奥氏体不锈钢的焊接特点及焊条选用

奥氏体不锈钢的焊接特点及焊条选用

引言

不锈钢在航空、石油、化工和原子能等工业中得到日益广泛的应用，不锈钢按化学成分分为铬不锈钢、铬镍不锈钢，按组织分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体-铁素体双相不锈钢。在不锈钢中，奥氏体不锈钢(18-8型不锈钢)比其他不锈钢具有更优良的耐腐蚀性；强度较低，而塑性、韧性极好；焊接性能良好，其主要用作化工容器、设备和零件等，它是目前工业上应用最广的不锈钢。虽然奥氏体不锈钢有诸多优点但是若焊接工艺不正确或焊接材料选用不当，会产生很多缺陷，最终影响使用性能。

一、奥氏体不锈钢的焊接特点

（一）容易出现热裂纹

奥氏体不锈钢在焊接时热裂纹是比较容易产生的缺陷，包括焊缝的纵向和横向裂纹、火口裂纹、打底焊的根部裂纹和多层焊的层间裂纹等，特别是含镍量较高的奥氏体不锈钢更容易产生。

1. 产生原因

（1）奥氏体不锈钢的液、固相线的区间较大，结晶时间较长，且单相奥氏体结晶方向性强，所以杂质偏析比较严重。

（2）导热系数小，线膨胀系数大，焊接时会产生较大的焊接内应力（一般是焊缝和热影响区受拉应力）。

（3）奥氏体不锈钢中的成分如C、S、P、Ni等，会在熔池中形成低熔点共

晶。例如， S与Ni形成的Ni

3S

2

熔点为645℃,而Ni- Ni

3

S

2

共晶体的熔点只有625℃。

2. 防止措施

（1）采用双相组织的焊缝尽量使焊缝金属呈奥氏体和铁素体双相组织,铁素体的含量控制在3～5%以下，可扰乱奥氏体柱状晶的方向，细化晶粒。并且铁素体可以比奥氏体溶解更多的杂质，从而减少了低熔点共晶物在奥氏体晶界的偏析。

（2）焊接工艺措施在焊接工艺上尽量选用碱性药皮的优质焊条、采用小线能量，小电流、快速不摆动焊,收尾时尽量填满弧坑及采用氩弧焊打底等，可减小焊接应力和弧坑裂。

（3）控制化学成分严格限制焊缝中 S、P等杂质含量，以减少低熔点共晶。

（二）晶间腐蚀

产生在晶粒之间的腐蚀，其导致晶粒间的结合力丧失，强度几乎完全消失，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂。

1．产生原因

根据贫铬理论,焊缝和热影响区在加热到450～850℃敏化温度（危险温度区）时，由于 Cr原子半径较大，扩散速度较小，过饱和的碳向奥氏体晶粒边界扩散，

并与晶界的铬化合物在晶界形成Cr

23C

6

,造成贫铬的晶界,不足以抵抗腐蚀的程度。

2. 防止措施

（1）控制含碳量采用低碳或超低碳（W(C)≤0.03%）不锈钢焊接焊材。如A002等。

（2）添加稳定剂在钢材和焊接材料中加入Ti、Nｂ等与Ｃ亲和力比Cr 强的元素，能够与Ｃ结合成稳定碳化物，从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。常用的不锈钢材和焊接材料都含有Ti、Nb，如１Cr18Ni9Ti、１Cr18Ni12MO2Ti钢材、E347-15焊条、H0Cr19Ni9Ti焊丝等。

（3）采用双向组织由焊丝或焊条向焊缝中熔入一定量的铁素体形成元素,如 Cr、Si、AL、 MO等，以使焊缝形成为奥氏体+铁素体的双相组织，因为Cr 在铁素体内扩散速度比在奥氏体中快，因此Cr在铁素体内较快的向晶界扩散，减轻了奥氏体晶界的贫铬现象。一般控制焊缝金属中铁素体含量为5%～10%，如铁素体过多，会使焊缝变脆。

（4）快速冷却因为奥氏体不锈钢不会产生淬硬现象，所以在焊接过程中，可以设法增加焊接接头的冷却速度，如焊件下面用铜垫板或直接浇水冷却。在焊接工艺上，可以采用小电流、大焊速、短弧、多道焊等措施，缩短焊接接头在危险温度区停留的时间，以免形成贫铬区。

（5）进行固溶处理或均匀化热处理焊后把焊接接头加热到1050～1100℃，使碳化物又重新溶解到奥氏体中，然后迅速冷却，形成稳定的单相奥氏体组织。另外，也可以进行850～900℃保温2h的均匀化热处理，此时奥氏体晶粒内部的Cr扩散到晶界，晶界处Cr量又重新达到了大于12%，这样就不会产生晶间腐蚀了。

（三）应力腐蚀开裂

金属在应力和腐蚀性介质共同作用下，发生的腐蚀破坏。根据不锈钢设备与制件的应力腐蚀断裂事例和试验研究，可以认为：在一定静拉伸应力和在一定温度条件下的特定电化学介质共同作用下，现有的不锈钢均有产生应力腐蚀的可能。

应力腐蚀最大特点之一是腐蚀介质与材料的组合上有选择性。容易引起奥氏体不锈钢应力腐蚀主要是盐酸和氯化物含有氯离子的介质，还有硫酸、硝酸、氢氧化

物（碱）、海水、水蒸气、H

2S水溶液、浓NaHCO

3

+NH

3

+NaCl水溶液等介质等。

1.产生原因

应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。

2.防止措施

（1）合理制定成形加工和组装工艺尽可能减小冷作变形度,避免强制组装,防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为SCC的裂源,易造成腐蚀坑。

（2）合理选择焊材焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化及硬脆马氏体。

（3）采取合适的焊接工艺保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,如咬边等采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平。例如，避免十字交叉焊缝，Y形坡口改为X形坡口、适当减小坡口角度、采用短焊焊道、采用小线能量。

(4)消除应力处理焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。

(5)生产管理措施介质中杂质的控制,如液氨介质中的O

2、N

2

、H

2

O等、液

化石油气中的H2S、氯化物溶液中的O

2、Fe

3

+、Cr

6

+等、防蚀处理:如涂层、衬里