选择焊材：焊缝与母材应有良好的匹配，不产生任何不良组织，如晶粒粗化及硬脆马氏体等。
（c）采取合适的焊接工艺：保证焊缝成形良好，不产生任何应力集中或点蚀的缺陷，如咬边等；采取合理的焊接顺序，降低焊接残余应力水平。（d）消除应力处理：焊后热处理，如焊后完全退火或退火；在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。
（e）生产管理措施：介质中杂质的控制，如液氨介质中的O2、N2、H2O等；液化石油气中的H2S；氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等；防蚀处理：如涂层、衬里或阴极保护等；添加缓蚀剂。
(4) 焊缝金属的低温脆化
  对于奥氏体不锈钢焊接接头，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时，焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。
  防止措施：通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝。
(5) 焊接接头的σ相脆化
  焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相，导致整个接头脆化，塑性和韧性显著下降。σ相的析出温度范围650～850℃。在高温加热过程中，σ相主要由铁素体转变而成。加热时间越长，σ相析出越多。
  防止措施：（a）限制焊缝金属中的铁素体含量（小于15%）；采用超合金化焊接材料，即高镍焊材。（b）采用小规范，以减小焊缝金属在高温下的停留时间。（c）对已析出的σ相在条件允许时进行固溶处理，使σ相溶入奥氏体。
2 、奥氏体不锈钢的焊条选用要点
  不锈钢主要用于耐腐蚀钢，但也用作耐热钢和低温钢。因此，在焊接不锈钢时，焊条的性能必须与不锈钢的用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件（包括工作温度和接触介质等）来选用。
  （1）一般来说，焊条的选用可参照母材的材质，选用与母材成分相同或相近的焊条。如：A102对应0Cr19Ni9；A137对应1Cr18Ni9Ti。
  （2）由于含碳量对不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响，因此，一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如316L必须选用A022焊条。
  （3）奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能，可通过焊接工艺评定进行验证。
  （4）对于在高温工作的耐热不锈钢（奥氏体耐热钢），所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。
     a）对Cr/Ni≥1的奥氏体耐热钢，如1Cr18Ni9Ti等，一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条，以焊缝金属中含2%～5% 铁素体为宜。铁素体含量过低时，焊缝金属抗裂性差；若过高，则在高温长期使用或热处理时易形成σ脆化相，造成裂纹。如A002、A102、A137。在某些特殊的应用场合，可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时，可采用如A402、A407焊条等。
     b）对Cr/Ni＜1的稳定型奥氏体耐热钢，如Cr16Ni25Mo6等，一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时，增加焊缝金属中Mo、W、Mn 等元素的含量，使得在保证焊缝金属热强性的同时，提高焊缝的抗裂性。如采用A502、A507。
  （5）对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢，则应按介质和工作温度来选择焊条，并保证其耐腐蚀性能（做焊接接头的腐蚀性能试验）。
     a）对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质，须采用含有Ti 或Nb 稳定化元素或超低碳不锈钢焊条。如A137或A002等。
     b）对于含有稀硫酸或盐酸的介质，常选用含Mo或含Mo和Cu的不锈钢焊条。如A032、A052等。
      c）工作腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备，方可采用不含Ti或Nb 的不锈钢焊条。为保证焊缝金属的耐应力腐蚀能力，采用超合金化的焊材，即焊缝金属中的耐蚀合金元素（Cr、Mo、Ni等）含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2类型的焊接材料(如A022)焊接00Cr19Ni10焊件。
 （6）对于在低温条件下工作的奥氏体不锈钢，应保证焊接接头在使用温度的低温冲击韧性，故采用纯奥氏体焊条。如A402、A407。
 （7）也可选用镍基合金焊条。如采用Mo 达9% 的镍基焊材焊接Mo6 型超级奥氏体不锈钢。
 （8）焊条药皮类型的选择
      a）由于双相奥氏体钢焊缝金属本身含有一定量的铁素体，具有良好的塑性和韧性，从焊缝金属抗裂性角度进行比较，碱性药皮与钛钙型药皮焊条的差别不像碳钢焊条那样显著。因此在实际应用中，从焊接工艺性能方面着眼较多，大都采用药皮类型代号为17或16的焊条（如A102A、A102、A132等）。
      b）只有在结构刚性很大或焊缝金属抗裂性较差（如某些马氏体铬不锈钢、纯奥氏体组织的铬镍不锈钢等）时，才考虑选用药皮代号为15 的碱性药皮不锈钢焊条（如A107、A407等）。
3、 奥氏体不锈钢的焊接要点
  总的来说，奥氏体不锈钢具有优良的焊接性。几乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢的热物理性能和组织特点决定了其焊接工艺要点。
  ① 由于奥氏体不锈钢导热系数小而热膨胀系数大，焊接时易于产生较大的变形和焊接应力，因此应尽可能选用焊接能量集中的焊接方法。
  ② 由于奥氏体不锈钢导热系数小，在同样的电流下，可比低合金钢得到较大的熔深。同时又由于其电阻率大，在焊条电弧焊时，为了避免焊条发红，与同直径的碳钢或低合金钢焊条相比，焊接电流较小。
  ③焊接规范。一般不采用大线能量进行焊接。焊条电弧焊时，宜采用小直径焊条，快速多道焊，对于要求高的焊缝，甚至采用浇冷水的方法以加速冷却，对于纯奥氏体不锈钢及超级奥氏体不锈钢，由于热裂纹敏感性大，更应严格控制焊接线能量，防止焊缝晶粒严重长大与焊接热裂纹的发生。
  ④ 为提高焊缝的抗热裂性能和耐蚀性能，焊接时，要特别注意焊接区的清洁，避免有害元素渗入焊缝。
  ⑤ 奥氏体不锈钢焊接时一般不需要预热。为了防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出，保证焊接接头的塑、韧性和耐蚀性，应控制较低的层间温度，一般不超过150℃。
4、奥氏体不锈钢的焊接工艺与焊材选择
  奥氏体不锈钢的焊接性良好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施，但如果焊接材料选用不当，或焊接工艺不正确时，将会出现晶界腐蚀和热裂纹等缺陷。此外，奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，焊接时容易引起较大的翘曲变形。
焊接工艺
  手弧焊是焊接奥氏体不锈钢最常用的焊接方法。但这种方法合金元素的过渡系数小，更换焊条时，焊缝交接处的重复加热对接头质量会带来不利影响。
    (a)焊条选择  奥氏体不锈钢焊条有酸性敏钙型和碱性低氢钠型两大类。低氢钠型不锈钢焊条的抗热裂性较高，但成形不如钦钙型焊接，抗腐蚀性也较差。钱钙型焊条具有良好的工艺性能，生产中用得较普遍。一般根据被焊不锈钢的牌号选择焊条，见表1和表2。
表1常用不锈钢焊接材料推荐表

表2 18-8型不锈钢焊接选用焊条举例

表3为焊接规范。
  工艺措施焊接规范应选用小线能量，焊接电流要小，一般比低碳钢要小20%。也可按焊条直径的25-35倍估算，具体电流大小可根据焊条直径按下表选取。
表3 焊接规范

      (b)焊接工艺参数选择  选择较小的电流，比焊接碳钢的电流小10％～45％，使焊条药皮不发红。
      (c)操作技术  焊接时，焊条不应作横向摆动，快速焊，一次焊成的焊缝不宜过宽，最好不超过焊条直径的3倍。多层焊时，每焊完一层要彻底消除熔渣，层间温度应低于60℃与腐蚀介质接触的焊缝，为防止由于过热而产生晶间腐蚀，应最后焊接。焊后可采取强制冷却措施，加速接头冷却。焊接开始时，不要在工件上随便引弧，以免损伤焊件表面，影响耐腐蚀性。
  另外为保证接头的质量，应当采用以下焊接工艺：
    1.焊前准备。必须清除可能使焊缝金属增碳的各种污染。焊接坡口和焊接区焊前应用丙酮或酒精除油和去水。不得用碳钢钢丝刷清理坡口和焊缝表面。清渣和除锈应用砂轮、不锈钢钢丝刷等。
   2.焊条必须存放在干净的库房内。使用时应将焊条放在焊条筒内,不要用手直接接触焊条药皮。
   3.焊接薄板和拘束度较小的不锈钢焊件,可选用氧化钛型药皮焊条。因为这种焊条的电弧稳定,焊缝成型美观。
    4.对于立焊和仰焊位置,应采用氧化钙型药皮焊条。其熔渣凝固较快,对熔化的焊缝金属可起到一定的支托作用。
    5.气体保护焊和埋弧自动焊时,应选用铬锰含量比母材高的焊丝,以补偿焊接过程中合金元素的烧损。
    6.在焊接过程中,必须将焊件保持较低的层间温度,最好不超过150 ℃。不锈钢厚板焊接时,为加快冷却,可从焊缝背面喷水或用压缩空气吹焊缝表面,但层间必须注意清理,防止压缩空气污染焊接区。
    7.手工电弧焊时,应在焊条说明书规定的电流范围内选择焊接电流。由于不锈钢电阻值较大,靠近夹持端的一段焊条容易受电阻热的作用而发红,在焊至后半段焊条时应加快熔化速度,使焊缝熔深减少,但熔化速度太快又会造成未熔合和熔渣等缺陷。从保证接头的耐腐蚀性考虑,也要求选用较小的焊接电流,减少焊接热输入量,防止焊接热影响区的过热。
    8.在操作技术上应采用窄焊道技术,焊接时尽量不摆动焊条,在保持良好熔合的前提下,尽可能提高焊接速度。
    9.不锈钢焊件焊后一般不作消除应力处理。虽然在不锈钢的焊接中也存在较高的残余应力,但由于接头各区在焊后具有良好的塑性和韧性,使残余应力的有害影响显著减小。更重要的是消除应力处理的温度范围正好处于不锈钢的敏化温度区,消除应力处理反而导致耐蚀性的降低。因此不锈钢焊件的焊后热处理的目的不应是消除接头的残余应力,而应是提高接头的耐蚀性。主要有固溶处理和稳定化处理。
5 、奥氏体不锈钢的焊接措施
  铬镍奥氏体不锈钢一般焊后不进行热处理，但为了提高材料的抗晶间腐蚀能力，可采用稳定化退火和固溶处理。
    18-8钢焊接时, 焊缝的晶间腐蚀问题, 可以从以下几个方面采取措施。
    1）.焊缝中加人一定量的铁素体形成元素， 如加入钛、铌、钼、钡、硅等, 促使焊缝形成奥氏体加铁素体双相组织。实践证明，在奥氏体中有少量铁素体存在，就会大大改善材料的抗晶间腐蚀能力。这是因为奥氏体中碳的浓度比铁素体中碳的浓度大，所以碳原子有向奥氏体中扩散的趋势。奥氏体中的碳和铁素体中的铬都向两相交界处扩散，由于碳的扩散速度很大，有可能碳原子首先从奥氏体越过边界与铬形成碳化铬，又由于铬在铁素体里的扩散速度要比在奥氏体中快得多,一旦在晶界处形成贫铬区，能够较快地从铁素体内部得到补充，从而使贫铬层消失。但是18-8钢中的铁素体量不宜过多，否则会促使σ相形成，反而降低抗晶间腐蚀的能力。
    2）.焊缝中加人稳定碳化物元素，即在焊缝中加入钛、铌，使之形成TiC或NbC，减少形成碳化铬的可能性，也可避免晶间腐蚀。如奥132焊条、137奥焊条即是作为稳定剂的不锈钢焊条。
    3）.减少焊缝中的含碳量，即可减少和避免形成碳化物，从而降低形成晶间腐蚀的倾向。如果把含碳量降低到0.04%以下，就可避免碳化物析出。这种含碳量低于0.04%的不锈钢或焊条，一般称为“超低碳” 不锈钢，能有效地克服晶间腐蚀。
      4）.对于焊接接头，一般可控制焊接规范或采取焊后热处理的方法来改善抗晶间腐蚀能力。
  控制焊接热规范的措施主要是缩短加热时间，减少焊缝截面，用小线能量规范进行焊接，强制快速冷却等，避免在危险温度停留时间过长。
  焊后热处理，可采用稳定化退火，既加热到580℃，保温4h，然后空冷，也可采用固溶处理既一般采取加热到1050-1150℃，保温后水冷，即可避免晶间腐蚀。