奥氏体不锈钢的焊接

① 奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，导热系数小，延长了焊缝金属在高温 区停留时间，提高了焊缝金属在高温时经受的拉伸应变；
② 奥氏体不锈钢焊缝结晶时，液相线与固相线之间的距离大，凝固过程
的温度范围大，使低熔点杂质偏析严重，并且在晶界聚集； ③ 纯奥氏体焊缝的柱状晶间存在低熔点夹层薄膜，在凝固结晶后期以液态
1．不锈钢的均匀腐蚀
不锈钢之所以有良好的耐腐蚀性，是由于它具有可钝化性。处于钝化态的不 锈钢其表面被致密的氧化膜所覆盖，这层氧化膜对内部金属起着保护作用，抑制 金属释放电子的溶解过程，降低腐蚀速度。
铬可以使钢具有高的钝化能力，因此，铬是不锈钢中最主要的合金元素。不 锈钢中含铬量通常在 12％以上；在氧化性较强的介质中，不锈钢的含铬量一般 高于 16％。
② 焊缝的化学成分 硫、磷等杂质元素易在晶间形成低熔点共晶，显著 增大热裂纹敏感性。
③ 焊接应力 焊接时形成较大的内应力，是形成焊接热裂纹的必要条件 之一。
2、焊接方法与焊接材料
1）焊接方法
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，此外，还可以采用钎焊和电阻焊的方法进行焊接。
奥氏体不锈钢的晶间腐蚀可以用贫铬理论来解释。Cr 是使奥氏体不锈钢耐 蚀的基本合金元素，含 Cr 量超过 12%左右就可使钢具有优秀的耐蚀性能。如固 溶的 Cr 量不足 12%，耐蚀性就显著下降。室温时 18-8 钢中碳的溶解度小于 0.02～ 0.03%，如 18-8 钢含 0.1%C 则固溶处理后，奥氏体必为碳所过饱和，而呈不稳 定的状态，在再次加热时，超过溶解度的碳将向晶界扩散，并可和 Cr 结合而形 成 Cr23C6 沉淀于晶界。由于晶粒内部 Cr 的扩散速度较慢，在形成 Cr 的碳化物时 可能发生铬的“供不应求”现象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺铬， 以致低于临界值 12%，因而可发生明显的晶间腐蚀现象。如存在 Ti、Nb 等能控 制碳的强碳化物形成元素（称为“稳定化元素”）时，碳将优先与 Ti 或 Nb 结合， 于是就能避免缺铬现象发生。显然，降低钢的含碳量应有利于防止晶间腐蚀，超 低碳不锈钢的含碳量小于 0.02～0.03%就是根据这一点考虑的。至于加热条件的 影响也可同元素扩散条件联系起来考虑。加热温度较低（约低于 450℃）或加热 时间较短时，不易沉淀析出铬的碳化物，也就不致形成贫铬层。当加热温度较高 （850℃超过）时，由于铬的扩散速度增大，“供铬”条件得到改善，晶粒表层缺 铬现象逐步消失。加热时间充分长时，有利于铬的扩散均匀化，也不致产生贫铬 层。
3-1。
表 3-1 奥氏体不锈钢基本焊接技术
焊接方
焊条电弧焊
埋弧焊
钨极氩弧焊 熔化极氩弧焊
焊接电
直流反接
直流反接
直流正接 直流反接
焊接时推荐窄焊道 要求控制母材的 焊前清理要 一般采用喷射
技术。焊接过程中尽 稀释率低于 40%， 求严格；对 过渡，熔敷速
量不摆动，焊道的宽 以便获得含 4%～ 于焊接质量 度高，电弧稳
1）18-8 型 这类钢是应用最广的一类奥氏体不锈钢；
2）18-12Mo 型 这类钢一般含 Mo2%～4%，具有较好的耐腐蚀性和耐点蚀性。
3）25-20 型 这类钢的 Cr、Ni 含量高，具有很好的耐腐蚀性、耐热性能，但
高温下有σ相脆化倾向。
奥氏体不锈钢一般都经固溶处理后交货。固溶处理使铬的碳化物固溶到奥 氏体中，获得稳定的奥氏体，改善其耐蚀性能。奥氏体不锈钢的物理性能与低碳 钢相比相差较大。奥氏体不锈钢导热系数小、熔点低、线膨胀系数大，因此，在 相同的焊接规范下，被加热到 600℃以上的区域大，焊缝金属高温停留时间长， 容易形成粗大的铸态组织，并产生较大的应力和变形等。残余应力的存在易产生 焊接热应力裂纹和应力腐蚀开裂。与其他类型的不锈钢相比，奥氏体不锈钢是较 易焊接的，在任何温度下都不发生相变，对氢不敏感，焊接接头在焊态下具有较 好的塑韧性。但在焊接材料或焊接工艺选择不正确时，会出现晶间腐蚀或热裂纹 等缺陷。
接好，以免损伤金属 弧焊封底。用钨极
4．不锈钢的应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂是指材料在外加或残余应力和腐蚀介质联合作用下发生的破 坏。这种类型的破坏危害极大，往往是没有预兆的低应力脆性开裂。奥氏体不锈 钢的主要缺点就是对应力腐蚀开裂敏感。
三、奥氏体不锈钢的焊接
奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性、塑性、高温性能，与其他类型的不锈 钢相比，其焊接性较好。主要应用于化工、炼油、动力、航空、造船、医药、防 织、冶金等工业中。根据奥氏体不锈钢含碳量的不同，可分为以下三类。
控制奥氏体不锈钢晶间腐蚀的关键是防止晶粒表层区域的贫铬敏化。当加 热温度高于 850℃时，晶内的铬向晶间扩散，使晶界的贫铬区得以恢复，从而防 止晶间腐蚀。此外当不锈钢中含有足够的钛和铌等元素或超低碳时，可以防止晶
间腐蚀的产生。目前防止晶间腐蚀的主要措施有：①选择超低碳（C≤0.03%） 或添加钛和铌等稳定元素的不锈钢焊条；②采用奥氏体-铁素体双相钢，这种双 相钢，不仅具有良好的耐晶间腐蚀性，而且具有很高的抗应力腐蚀能力；③通过 合理地选择焊接工艺，减少危险温度范围停留的时间；④进行焊接固溶处理，将 工件加热到 1050～1150℃后淬火，使晶界上的碳化物溶入晶粒内部，形成均匀 的奥氏体组织等。 (2)热影响区敏化区的晶间腐蚀 焊接热影响区敏化区的温度略高于敏化热处理 温度区，在 600～1000℃范围。产生晶间腐蚀的原因，仍是该区内奥氏体晶粒边 界析出碳化铬所造成的。一般讲，凡能防止焊缝金属晶间腐蚀的措施，对防止热 影响区晶间腐蚀均有参考价值。例如：①采用含 Ti 或 Nb 的稳定化奥氏体不锈钢； ②含一定量δ铁素体的双相不锈钢母材，甚至选用超低碳的奥氏体不锈钢母材； ③在焊接工艺上选用小线能量，快速冷却的焊接工艺等。 (3)热影响区过热区的“刀蚀” 在一般或低碳的稳定化奥氏体不锈钢焊接 接头的过热区内，加热温度超过 1200℃的部位，NbC 或 TiC 将全部固溶于 γ相晶粒内，冷却时有部分固溶的碳原子扩散并偏聚于γ相晶界处。在随后 多层焊时加热到 1000～600℃的敏化温度区间内上述γ相晶界偏聚的碳原 子浓度增大，同时在γ相晶界发生 Cr23C6 型碳化物沉淀，从而造成该区的晶 粒边界的贫铬现象。在一定腐蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀， 直至形成刀状腐蚀的破坏。该区形成 Cr23C6 的比例和刀蚀宽度相对应。
1.奥氏体不锈钢的焊接性
1）晶间腐蚀 奥氏体不锈钢采用不当的工艺规范焊接后，接头在腐蚀介质作用下易产生
沿晶粒边界的腐蚀，即晶间腐蚀。其特点是腐蚀沿晶界深入金属内部，并引起金 属力学性能和耐腐蚀性降低，是奥氏体不锈钢极危险的一种破坏形式。
奥氏体不锈钢对晶间腐蚀的敏感程度与其成分、所受的热循环温度有关。 18-8 型奥氏体不锈钢在 450～850℃温度区间内停留一定时间后则在晶界处析出 富铬的碳化物（M23C6 型），其中铬主要来源于晶粒的表层，而且内部的铬来不 及补充，造成晶粒表层区域的含铬量下降，形成贫铬区域。在腐蚀介质强烈的作 用下，贫铬区优先腐蚀，即晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显 的变化，但在受力时会沿晶间断裂。
焊、窄道焊，焊接电流比低碳钢低 20%，可以减少晶间腐蚀、热裂纹及变形的产
生。手工电弧焊焊接电流的选用可根据经验公式 I＝φ×（25～30）来选择，I
为焊接电流，φ为焊条直径。埋弧焊、手工钨极氩弧焊、钨极自动氩弧焊及熔化
极氩弧焊的工艺参数参考相关的焊接工艺规程本的焊接技术见表
第六节 奥氏体不锈钢的焊接 一、不锈钢的种类和性能
1．不锈钢的分类
不锈钢的分类方法很多，主要有按钢的组织、化学成分或用途特性等划分方法。 按钢的组织进行分类有：奥氏体型、奥氏体-铁素体型、铁素体型、马氏体型和 沉淀硬化型五大类。
二、不锈钢的耐腐蚀性
不锈钢的腐蚀可分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类，对焊接接头危害较大的，主 要是后一类腐蚀。
降低或消除奥氏体不锈钢焊接接头刀蚀的主要措施：①可以从接头设计和 焊接顺序上加以改善，如采用双面焊接头，但在设计上不应采用交叉焊缝；②采 用超低碳稳定化奥氏体不锈钢母材。 2）热裂纹
奥氏体不锈钢与一般结构钢相比，焊接时容易产生热裂纹。热裂纹以结晶 裂纹为主，个别钢种也可能产生液化裂纹。 (1)产生热裂纹的原因
根据奥氏体不锈钢母材类型和所采用的焊接材料与工艺的不同，可能产生 焊缝的晶间腐蚀、热影响区过热区的“刀蚀”和热影响区中温敏化区（600～1000 ℃）的晶间腐蚀。 (1)焊缝的晶间腐蚀 普通的 Cr18Ni8 型钢多层焊缝的前层焊缝热影响区达到敏 化温度区域，在晶界上容易析出铬的碳化物，形成贫铬的晶粒边界，如果该区恰 好露在焊缝表面并与腐蚀介质接触，则将产生晶间腐蚀。
焊接工 度不超过焊条直径 10%δ铁素体的 要求较高的 定，适合于焊
艺特点 的 4 倍。短弧焊、收 致密焊缝。焊道根 管子焊接 接厚度大于
弧要慢、填满弧坑； 部的稀释率对熔 时，要在焊 6.5mm 的奥氏
与腐蚀介质接触的 深和焊道形状最 缝背面充氩 体不锈钢，但
面最后焊；多层焊， 为敏感，焊接时应 气加以保 不宜焊接厚度
1．熔化焊焊接工艺
1）焊前准备
① 清理杂质 焊前用合适的溶剂清除焊接区钢材表面的油污、油脂和杂
质；表面氧化皮较薄时，可用酸洗清除；氧化皮较厚时，可用钢丝刷、打磨或喷
丸等机械方法清理。
为了保证焊接质量，坡口两侧 20～30mm 内用丙酮清洗，并涂上石灰粉防
止飞溅损伤钢材表面。工件表面不允许有机械损伤。
膜形式存在于奥氏体柱状晶粒之间，在一定的拉应力作用下起裂、扩展形成晶间 开裂。 (2)热裂纹的主要形式
奥氏体不锈钢焊接时产生的热裂纹主要形式有横向裂纹、纵向裂纹、弧坑 裂纹、显微裂纹、根部裂纹和热影响区裂纹等。 (3)影响产生热裂纹的因素
① 焊缝金属组织 奥氏体不锈钢对热裂纹的敏感性主要取决于焊缝金属 的金相组织。单相奥氏体焊缝对热裂纹较为敏感，这主要是由于单相奥氏体的合 金化程度高，奥氏体非常稳定，焊接时容易产生方向性很强的粗大柱状晶组织， 同时高合金化增大了液固相线的间距，加了单相奥氏体对热裂纹的敏感性。