金属熔焊原理及材料焊接第九章-不锈钢的焊接

➢ 1．焊接接头产生热裂纹的原因
➢ 奥氏体不锈钢具有较大的热裂纹敏感性，主要取 决于其化学成分、组织与性能特点：
1）化学成分 奥氏体不锈钢中的合金元素较多，尤其 是含有一定数量的镍，它易与硫、磷等杂质形成低熔 点共晶，如Ni-S共晶熔点为645℃，Ni-P共晶熔点为 880℃，比Fe-S、Fe-P共晶的熔点更低，危害性也更大。 其他一些元素如硅、硼、铌等元素，也能形成有害的 易熔晶间层，这些低熔点共晶会促使热裂纹的产生。
5）在0Cr18Ni9基础上加入Cr、Ni等元素，可获得 1Cr23Ni13、1Cr25Ni20等，耐热性提高；
6）在0Cr18Ni9基础上用Mn、N代Ni，节约了Cr、Ni， 获得1Cr17Mn6Ni5N、1Cr18Mn8Ni5N，成本降低。
➢ 奥氏体不锈钢属于耐蚀钢，在氧化性、中性及弱 还原性介质中有良好的耐蚀性，是应用最广泛的 不锈钢，其中以18-8型不锈钢最具有代表性，它 具有较好的力学性能，便于机加工、冲压和焊接。
➢ （2）超高纯度铁素体不锈钢 通过真空或保护气 体精炼技术炼出超低碳和超低氮含量（C+N总的 质量分数≤0.025％～0.035％）的超高纯度铁素 体不锈钢，其典型牌号有00Cr18Mo2和 00Cr27Mo等。这类钢不论在韧性、耐蚀性还是 焊接性等方面均优于普通纯度的铁素体不锈钢， 并得到了广泛的应用。
主要是由介质的电化学不均匀性引起的。
0Cr18Ni9及00Cr17Ni14Mo2型奥氏体不锈钢、铁素体 及马氏体不锈钢在海水中均有缝隙腐蚀的倾向。
适当增加铬、钼含量可以改善抗缝隙腐蚀的能力。实 际上只有采用钛、高钼镍基合金和铜合金等才能有效 地防止缝隙腐蚀的发生。因此，改变介质成分和结构 形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。
不锈钢及其焊接工艺
➢ 第一节 不锈钢的类型和性能 ➢ 第二节 奥氏体不锈钢的焊接 ➢ 第三节 铁素体不锈钢的焊接 ➢ 第四节 马氏体不锈钢的焊接 ➢ 综合训练
➢ 不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及 其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的、具有高度 化学稳定性的合金钢的总称。
➢ 不锈钢具有良好的耐蚀性、耐热性和较好 的力学性能，适于制造耐腐蚀、抗氧化、 耐高温和超低温的零部件和设备。
➢ 综上所述，奥氏体不锈钢的焊接热裂纹倾 向比低碳钢大得多，尤其是高镍奥氏体不 锈钢。
➢ 2．防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施
➢ （1）冶金措施
1）严格控制焊缝金属中有害杂质元素的含量
2）调整焊缝化学成分 使焊缝金属出现奥氏体－铁素 体双相组织，能够有效地防止焊缝热裂纹的产生。
➢ 在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的 耐热性能；但对溶液中含有氯离子（Cl-）的介质 特别敏感，易于发生应力腐蚀。
➢ 18-8型不锈钢按其化学成分中的碳的含量不同， 可分为三个等级：一般含碳量（wc≤0.15%）、 低碳级（wc≤0.08%）和超低碳级（wc≤0.03%）。
如1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9三种钢材分别属于 上述三个等级。
焊缝及热影响区热裂纹敏感性大； 接头产生碳化铬沉淀析出，耐蚀性下降； 接头中铁素体含量高时，可能出现475℃脆化
或σ相脆化。
➢ 一、焊接热裂纹
➢ 单相奥氏体不锈钢钢焊接时，具有较高的 热裂纹敏感性。在焊缝及近缝区都有可能 出现热裂纹，最常见的是焊缝凝固裂纹， 也可能在HAZ或多层焊道间金属出现液化 裂纹。
➢ 3．奥氏体不锈钢
➢ 室温组织为奥氏体
➢ 它是在高铬不锈钢中加入适当的镍（镍的质量分 数wNi为8％～25％）而形成的。
➢ 奥氏体不锈钢是以Cr18Ni9铁基合金为基础，在此 基础上随着用途的不同，发展了六大系列奥氏体 不锈钢：
1）在0Cr18Ni9的基础上降低碳的质量分数，获得00 Cr19Ni10等超低碳不锈钢，耐蚀性提高；在此基础上 加入Mo、Cu、Ti，获得00 Cr17Ni14Mo2、00 Cr18Ni14Mo2Cu2Ti等，抗还原性酸的能力提高；
➢ 2．马氏体不锈钢
➢ 室温组织为马氏体
➢ 铬的质量分数ｗCr在11.5％～18.0％范围内，碳的 质量分数ｗC最高可达1.0％。
➢ 马氏体不锈钢具有一定的耐酸腐蚀性和较好的热 稳定性及热强性。
➢ 主要用于力学性能要求较高、且在弱腐蚀介质中 工作的零件和工具，也可作为温度在700℃以下 长期工作的耐热钢使用，如汽轮机的பைடு நூலகம்片、内燃 机排气阀和医疗器械等。这类钢的焊接性较差， 其典型牌号的钢板有1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2 等。
该种腐蚀是一种局部腐蚀，能够导致晶粒间的 结合力丧失，使材料强度几乎消失。所以在所 有的腐蚀形式中，晶间腐蚀的危害性最大，容 易造成设备突然破坏，而在金属外形上没有任 何变化。奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢均会产 生晶间腐蚀。
➢ （3）点蚀
点蚀是指在金属表面产生的尺寸约小于1.0㎜的 穿孔性或蚀坑性的宏观腐蚀。
2）组织 奥氏体不锈钢钢焊缝易形成方向性 强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质元素的 偏析，从而促使形成连续的晶间液膜，提高了 热裂纹的敏感性。
3）性能 从奥氏体不锈钢的物理性能看，它 具有热导率小、线膨胀系数大的特点，因而在 焊接局部加热和冷却条件下，易产生较大的焊 接残余拉应力，进一步促进焊接热裂纹的产生。
2）应力条件 应力腐蚀破裂是在拉应力作用下才能产 生，在压应力的作用下不会产生。
3）材料条件 一般条件下纯金属不产生应力腐蚀，应 力腐蚀均发生在合金中。在晶界上的合金元素是引起 合金的晶间型开裂的应力腐蚀的重要原因。
第二节 奥氏体不锈钢的焊接
➢ 能力知识点1 奥氏体不锈钢的焊接性 ➢ 奥氏体不锈钢焊接时存在的主要问题是：
➢ 马氏体不锈钢在退火状态下，硬度最低；可通过淬火硬化； 正常使用时回火状态的硬度又稍有下降。
➢ 铁素体不锈钢的特点是常温塑性低。当在高温长时间加热 时，可能导致475℃脆化，σ脆性相产生或晶粒粗大等， 使力学性能进一步恶化。
➢ ３．不锈钢的耐蚀性能
➢ 不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀（表面 腐蚀）、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和 应力腐蚀破裂等五种。
➢ （5）应力腐蚀破裂
应力腐蚀破裂是指在拉伸应力与电化学介质的共同作 用下，因阳极溶解过程而引起的断裂。其产生的条件 如下：
1）引起应力腐蚀破裂的介质条件 应力腐蚀的最大特 点之一是在腐蚀介质与材料的组合上有选择性。在此 特定组合以外的条件下不产生应力腐蚀。
如奥氏体不锈钢的应力腐蚀发生在在溶液中Cl-和含氧 量共存并达到一定程度。对此种现象又常称为氯脆。
➢ 1．铁素体不锈钢 ➢ 室温组织为铁素体 ➢ 铬的质量分数ｗCr在11.5％～32.0％的范围内。
随ｗCr增加，其耐酸性能提高；加入钼后，则可 以提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。 ➢ 典型牌号有00Cr12、1Cr17、00Cr17Mo、 00Cr30Mo2等 ➢ 主要用于制造硝酸化工设备的吸收塔、热交换器、 储运和运输硝酸用的槽罐以及制造不承受冲击载 荷的其它零部件和设备。
➢ 部分奥氏体不锈钢可作为耐热钢使用
➢ 4.奥氏体-铁素体型双相不锈钢
室温组织为奥氏体+铁素体
与含碳量相同的奥氏体不锈钢相比，具有较小的晶间 腐蚀倾向和较高的力学性能，且韧性比铁素体不锈钢 好。同时， 由于少量铁素体的存在，还有利于奥氏 体不锈钢在焊接过程中防止热裂纹的形成。
当铁素体的体积分数在30％～60％时，不锈钢具有特 殊的抗点蚀、抗应力腐蚀的性能，如 00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr26Ni5Mo2等牌号，这类钢的 屈服点约为一般奥氏体不锈钢的两倍。
➢ 根据C和N的总含量，铁素体不锈钢分为普通纯度 和超高纯度两个系列。
➢ （1）普通纯度铁素体不锈钢 其碳的质量分数wc 为0.1％左右，并含有少量的氮，其典型的牌号为 1Cr17、1Cr17Mo等。与奥氏体不锈钢相比，缺点 是材质较脆，焊接性较差。其主要原因是其中碳 和氮的总质量分数较高、在高温加热条件下造成 钢的脆性转变温度升高。
➢ 能力知识点2 不锈钢的性能
➢ 1．不锈钢的物理性能 ➢ 奥氏体不锈钢的线膨胀系数比低碳钢大将近50％，
而热导率仅为低碳钢的1/3左右； ➢ 铁素体不锈钢钢和马氏体不锈钢钢的线膨胀系数
与低碳钢相近，而热导率仅为低碳钢的1/2左右。
由于奥氏体不锈钢的特殊物理性能，在焊接过程中会 引起较大的焊接变形，特别是在异种钢焊接时，由于 两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差别，会产生 很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因 之一。
➢ 不锈钢中主加元素铬的质量分数ｗCr＞12％，通 常还含其他合金元素如Ni、Mn、Mo等。
➢ 不锈钢之所以具有耐腐蚀性是因为：
一是不锈钢中一定量的Cr元素，能在钢材表面形成一 层不溶于腐蚀介质的坚固的氧化钝化膜，使金属与外 界介质隔离而不发生化学作用；
二是大部分金属腐蚀属于电化学腐蚀，铬的加入可提 高钢基体的电极电位；三是Cr、Ni、Mn、N等元素的 加入还会促使形成单相组织，阻止形成微电池，从而 提高耐蚀性。
➢ （1）均匀腐蚀
均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产 生腐蚀的现象。
由于不锈钢中铬的质量分数在12.5％以上，在 氧化性介质中容易在表面形成富铬氧化膜，该 膜能够阻止金属的离子化而产生钝化作用，同 时还能提高基体的电极电位，因此提高了不锈 钢的耐均匀腐蚀性能。
➢ （2）晶间腐蚀
晶间腐蚀是起源于金属表面沿金属晶界发生的 有选择的深入金属内部的腐蚀。
2）在0Cr18Ni9的基础上增加碳的质量分数，获得 1Cr18Ni9等，强度提高；
3）在0Cr18Ni9基础上加入Ti、Nb等稳定碳化物元素， 获得0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb等，抗晶 间腐蚀的能力提高；
4）在0Cr18Ni9的基础上加入Mo、Cu、Ti等元素，获 得1Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti、 0Cr18Ni12Mo2Cu2等，抗还原酸腐蚀的能力和抗晶间 腐蚀的能力提高；