奧氏體不銹鋼的焊接特點及焊條選用

奧氏體不銹鋼的焊接特點及焊條選用奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性，目前工業(yè)上應用最廣，焊接時一般不需要采取特殊的工藝措施，本論文比較詳細的分析了奧氏體不銹鋼在焊接時產(chǎn)生熱裂紋、晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、焊接接頭的脆化（低溫脆化、σ相脆化、熔合線脆斷）原因和防治措施，通過焊接特點理論和實踐分析，著重介紹了奧氏體不銹鋼在焊接不同材料和處于不同工作環(huán)境條件時焊條的選用原則方法，只有工藝措施和焊條選用合理，才可以焊接出完美的焊縫。不銹鋼在航空、石油、化工和原子能等工業(yè)中得到日益廣泛的應用，不銹鋼按化學成分分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼，按組織分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。在不銹鋼中，奧氏體不銹鋼(18-8型不銹鋼)比其他不銹鋼具有更優(yōu)良的耐腐蝕性；強度較低，而塑性、韌性極好；焊接性能良好，其主要用作化工容器、設備和零件等，它是目前工業(yè)上應用最廣的不銹鋼。雖然奧氏體不銹鋼有諸多優(yōu)點但是若焊接工藝不正確或焊接材料選用不當，會產(chǎn)生很多缺陷，最終影響使用性能。奧氏體不銹鋼的焊接特點（一）容易出現(xiàn)熱裂紋奧氏體不銹鋼在焊接時熱裂紋是比較容易產(chǎn)生的缺陷，包括焊縫的縱向和橫向裂紋、火口裂紋、打底焊的根部裂紋和多層焊的層間裂紋等，特別是含鎳量較高的奧氏體不銹鋼更容易產(chǎn)生。1.產(chǎn)生原因（1）奧氏體不銹鋼的液、固相線的區(qū)間較大，結(jié)晶時間較長，且單相奧氏體結(jié)晶方向性強，所以雜質(zhì)偏析比較嚴重。（2）導熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時會產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應力（一般是焊縫和熱影響區(qū)受拉應力）。（3）奧氏體不銹鋼中的成分如C、S、P、Ni等，會在熔池中形成低熔點共晶。例如，S與Ni形成的Ni3S2熔點為645℃,而Ni-Ni3S2共晶體的熔點只有625℃。2.防止措施（1）采用雙相組織的焊縫盡量使焊縫金屬呈奧氏體和鐵素體雙相組織,鐵素體的含量控制在3～5%以下，可擾亂奧氏體柱狀晶的方向，細化晶粒。并且鐵素體可以比奧氏體溶解更多的雜質(zhì)，從而減少了低熔點共晶物在奧氏體晶界的偏析。（2）焊接工藝措施在焊接工藝上盡量選用堿性藥皮的優(yōu)質(zhì)焊條、采用小線能量，小電流、快速不擺動焊,收尾時盡量填滿弧坑及采用氬弧焊打底等，可減小焊接應力和弧坑裂。（3）控制化學成分嚴格限制焊縫中S、P等雜質(zhì)含量，以減少低熔點共晶。（二）晶間腐蝕產(chǎn)生在晶粒之間的腐蝕，其導致晶粒間的結(jié)合力喪失，強度幾乎完全消失，當受到應力作用時，即會沿晶界斷裂。1．產(chǎn)生原因根據(jù)貧鉻理論,焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450～850℃敏化溫度（危險溫度區(qū)）時，由于Cr原子半徑較大，擴散速度較小，過飽和的碳向奧氏體晶粒邊界擴散，并與晶界的鉻化合物在晶界形成Cr23C6,造成貧鉻的晶界,不足以抵抗腐蝕的程度。2.防止措施（1）控制含碳量采用低碳或超低碳（W(C)≤0.03%）不銹鋼焊接焊材。如A002等。（2）添加穩(wěn)定劑在鋼材和焊接材料中加入Ti、Nｂ等與Ｃ親和力比Cr強的元素，能夠與Ｃ結(jié)合成穩(wěn)定碳化物，從而避免在奧氏體晶界造成貧鉻。常用的不銹鋼材和焊接材料都含有Ti、Nb，如１Cr18Ni9Ti、１Cr18Ni12MO2Ti鋼材、E347-15焊條、H0Cr19Ni9Ti焊絲等。（3）采用雙向組織由焊絲或焊條向焊縫中熔入一定量的鐵素體形成元素,如Cr、Si、AL、MO等，以使焊縫形成為奧氏體+鐵素體的雙相組織，因為Cr在鐵素體內(nèi)擴散速度比在奧氏體中快，因此Cr在鐵素體內(nèi)較快的向晶界擴散，減輕了奧氏體晶界的貧鉻現(xiàn)象。一般控制焊縫金屬中鐵素體含量為5%～10%，如鐵素體過多，會使焊縫變脆。（4）快速冷卻因為奧氏體不銹鋼不會產(chǎn)生淬硬現(xiàn)象，所以在焊接過程中，可以設法增加焊接接頭的冷卻速度，如焊件下面用銅墊板或直接澆水冷卻。在焊接工藝上，可以采用小電流、大焊速、短弧、多道焊等措施，縮短焊接接頭在危險溫度區(qū)停留的時間，以免形成貧鉻區(qū)。（5）進行固溶處理或均勻化熱處理焊后把焊接接頭加熱到1050～1100℃，使碳化物又重新溶解到奧氏體中，然后迅速冷卻，形成穩(wěn)定的單相奧氏體組織。另外，也可以進行850～900℃保溫2h的均勻化熱處理，此時奧氏體晶粒內(nèi)部的Cr擴散到晶界，晶界處Cr量又重新達到了大于12%，這樣就不會產(chǎn)生晶間腐蝕了。（三）應力腐蝕開裂金屬在應力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下，發(fā)生的腐蝕破壞。根據(jù)不銹鋼設備與制件的應力腐蝕斷裂事例和試驗研究，可以認為：在一定靜拉伸應力和在一定溫度條件下的特定電化學介質(zhì)共同作用下，現(xiàn)有的不銹鋼均有產(chǎn)生應力腐蝕的可能。應力腐蝕最大特點之一是腐蝕介質(zhì)與材料的組合上有選擇性。容易引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕主要是鹽酸和氯化物含有氯離子的介質(zhì)，還有硫酸、硝酸、氫氧化物（堿）、海水、水蒸氣、H2S水溶液、濃NaHCO3+NH3+NaCl水溶液等介質(zhì)等。1.產(chǎn)生原因應力腐蝕開裂是焊接接頭在特定腐蝕環(huán)境下受拉伸應力作用時所產(chǎn)生的延遲開裂現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴重的失效形式,表現(xiàn)為無塑性變形的脆性破壞。2.防止措施（1）合理制定成形加工和組裝工藝盡可能減小冷作變形度,避免強制組裝,防止組裝過程中造成各種傷痕(各種組裝傷痕及電弧灼痕都會成為SCC的裂源,易造成腐蝕坑。（2）合理選擇焊材焊縫與母材應有良好的匹配,不產(chǎn)生任何不良組織,如晶粒粗化及硬脆馬氏體。（3）采取合適的焊接工藝保證焊縫成形良好,不產(chǎn)生任何應力集中或點蝕的缺陷,如咬邊等采取合理的焊接順序,降低焊接殘余應力水平。例如，避免十字交叉焊縫，Y形坡口改為X形坡口、適當減小坡口角度、采用短焊焊道、采用小線能量。

(4)消除應力處理焊后熱處理,如焊后完全退火或退火;在難以實施熱處理時采用焊后錘擊或噴丸等。(5)生產(chǎn)管理措施介質(zhì)中雜質(zhì)的控制,如液氨介質(zhì)中的O2、N2、H2O等、液化石油氣中的H2S、氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等、防蝕處理:如涂層、襯里或陰極保護等、添加緩蝕劑。

奧氏體304不銹鋼金相（四）焊接接頭的脆化奧氏體不銹鋼的焊縫在高溫加熱一段時間后，就會出現(xiàn)沖擊韌度下降的現(xiàn)象，稱為脆化。1.焊縫金屬的低溫脆化（475℃脆化）

（1）產(chǎn)生原因

含有較多鐵素體的相（超過15%～20%）的雙相焊縫組織，經(jīng)過350～500℃加熱后，塑性和韌性會顯著下降，由于475℃時脆化速度最快，故稱為475℃脆化。

對于奧氏體不銹鋼焊接接頭，耐蝕性或抗氧化性并不總是最為關鍵的性能，在低溫使用時，焊縫金屬的塑韌性就成為關鍵性能。

為了滿足低溫韌性的要求，焊縫組織通常希望獲得單一的奧氏體組織，避免δ鐵素體的存在。δ鐵素體的存在，總是惡化低溫韌性，而且含量越多，這種脆化越嚴重。

（2）防治措施

①在保證焊縫金屬抗裂性能和抗腐蝕性能的前提下，應將鐵素體相控制在較低的水平，約5%左右。

②已產(chǎn)生475℃脆化的焊縫，可經(jīng)900℃淬火消除。

2.焊接接頭的σ相脆化

（1）產(chǎn)生原因

奧氏體不銹鋼焊接接頭在375～875℃溫度范圍內(nèi)長期使用，會產(chǎn)生一種FeCr間化合物，稱為σ相。σ相硬而脆（HRC>68）。

由于σ相析出的結(jié)果，使焊縫沖擊韌度急劇下降，這種現(xiàn)象稱為σ相脆化。σ相一般僅在雙相組織焊縫內(nèi)出現(xiàn)；當使用溫度超過800～850℃時，在單相奧氏體焊縫中也會析出σ相。

（2）防止措施

①限制焊縫金屬中的鐵素體含量(小于15%);采用超合金化焊接材料,即高鎳焊材,并嚴格控制Cr、Mo、Ti、Nb等元素的含量。

②采用小規(guī)范,以減小焊縫金屬在高溫下的停留時間。

③對已析出的σ相在條件允許時進行固溶處理,使σ相溶入奧氏體。

④把焊接接頭加熱到1000～1050℃，然后快速冷卻。σ相一般在１Cr18Ni9Ti鋼中一般不產(chǎn)生。

3.熔合線脆斷

（1）產(chǎn)生原因奧氏體不銹鋼在高溫下長期使用，在沿熔合線外幾個晶粒的地方，會發(fā)生脆斷現(xiàn)象。

（2）防治措施在鋼中加入Mo能提高鋼材抗高溫脆斷的能力。通過以上的分析，只有合理選擇以上的焊接工藝措施或焊接材料都可以避免以上焊接缺陷的產(chǎn)生。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性，幾乎所有的焊接方法都可用于奧氏體不銹鋼的焊接。

在各種焊接方法中焊條電弧焊具有適應各種位置與不同板厚的優(yōu)點、應用非常廣泛。下面著重分析一下奧氏體不銹鋼焊條在不同用途下的選用原則和方法。

奧氏體不銹鋼的焊條選用要點

不銹鋼主要用于耐腐蝕,但也用作耐熱鋼和低溫鋼。因此,在焊接不銹鋼時,焊條的性能必須與不銹鋼的用途相符。不銹鋼焊條必須根據(jù)母材和工作條件(包括工作溫度和接觸介質(zhì)等)來選用。不銹鋼不同鋼材牌號和焊條型號、牌號對照表鋼材牌號焊條型號焊條牌號焊條公稱成分備注0Cr18Ni110Cr19Ni11E308L-16A00200Cr19Ni1000Cr17Ni14Mo200Cr18Ni5Mo3Si200Cr17Ni13Mo3E316L-16A02200Cr18Ni12Mo2良好的耐熱、耐腐蝕、抗裂性00Cr18Ni14Mo2Cu2E316Cu1-16A03200Cr19Ni13Mo2Cu00Cr22Ni5Mo3NE309Mo1-16A04200Cr23Ni13Mo200Cr18Ni24Mo5CuE385-16A05200Cr18Ni24Mo5焊縫耐甲酸、醋酸、氯離子腐蝕性能0Cr19Ni91Cr18Ni9TiE308-16A1020Cr19Ni10鈦鈣型藥皮1Cr19Ni90Cr18Ni9E308-15A1070Cr19Ni10低氫形藥皮0Cr18Ni9--A122--0Cr18Ni11TiE347-16A1320Cr19Ni10Nb具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕能力0Cr18Ni11Nb1Cr18Ni9TiE347-15A1370Cr19Ni10Nb0Cr17Ni12Mo200Cr17Ni13Mo2TiE316-16A2020Cr18Ni12Mo21Cr18Ni12Mo2Ti00Cr17Ni13Mo2TiE316Nb-16A2120Cr18Ni12Mo2Nb比A202有更好的抗晶間腐蝕能力0Cr18Ni12Mo2Cu2E316Cu-16A2220Cr19Ni13Mo2Cu2由于含Cu,所以在硫酸介質(zhì)中很耐酸0Cr19Ni13Mo300Cr17Ni13Mo3TiE317-16A2420Cr19Ni13Mo3Mo含量高，抗非氧化性酸、有機酸性能佳1Cr23Ni1300Cr18Ni5Mo3Si2E309-16A3021Cr23Ni13異種鋼、高鉻鋼、高錳鋼等00Cr18Ni5Mo3Si2E309Mo-16A3121Cr23Ni13Mo21Cr25Ni20E310-16A4022Cr26Ni21用于硬化性大鉻鋼和異種鋼1Cr18Ni9TiE310-15A407低氫形藥皮Cr16Ni25Mo6E16-25MoN-16A502Cr16Ni25Mo6E16-25MoN-15A507（一）要點一

一般來說,焊條的選用可參照母材的材質(zhì),選用與母材成分相同或相近的焊條。如:A102對應0Cr18Ni9、A137對應1Cr18Ni9Ti。

（二）要點二

由于碳含量對不銹鋼的抗腐蝕性能有很大的影響,因此,一般選用熔敷金屬含碳量不高于母材的不銹鋼焊條。如316L必須選用A022焊條。

(三)要點三

奧氏體不銹鋼的焊縫金屬應保證力學性能。可通過焊接工藝評定進行驗證。

（四）要點四（奧氏體耐熱鋼）

對于在高溫工作的耐熱不銹鋼(奧氏體耐熱鋼),所選用的焊條主要應能滿足焊縫金屬的抗熱裂性能和焊接接頭的高溫性能。

1.對Cr/Ni≥1的奧氏體耐熱鋼,如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用奧氏體-鐵素體不銹鋼焊條,以焊縫金屬中含2～5%鐵素體為宜。鐵素體含量過低時,焊縫金屬抗裂性差；若過高,則在高溫長期使用或熱處理時易形成σ脆化相,造成裂紋。

如A002、A102、A137。在某些特殊的應用場合,可能要求采用全奧氏體的焊縫金屬時,可采用比如A402、A407焊條等。

2.對Cr/Ni<1的穩(wěn)定型奧氏體耐熱鋼,如Cr16Ni25Mo6等,一般應在保證焊縫金屬具有與母材化學成分大致相近的同時,增加焊縫金屬中Mo、W、Mn等元素的含量,使得在保證焊縫金屬熱強性的同時,提高焊縫的抗裂性。如采用A502、A507。

（五）要點五（耐蝕不銹鋼）

對于在各種腐蝕介質(zhì)中工作的耐蝕不銹鋼,則應按介質(zhì)和工作溫度來選擇焊條,并保證其耐腐蝕性能(做焊接接頭的腐蝕性能試驗)。

1.對于工作溫度在300℃以上、有較強腐蝕性的介質(zhì),須采用含有Ti或Nb穩(wěn)定化元素或超低碳不銹鋼焊條。如A137或A002等。

2.對于含有稀硫酸或鹽酸的介質(zhì),常選用含Mo或含Mo、Cu的不銹鋼焊條如:A032、A052等。

3.工作,腐蝕性弱或僅為避免銹蝕污染的設備,方可采用不含Ti或Nb的不銹鋼焊條。為保證焊縫金屬的耐應力腐蝕能力,采用超合金化的焊材,即焊縫金屬中的耐蝕合金元素(Cr、Ni等)含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2類型的焊接材料(如A022)焊接00Cr19Ni10焊件。

（六）要點六對于在低溫條件下工作的奧氏體不銹鋼,應保證焊接接頭在使用溫度的低溫沖擊韌性,故采用純奧氏體焊條。如A402、A407。

（七）要點七

也可選用鎳基合金焊條。如采用Mo達9%的鎳基焊材焊接Mo6型超級奧氏體不銹鋼。

（八）要點八焊條藥皮類型的選擇

1.由于雙相奧氏體鋼焊縫金屬本身含有一定量的鐵素體,具有良好的塑性和韌性,從焊縫金屬抗裂性角度進行比較,堿性藥皮與鈦鈣型藥皮焊條的差別不像碳鋼焊條那樣顯著。因此在實際應用中,從焊