奥氏体不锈钢的焊接性

【摘 要】本文分析了奥氏体不锈钢在焊接过程中容易产生的降低焊接接头抗晶间腐蚀能力、热裂纹和焊接接头脆化等问题,并从焊接材料选用或者焊接工艺制定等方面提出防止措施.

【关 键 词】奥氏体不锈钢；焊接性；防止措施

大部分的机械设备和工程结构都要受到大气和雨水的腐蚀,特别是在工业区还会受到各种工业废气的浸蚀；船舶、海洋结构和码头设施会受到海水和海洋气体的腐蚀.据统计,全世界所有的金属制品中,每年由于腐蚀而报废的重量,约为金属年产量的1/3.奥氏体不锈钢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.目前奥氏体不锈钢在石油、化工、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都有广泛应用,是应用最广的不锈钢.研究奥氏体不锈钢的焊接性,对发展耐蚀钢的焊接结构具有非常重大的经济意义.

奥氏体不锈钢具有面心立方晶体结构,通常具有良好的塑性和韧性,因此这类钢具有良好的弯折、卷曲和冲压成形性；冷加工时不会产生任何的淬火硬化,焊接过程中极少出现冷裂纹.奥氏体不锈钢焊接时存在的主要问题接头产生碳化铬沉淀析出,耐蚀性下降；焊缝及热影响区热裂纹敏感性大；接头中铁素体含量高时,可能出现475℃脆化或者σ相脆化.

1.焊接接头的抗腐蚀性

（1）晶间腐蚀

焊接时,奥氏体不锈钢母材类型和所用的焊接材料与工艺不同,可能产生焊缝的晶间腐蚀、熔合区和过热区的“刀蚀”和热影响区中的敏化温度区的晶间腐蚀.

①焊缝的晶间腐蚀

多层多道焊接时,前面已焊焊缝处于敏化温度区时,会产生晶间贫铬；使用时接触腐蚀介质,就会发生晶间腐蚀.防止焊缝焊缝晶间腐蚀,可选用含钛或铌稳定剂的奥氏体不锈钢焊接材料,也可选用超低碳焊接材料.还可以选用焊缝有少量铁素体组织的焊接材料和熔合比.

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600～1000℃范围.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,或选用超低碳的奥氏体不锈钢母材；在焊接工艺上选用小线能量焊接、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的产生.

③熔合线和过热区的“刀蚀”

含钛或铌的奥氏体不锈钢焊接热影响区紧邻熔合线的过热区.温度超过1200℃,TiC或NbC全部溶解于奥氏体中,冷却时部分固溶的碳原子扩散并偏聚在奥氏体晶界上.在随后的多层焊处于600～1000℃的敏化区,晶界上碳原子浓度增大,与铬结合成Cr23C6,造成晶间贫铬.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的破坏,简称“刀蚀”.防止“刀蚀”的措施：选用超低碳奥氏体不锈钢母材（超低碳奥氏体不锈钢焊接接头不会产生刀蚀）,在焊接顺序上安排接触腐蚀介质表面上的焊缝最后焊接.

（2）应力腐蚀

根据不锈钢设备与制件的应力腐蚀断裂事例和试验研究,可以认为：在一定静拉伸应力和在一定温度条件下的特定电化学介质共同作用下,现有的不锈钢均有产生应力腐蚀的可能.应力腐蚀最大特点之一是腐蚀介质与材料的组合上有选择性.容易引起奥氏体不锈钢应力腐蚀主要是盐酸和氯化物含有氯离子的介质,还有硫酸、硝酸、氢氧化物等介质.应力主要是焊接残余应力.因此,防止应力腐蚀主要是消除焊接残余应力的焊后热处理；以及焊接工艺采取措施减小残余应力.例如,结构设计时要尽量采用对接接头,避免十字交叉焊缝,Y形坡口改为X形坡口；适当减小坡口角度；采用短焊道焊；采用小线能量；适当的焊后锤击、表面抛光、表面喷丸等.

2.热裂纹

奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生热裂纹.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志偏析比较严重；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（一般是焊缝和热影响区受拉应力）.

防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施：

（1）冶金措施

①严格限制焊缝中有害杂质元素的含量.钢中镍含量越高,越应该严格控制硫、磷等杂质元素的质量分数,以减少低熔点共晶杂质.

②调整焊缝化学成分.选用双相组织的焊条,使焊缝形成奥氏体的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.铁素体的质量分数控制在3%～8%（5%左右）.过多的铁素体会使焊缝变脆.对于镍的质量分数大于15%的奥氏体不锈钢不能采用奥氏体和铁素体双相组织来防止热裂纹.因为铁素体在高温（>650℃）下长期使用,会析出σ相,使焊缝脆化.可采用奥氏体和碳化物的双相组织焊缝,亦有较高的抗热裂能力.

③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.

（2）工艺措施

①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.

②采用小线能量,小电流快速不摆动焊,可减小焊接应力.

③填满弧坑,可防止弧坑裂纹.

3.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,常会出现冲击韧度下降的现象,称为脆化.

（1）475℃脆化

含有较多铁素体相（超过15%～20%）的双相焊缝组织,经过350～500℃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,这种脆化越严重.因此,在保证焊缝金属抗裂性能和抗腐蚀性能的前提下,应将铁素体相控制在较低的水平,约5%左右.已产生475℃脆化的焊缝,可经900℃淬火消除.

（2）σ相脆化

奥氏体不锈钢焊接接头在375～875℃温度范围内长期使用,会产生一种FeCr金属间化合物,称为σ相.σ相硬而脆,由于σ相析出的结果,使焊缝冲击韧度急剧下降,这种现象称为σ相脆化.σ相一般仅在双相组织焊缝内出现；当使用温度超过800～850℃时,在单相奥氏体焊缝中也会析出σ相.通常认为,σ相主要是由铁素体演变而来,当铁素体含量超过5%时,σ相就很快形成.因此,高温下使用的奥氏体不锈钢,为了防止出现σ相,必须限制铁素体含量,控制在5%以内,并严格控制铬、钼、钛、铌等元素的含量.为了消除已经生成的σ相,恢复焊接接头的韧性,可把焊接接头加热到1000～1050℃,然后快速冷却.

（3）熔合线断裂

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,会发生脆断现象,称为熔合线脆断.在钢中加入钼能提高钢材抗高温脆断的能力.

总之,奥氏体不锈钢塑性和韧性很好,具有良好的焊接性,焊接时一般不需要采取特殊的焊接工艺措施.如果焊接材料选用不当或者焊接工艺不合理时,会产生降低焊接接头抗晶间腐蚀能力和热裂纹等问题.防止奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀、热裂纹、接头脆化等主要措施,可以从冶金方面或者工艺方面综合考虑.