金属熔焊原理及材料焊接第九章-不锈钢的焊接

➢ 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。
➢ 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）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。
➢ 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。
➢ 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。
➢ 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。
➢ 按照合金元素对不锈钢组织的影响和作用 的程度，将其分为两大类：
一类是形成或稳定奥氏体的元素：C、Ni、Mn、 N和Cu等；
另一类是缩小或封闭奥氏体区即形成铁素体的 元素：Cr、Si、Mo、Ti、Nb、V、W和Al等。
第一节 不锈钢的类型和性能
➢ 能力知识点1 锈钢的类型 ➢ 不锈钢实际上是不锈钢和耐（酸）蚀钢的
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。
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。
总称。
在空气或弱介质中能抵抗侵蚀的钢称为不锈钢； 在某些强腐蚀介质中能抵抗侵蚀的钢称为耐蚀
钢。
➢ 不锈钢不一定能耐（酸）腐蚀，而耐蚀钢 一定具有良好的耐蚀性。
➢ 不锈钢按其金相组织可分为
铁素体型不锈钢 马氏体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 双相不锈钢（包括奥氏体－铁素体型、奥氏体
－马氏体型） 沉淀硬化不锈钢等。
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。
➢ 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；
➢ 奥氏体不锈钢通常是非磁性的，当冷加工硬化产 生马氏体相变时，将产生磁性，可用热处理方法 来消除马氏体和磁性。
➢ 2．不锈钢的力学性能
➢ 各类不锈钢的力学性能见表2（教材205页）
➢ 奥氏体不锈钢的综合性能最好，既有足够的强度，又有极 好的塑性，同时硬度也不高。
➢ 奥氏体不锈钢同绝大多Hale Waihona Puke Baidu的其它金属材料相似，其抗拉强 度、屈服点和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着 温度降低而减小；并具有较高的冷加工硬化性。
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。
➢ 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。
广泛应用于化肥厂和化工厂等设备装置，其机械加工、 冷冲压和焊接性能良好，且具有较好的耐蚀性能。
➢ ５．沉淀硬化不锈钢
沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加 硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧 性并具有良好耐蚀性能的一类不锈钢。
通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、 齿轮、弹簧、阀等零件以及高强度压力容器、 化工处理设备和航空航天设备等。
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）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；
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：
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。
主要是由材料表面钝化膜的局部破坏所引起的， 经试验研究表明，材料的阳极电位值越高，抗 点蚀能力越好。
超低碳高铬镍含钼奥氏体不锈钢和超高纯度含 钼高铬铁素体不锈钢均有较高的耐点蚀性能。
➢ （4）缝隙腐蚀
缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏 观蚀坑，常发生在垫圈、铆接、螺钉连接缝、搭接的 焊接接头等部位。
➢ （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。
➢ 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。
➢ （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。
➢ 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，如汽轮机的叶片、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。
➢ 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。