不锈钢和耐热钢的焊接

3．高温脆化问题： (1)Cr13在550℃附近的回火脆性 (2)高铬铁素体钢的晶粒长大脆化 (3)奥氏体钢沿晶界析出碳化物所造成的脆化 (4)475 ℃脆性和σ相脆化
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关于475℃脆性
1、名词解释： 475℃脆性是指铁素体钢在w(Cr)≥15.5％，并在
温度400~500℃长期加热后，常常出现强度升高 而韧性下降的现象。 2、注意两点： （1）一般随铬含量的增加而脆化倾向严重。 （2）铁素体钢焊接接头在焊接热循环的作用下， 不可避免地经过该温度区间，特别当焊缝金属 和热影响区在此温度区停留时间较长时，均有 产生475℃脆性的可能。
2）奥氏体不锈钢在加热到400-800℃时，对晶间腐蚀最敏感， 此温度区间称为敏化温度区。
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3)防止焊接接头产生晶间腐蚀的措施 冶金措施 ①使焊缝金属具有奥氏体一铁素体双相组织，
其铁素体的体积分数应超过4％~l2％。 ②在焊缝金属中渗入比铬更容易与碳结合的
稳定化元素。 ③超低碳有利于防止晶间腐蚀：碳的质量分
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您知道吗？
1、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开裂等五种。
2、在不锈钢的所有腐蚀形式中，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。
3、点蚀是指在金属表面产生的尺寸约小于1.0mm的穿孔性 或蚀坑性的宏观腐蚀。这是以腐蚀破坏形貌特征命名的。
3．埋弧焊 :高效的 、热裂纹敏感性增大
蚀性化学介质中使用的钢，工作温度一般不超过 500℃范围，要求耐腐蚀，对强度要求不高。 (2)抗氧化钢：在高温下具有抗氧化性能的钢，它对 高温强度要求不高。工作温度可高达900～1100℃。 常用的钢有高Cr钢和Cr-Ni钢 。 (3)热强钢一在高温下既要有抗氧化能力，又要具有 一定的高温强度，工作温度可高达600～800℃。广 泛应用的是Cr-Ni钢 。 常将抗氧化钢和热强钢统称为耐热钢。 其实一些不锈钢也可作为热强钢使用。而一些热强 钢也可用作为不锈钢，可称为“耐热型”不锈钢。
4、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。这是以腐蚀部位的特征命名的。常发生在垫圈、铆 接、螺钉连接缝、搭接的焊接接头等部位。其主要是由介 质的电化学不均匀性引起的。
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您知道吗？（续）
5、改变介质成分和结构形式是防止缝隙腐 蚀的重要措施。
6、应力腐蚀的最大特点之一是腐蚀介质与
数在焊缝金属中小于0.03％时，就能提高焊 缝金属的抗晶间腐蚀能力。
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工艺措施 ①首先要选用一种合适的焊接方法，即热输入最
小，让焊接接头尽可能地缩短在敏化温度区间段 的停留时间。 ②焊接参数的制定。在保证焊缝质量的前提下， 采用小的焊接电流、最快的焊接速度。 ③操作方面 ⅰ、尽量采用窄焊缝、多道多层焊， 冷却至室温 再进行下一道或下一层的焊接操作；
材料的组合上有选择性。
7、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 元素是引起合金晶间型开裂的应力腐蚀的 重要原因。
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第二节 奥氏体、双相不锈钢焊接
一、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：
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
(一)不锈钢的耐蚀性能（基于钝化作用） 钢在不同条件下可产生几种不同的腐蚀形式。
1．均匀腐蚀：马氏体钢不适于强腐蚀介质中使用。 2．点蚀:不锈钢常因氯离子Cl-的存在而使钝化层局部破坏以
至形成腐蚀坑，甚至可以穿孔的腐蚀现象。 称为点蚀或孔 蚀。
18-8型不锈钢在温度不超过l00℃的高浓度氯离子环境中，主 要腐蚀形式就是点蚀。
一般不锈钢耐点蚀性均不理想，提高Cr、Ni、M0、Si、Cu 有利于改善耐点蚀性能，超低碳对抗点蚀也有利。
实用上，铁素体-奥氏体双相不锈钢具有优异的耐点蚀性 .
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3．缝隙腐蚀: 可以认为，缝隙腐蚀是和点腐蚀具有 共同性质的一种腐蚀现象。因此，能耐点腐蚀的钢 都有耐缝隙腐蚀的性能，同样可用点蚀指数来衡量 耐缝隙腐蚀倾向 .
加工。 2．焊前清理 ：焊前应将坡口及其两侧20～30mm范围内的焊件表
面清理干净。 3．表面防护 ：在搬运、坡口制备、装配及定位焊过程中，应注
意避免损伤钢材表面 4．自冷作硬化现象 (二)焊接方法的选择 奥氏体不锈钢和双相不锈钢可以采用所有的熔焊方法 1．焊条电弧焊 :是最常用的 2．氩弧焊 :是焊接奥氏体不锈钢和双相不锈钢的理想方法
简称SCC)。 1）不锈钢的应力腐蚀大部分是由氯引起的。高浓度苛性碱、
硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。 2）铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢具有好的耐SCC的性能 . 3）双相不锈钢的SCC敏感性与两相的相比例有关，δ相为40
％~50％时具有最好的耐SCC 的性能。
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(二)耐热钢的高温性能 1．高温性能变化特征： Cr或Cr-Ni耐热钢因热处
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4、应力腐蚀开裂 形貌
预防措施 （1）合理地设计焊接接头，避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，
降低或消除焊接接头应力集中。 （2）消减焊接接头残余应力。
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（3）正确选用材料。根据介质的特性选用对应力腐蚀开裂敏 感性低的材料，一是母材的选用，二是焊接材料的选用。
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二、双相不锈钢的焊接性 1、双相不锈钢在石油化工等工业设备中可取代奥氏体不锈钢。 2、双相不锈钢的各相比例(体积分数)大致为：铁素体相为40％~60％，
奥氏体相为60％~40％。这个相比例为双相不锈钢的理想比例，对提高 不锈钢的耐应力腐蚀能力极为有利。 3、双相不锈钢的相比例一方面取决于钢材的化学成分，同时也与钢材供 货状态的固溶处理温度有关。
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4、双相不锈钢具有良好的焊接性 1) 只要选用合适的焊接材料，就不会发生焊接热裂纹和冷裂纹； 2) 焊接接头的力学性能基本上能够满足焊接结构的使用性能要求； 3) 焊接接头具有良好的耐腐蚀能力：应力腐蚀能力，耐点蚀和缝蚀的能
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第一节不锈钢、耐热钢的类型和特性
一、不锈钢及耐热钢类型
(一)定义问题 (1)原义型—仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢。 (2)习惯型—指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的
统称。
( 3 ) 广 义 型 — 泛 指 耐 蚀 钢 和 耐 热 钢 ， 统 称 为 不 锈 钢 ( Stainless Steels)。
(3)马氏体钢Cr13系列最为典型，常用做不锈钢。须根据要 求规定供货状态，或者是退火态，或者是淬火回火态。
(4)沉淀硬化钢均为经时效强化处理以形成析出硬化相的高 强钢，主要用做高强度不锈钢。
(5)铁素体一奥氏体双相钢具有极其优异的抗腐蚀性能 ，以 固溶处理态供货。
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二、不锈钢及耐热钢特性
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(三)不锈钢的物理性能 1、与低碳钢相比，不锈钢的导电性能差；奥氏体不锈钢的线
胀系数比低碳钢大将近50％，而热导率仅为低碳钢的 l/3左右； 2、铁素体钢和马氏体钢的线胀系数与低碳钢相近，而热导率
仅为低碳钢的 l/2左右。 3、奥氏体不锈钢通常是非磁性的，当冷作加工硬化产生马氏
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。
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3、刀状腐蚀 1、刀状腐蚀简称刀蚀，它是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，
2、只发生在含有Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体不锈钢焊接接头 中。
3、腐蚀部位沿熔合线发展，处于HAZ的过热区，由于区域很窄 (电弧焊一般为l.0-1.5mm)，形状有如刀削切口，故称为刀状腐蚀。
4、高温过热和中温敏化是导致焊接接头过热区产生刀蚀的重要 条件
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(三)按组织分类 按空冷后室温组织来分类，是最古老、 又是至今应用最广的最基本的分类方法。
(1)奥氏体钢：它是应用最广的一类，以高Cr、Ni钢最为典 型。供货状态多为固溶处理态。
2)铁素体钢含 Cr为l7％～30％的高cr钢属此。主要用作耐 热钢(抗氧化钢)，也用作耐蚀钢，如1Crl7、1Cr25Si2。铁素 体钢以退火状态供货。
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ⅱ、在施焊过程中，不允许焊接材料在熔池中摆动； ⅲ、焊接管子采用氩弧焊打底时，可以不加填充材
料进行熔焊，在可能的条件下，管内通氩气保护， 其作用是保护熔池不易氧化、加快焊缝的冷却速度、 有利于背面焊缝的成形。 ⅳ、对于接触腐蚀介质的焊缝，在有条件的情况下 一定要最后施焊，以减少接触介质焊缝的受热次数。 ④强制焊接区的快速冷却。 ⑤进行固溶处理或稳定化处理。
σ相脆化。
1、焊接热裂纹： 1）奥氏体不锈钢具有较大的热裂纹敏感性，主 要取决于钢的化学成分、组织与性能的特点。 2）奥氏体不锈钢的焊接热裂纹倾向比低碳钢大 得多，尤其纹的主要措施 ： a、严格控制焊缝金属中有害杂质元素的含量。 b、调整焊缝化学成分。使焊缝金属出现奥氏体－
我国目前所谓不锈钢是指习惯型含义。
不锈钢及耐热钢，其主要成分为铬Cr和镍Ni； 一般Cr≥1 2％才能在大气环境下不发生锈蚀，如欲耐酸腐蚀，含
Cr量不应低于l7％。 增加Ni或再提高Cr含量，耐腐蚀性或耐热性均可提高。 一般Ni≤35％，Cr≥12％。
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(二)按用途分类 (1)不锈钢： (指习惯型含义)包括大气环境下及有浸
理制度不同，在高温下可具有不同的性能。
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2．合金化问题 ： 钢的热强性，指在高温下长时工作时对断裂的抗力(持久强
度)，或在高温下长时工作时抗塑性变形的能力(蠕变抗力)。 为提高耐热钢的热强性，其措施主要是： (1)提高Ni量以稳定基体，利用Mo、W（钨）固溶强化，提
高原子间结合力； (2)形成稳定的第二相，主要是碳化物相； (3)减少晶界和强化晶界 .
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2）防止刀状腐蚀的措施： 1)降低母材的含碳量。这是防止刀状腐蚀的有效
措施。超低碳奥氏体不锈钢焊接接头不但不会发生敏 化区腐蚀，也不会产生刀状腐蚀。
2)采用合理的焊接工艺。尽量选择较小的热输入； 尽量避免与腐蚀介质接触的过热区再次受到敏化加热； 焊后矫正，采用冷矫方法进行；对腐蚀性能要求较高 的焊件，必要时进行焊后的稳定化处理或固溶处理。
这种状态的不锈钢再放入化学介质中，将 会沿晶界发生腐蚀。形成晶间腐蚀现象。
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4．晶间腐蚀: 2晶）间有腐时蚀也倾会向见的到现未象经。敏化加热，未见Cr23C6析出，而呈现 3）超低碳不锈钢也会有晶间腐蚀倾向。 4）固溶处理可以改善耐晶间腐蚀性能。 5．应力腐蚀: 也称应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking，
力也均优于奥氏体不锈钢，抗晶间腐蚀能力和奥氏体不锈钢相当。但焊 接接头近缝区受到焊接热循环的影响，其过热区的铁素体晶粒不可避免 地会粗大，从而将降低该区域的耐蚀性。
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三、奥氏体不锈钢、双相不锈钢的焊接工艺 (一)焊前准备 1．下料方法的选择 可用机械切割、等离子弧切割及碳弧气刨等方法进行下料或坡口
铁素体双相组织，能够有效地防止焊缝热裂纹的 产生。 c、焊接时的工艺措施：采用小热输入及小截面的 焊道；多层焊时，层间温度不宜过高，以避免焊 缝过热；焊接过程中焊条不允许摆动，采用窄焊 缝的操作技术。
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2、焊接接头的晶间腐蚀 1）根据母材类型和所采用的焊材与工艺的不同，奥氏体不锈
钢 焊 接 接 头 可 能 发 生 焊 缝 晶 间 腐 蚀 、 HAZ 敏 化 区 ( 6 0 0 ～ 1000℃)晶间腐蚀、熔合区附近的刀状腐蚀。
4．晶间腐蚀（概念）: 在晶粒边界附近发生的有选 择性的腐蚀现象。
1）外观虽仍呈金属光泽，但因晶粒彼此间已失去联 系，敲击时已无金属的声音，钢质变脆。已证明， 晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬”现象有联系。
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何谓“贫铬”?
对 于 l8-8 奥 氏 体 钢 ， 固 溶 处 理 再 经 450~850℃加热(所谓敏化加热)会沿晶界沉 淀 出 Cr23C6 或 ( Fe，Cr)23C6( 常 写 成 M23C6)， 以至使晶界边界层含Cr量低于l2％，即所谓 “贫铬”。