不銹鋼、耐熱鋼焊接

不銹鋼、耐熱鋼的焊接不銹鋼及耐熱鋼的類型按用途分：不銹鋼：包括高鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳氮鋼。用以有侵蝕性的化學介質(zhì)，對強度要求不高。熱穩(wěn)定鋼：用于高溫下要求抗氧化或耐氣體介質(zhì)腐蝕的一類鋼，也稱為抗氧化不起皮鋼。鉻鎳鋼、高鉻鋼。熱強鋼：高溫下抗氧化或耐腐蝕，具有一定的高溫強度。高鉻鎳鋼，馬氏體鋼。按組織分：奧氏體鋼：應用最廣，高鉻鎳鋼、高鉻錳鋼均屬此類鋼。Cr18Ni8(18-8)用于耐腐蝕；Cr25Ni20(25-20)用做熱穩(wěn)定鋼，提高C含量用做熱強鋼。雙相鋼：奧氏體、鐵素體雙相鋼，Cr21Ni5Ti，具有優(yōu)異的耐蝕性。鐵素體鋼：Cr17～28％的高鉻鋼，主要用做熱穩(wěn)定鋼，也可做耐蝕鋼。馬氏體鋼：Cr13以及Cr12多元合金化的鋼沉淀硬化型不銹鋼：將18-8鋼的Ni量適當降低并調(diào)節(jié)成分可獲得一種經(jīng)沉淀強化處理的不銹鋼，具有好的耐蝕性，且強度很高。00Cr17Ni17Al不銹鋼的耐腐蝕性不銹鋼的耐蝕性：是基于其主要元素Cr在鋼表面形成致密的氧化膜對鋼的鈍化作用。腐蝕：金屬受介質(zhì)的化學及電化學作用而被破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。①均勻腐蝕：金屬整個表面產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象，又稱整體腐蝕，是一種表面腐蝕。不銹鋼的均勻腐蝕量不大。②晶間腐蝕：奧氏體鋼在450～850℃加熱時，會由于沿晶界沉淀出Cr的碳化物致使晶粒周邊形成貧Cr區(qū)，在腐蝕介質(zhì)作用下沿晶粒邊界深入金屬內(nèi)部，產(chǎn)生在晶粒之間的一種腐蝕稱為晶間腐蝕。含C量越高，晶間腐蝕越大。③點狀腐蝕：腐蝕集中于金屬表面的局部范圍，并迅速向內(nèi)部發(fā)展，最后穿透。表面缺陷是引起點狀腐蝕的重要原因之一。④應力腐蝕開裂：金屬在腐蝕介質(zhì)和表面拉應力聯(lián)合作用下產(chǎn)生的脆性開裂現(xiàn)象。奧氏體鋼焊接接頭最易出現(xiàn)這一問題。⑤接觸腐蝕、縫隙腐蝕、選擇性腐蝕和腐蝕疲勞開裂等耐熱鋼的高溫性能抗氧化性：耐熱鋼中含有Cr、AlorSi，可形成致密的氧化膜，因而均可具有很好的抗氧化性能。熱強性：高溫下長時工作時對斷裂的抗力(即持久強度)，或在高溫下長期工作時抗塑性變形的能力(即蠕變抗力)。提高熱強性措施：①利用Mo、W固溶強化，提高原子間結合力；②形成穩(wěn)定的第二相，主要是碳化物相。適當提高含C量并同時加入碳化物形成元素Nb、V可有效提高熱強性。③減少晶界和強化晶界，可控制晶粒度并加入微量硼、稀土等。高溫脆化：耐熱鋼在熱加工或長期高溫工作中，可能產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。除了Cr13在550℃附近的回火脆性、高鉻鐵素體鋼的晶粒長大脆化以及奧氏體鋼沿晶析出碳化物脆化，還有475℃脆性和相脆化，奧氏體不銹鋼的焊接奧氏體不銹鋼晶間腐蝕問題(一)晶間腐蝕的形成條件及機理晶間腐蝕和鋼的成分(碳和碳化物形成元素)有關，還與加熱條件有關。①碳顯著增大晶間腐蝕敏感性，鋼中含有強碳化物形成元素Ti、Nb時，碳的有害作用會降低?！柏氥t理論”：碳與Cr形成碳化物導致近晶界的晶粒表面嚴重缺Cr，產(chǎn)生明顯腐蝕，即晶間腐蝕。Ti、Nb可優(yōu)先與碳結合而防止碳與Cr結合，從而避免Cr缺少。超低碳有利于防止晶間腐蝕。②加熱溫度低or加熱時間短，不利于形成鉻的碳化物，不致產(chǎn)生缺Cr；加熱溫度較高，Cr擴散增加，不致形成貧鉻，在450～850℃間短時加熱促使晶間腐蝕傾向（敏化處理）。在850～900℃短時加熱可消除晶間腐蝕傾向（穩(wěn)定化處理）。(二)焊接接頭的晶間腐蝕區(qū)及控制焊縫區(qū)腐蝕：與焊接材料和工藝有關，控制焊縫金屬的成分，主要是采用超低碳焊材和添加足夠量的Ti、Nb；控制焊縫的組織狀態(tài)，使之還與適當數(shù)量的鐵素體(5%最好)。敏化區(qū)腐蝕：焊接熱影響區(qū)中峰值穩(wěn)定處于敏化穩(wěn)定區(qū)間的部位所發(fā)生的腐蝕。發(fā)生在不含Ti或Nb的普通Cr18Ni8不銹鋼中，超低碳時也不會有敏化區(qū)腐蝕。采用含Ti或Nb的18－8鋼，也可采用超低碳不銹鋼來防止敏化區(qū)腐蝕。焊接工藝應能減少熱影響區(qū)處于敏化溫度時間。刀狀腐蝕：只出現(xiàn)含Ti或Nb這類元素的不銹鋼焊接接頭中，且一定發(fā)生在緊鄰焊縫過熱區(qū)中，由于這種沿晶破壞呈深而窄的形狀，類似刀削切口形式，故稱為刀狀腐蝕。刀蝕是一種特殊形式的晶間腐蝕。產(chǎn)生原因高溫過熱加中溫敏化。為防止產(chǎn)生刀蝕，最好采用超低碳不銹鋼，含強碳化物形成元素Ti或Nb的鋼。工藝上，合理布局和合理的工藝流程。不銹鋼接頭的應力腐蝕開裂問題奧氏體不銹鋼應力腐蝕裂紋的形成拉應力的存在是應力腐蝕開裂的不可缺少的重要條件，而其中焊接殘余應力所引起的應力腐蝕開裂比重大，奧氏體鋼由于熱導性差，線膨脹系數(shù)大，在約束焊接變形時可殘留較大的焊接應力。焊接接頭應力腐蝕開裂的控制①合理調(diào)整焊縫成分：這是提高接頭抗應力腐蝕的重要措施之一。②盡量降低殘余應力：處理設計及施工中盡量消除應力集中源和減少焊接應力外，焊后消除應力處理也極為重要。焊接接頭熱裂問題奧氏體鋼焊接時在焊縫及近縫區(qū)均可看見熱裂紋，最常見的是焊縫凝固裂紋，有時也有近縫區(qū)液化裂紋。含Ni量越高，產(chǎn)生裂紋的傾向越大，且越不易控制。奧氏體鋼焊接時易于熱裂的原因①奧氏體鋼的導熱系數(shù)小和線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，接頭在冷卻過程中可形成較大的拉應力。焊縫金屬凝固期間存在較大拉應力是產(chǎn)生凝固裂紋的必要條件。②奧氏體鋼易形成方向性強的柱狀晶的焊縫組織，有利于有害雜質(zhì)的偏析而促使形成晶間液態(tài)夾層，顯然易于促使產(chǎn)生焊縫凝固裂紋。③奧氏體鋼及其焊縫的合金組織較復雜，一些合金元素因溶解度有限，會生成NiS、NiP、FeO也形成低熔共晶，C大大增加了S、P雜質(zhì)的敏感性。奧氏體鋼焊縫結晶裂紋防止措施①嚴格限制有害雜質(zhì)：采用同質(zhì)填充金屬焊接奧氏體鋼。②盡可能避免形成單相奧氏體組織：對于常溫下工作的焊縫采用＋雙相組織（量5％～12％），其原因中可溶解較多的S、P等雜質(zhì)，可以有效消除單相組織的方向性而使之細化，有利于減少晶間偏析，降低界面能，減少液態(tài)共晶薄膜，對于高溫下使用的焊縫采用＋一次碳化物組織來防止產(chǎn)生結晶裂紋。③適當調(diào)整合金成分：適當提高奧氏體化元素Mn、C、N的含量，可以顯著改善單相奧氏體焊縫的抗裂性。Mn、Cu共存將加強偏析而促成焊縫產(chǎn)生裂紋傾向加大。④盡量減小焊縫的過熱：工藝上減小熔池過熱，形成粗大柱狀晶，采用小線能量。近縫區(qū)液化裂紋問題液化裂紋可以出現(xiàn)在母材的HAZ上，也見于多層焊縫層間區(qū)域上，也是晶間偏析而形成的低熔點共晶液膜所造成的。防止措施：首先工藝上設法防止過熱，減小晶粒粗化程度，其次嚴格控制雜質(zhì)含量。奧氏體鋼焊接接頭力學性能問題焊縫低溫脆化：最好不采?。p相組織，而應取單相組織。焊縫高溫脆化：焊縫中含有較多相時（在高溫時變?yōu)椋?，都會發(fā)生顯著脆化現(xiàn)象。為了保證韌性，長期高溫工作的焊縫相數(shù)量小于5％或奧氏體加一次碳化物。單相焊縫也可產(chǎn)生相，引起脆化，與合金系統(tǒng)有關?？刹扇〖訜岬?050～1100℃保溫1小時后水淬，可使相重溶，性能恢復。奧氏體鋼的焊接工藝特點導熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大，焊接后易產(chǎn)生較大變形，應采用能量集中的焊接方法。采用同質(zhì)填充金屬，為避免Cr的碳化物沉淀，一般不預熱并保證層間溫度低于250℃，加快焊接接頭的冷卻。焊接材料的選擇保證抗晶間腐蝕和抗熱裂。電阻率大，導熱系數(shù)小，奧氏體鋼焊絲的熔化系數(shù)比結構鋼大。導熱系數(shù)小，在同樣的焊接參數(shù)下可獲得較大熔深。為防止過熱，可采用比普通低合金鋼電流小10～20％。奧氏體鋼焊絲易與銅導電嘴發(fā)生磨擦，磨損。保證焊縫成分穩(wěn)定，保證穩(wěn)定的熔合比。馬氏體鋼及鐵素體鋼的焊接馬氏體鋼分類：Cr13系馬氏體鋼(不銹鋼)、Cr12系多元合金化馬氏體(熱強鋼)馬氏體鋼的焊接性：主要問題冷裂紋、脆化現(xiàn)象和晶間腐蝕冷裂紋：淬硬性是產(chǎn)生冷裂紋的根本原因，含C量越大，冷裂紋傾向越大，馬氏體鋼導熱性差，焊接殘余應力大，再有氫的作業(yè)，冷裂傾向更明顯。晶粒粗化傾向：馬氏體鋼具有較大的晶粒粗化傾向，在小冷卻速度時，近縫區(qū)會出現(xiàn)粗大的鐵素體和碳化物組織，塑韌性下降，冷卻速度很大時，產(chǎn)生粗大的馬氏體組織，塑韌性下降，所以，焊接時冷卻速度的控制很重要。脆化現(xiàn)象：馬氏體鋼一般有回火脆性（在500～550℃），焊前后應熱處理。馬氏體鋼的焊接工藝特點：①焊縫化學成分的確定：主要決定于焊接材料的選定，為了保證使用要求，焊縫成分應與母材同質(zhì)。②焊前預熱及焊后熱處理：鋼的淬硬性越大，預熱溫度越高，一般采用150～400℃預熱。焊后熱處理是防止延遲裂紋和改善性能的重要措施，通常在700～760℃加熱空冷。鐵素體鋼的焊接工藝特點預熱的必要性：鐵素體鋼焊接時近縫區(qū)晶粒易于長大而形成粗大鐵素體，造成明顯脆化，低溫預熱使接頭處于富有韌性的狀態(tài)下，防止產(chǎn)生裂紋。采用低溫預熱100～200℃。焊縫成分的確定：采用同質(zhì)填充材料，控制雜質(zhì)含量，提高純度，進行合理的合金化。475℃脆化問題：475℃脆性是高Cr鐵素體鋼中的重要問題之一?！嗟奈龀鲆鸩牧嫌不?是475℃脆性的原因。雜質(zhì)對475℃脆化有促進作用。晶間腐蝕：加熱到950℃快速冷卻會產(chǎn)生貧Cr區(qū)導致晶間腐蝕。相脆化：在高溫時變?yōu)楹负鬅崽幚恚汉负笤?50～850℃進行熱處理很重要，常在700～750℃可促使Cr的擴散均勻，貧Cr層可以消失。且這種焊后熱處理還可以改善接頭韌性及塑性。雙相不銹鋼焊接分類：＋、＋等，最常用的雙相鋼有Cr18、Cr22、Cr23、Cr25雙相不銹鋼具有高強度，對晶間腐蝕不敏感，較好的抗點蝕能力和優(yōu)良的耐蝕性，其原因是：①0.2高，表面氧化膜不易破裂，應力腐蝕開裂難以形成；②合金組元特征決定了耐孔蝕與點蝕能力，減少了抗應力腐蝕開裂源；③第二相存在對應力腐蝕開裂具有機械屏障和阻礙作用；例如：Cr21－Cr23雙相不銹鋼是一種60％＋40％，抗SCC最佳。主要焊接問題：雙相不銹鋼對熱裂、冷裂不敏感，焊接接頭通常工作溫度<250℃因為在520℃～820℃鐵素體變?yōu)橄?，產(chǎn)生脆性，由于雙相不銹鋼中間含有Mo擴大了相穩(wěn)定范圍使得鐵素體更易在高溫下變?yōu)橄?；。雙相不銹鋼含Cr>15％會形成475℃（350～550℃）脆化。粗晶脆化：在焊接加熱過程中變?yōu)?250～1300變?yōu)閱蜗嗉崩鋾r為單相，緩冷時會析出針狀或羽毛狀，焊接時線能量大會粗晶脆化，快冷量不足影響抗蝕性?？刮g性：合金元素的影響：①③④C的影響：當焊縫金屬中含有較高的C時，會在焊接冷卻過程中(1000℃)，相供碳，相供Cr，在晶界處形成Cr23C6導致SCC敏感性增加，故要求焊縫金屬中含碳量≤0.03％。②N的影響：當N≤0.2％時有利于二次奧氏體析出，提高抗SCC能力。Mo、Cu提高雙相鋼在MgCl2和CaCl2介質(zhì)中的抗間隙腐蝕能力。Ti、Nb有利于防止HAZ中產(chǎn)生單相，但增加了晶間腐蝕的敏感性。