第七节 马氏体不锈钢的焊接

第七节 马氏体不锈钢的焊接
一、马氏体不锈钢的焊接性
马氏体不锈钢主要有：①普通Cr13钢，如1Cr13、2Cr13等；②热强马氏体不锈钢，如2CrWMoV、2Cr12MoV等；③超低碳复相马氏体不锈钢，如0.01C-13Cr-7Ni-3Si、0.03C-12.5Cr-4Ni-0.3Ti、0.03C-12.5Cr-5.3Ni-0.3Mo等。

除了超低碳复相马氏体不锈钢，常见马氏体不锈钢均有脆硬倾向，含碳量越高，脆硬倾向越大。

因此，焊接马氏体不锈钢时，常见的问题是热影响区的脆化和冷裂纹。

1．热影响区脆化
马氏体不锈钢尤其是铁素体形成元素较高的马氏体不锈钢，具有较大的晶粒长大倾向。

冷却速度较小时，焊接热影响区易产生粗大的铁素体和碳化物；冷却速度较大时，热影响区会产生硬化现象，形成粗大的马氏体。

这些粗大的组织都使马氏体不锈钢焊接热影响区塑性和韧性降低而脆化。

此外，马氏体不锈钢还具有一定的回火脆性。

所以，焊接马氏体不锈钢时，冷却速度的控制是一个难题。

2．焊接冷裂纹
马氏体不锈钢由于含铬量高，极大地提高其淬硬性，不论焊前的原始状态如何，焊接总会使其近缝区产生马氏体组织。

马氏体不锈钢热影响区随含碳量增多，导致马氏体转变温度（M S点）下降、硬度提高、韧性降低。

随着淬硬倾向的增大，接头对冷裂也更加敏感，尤其在有氢存在时，马氏体不锈钢还会产生更危险的氢致延迟裂纹。

对于焊接含奥氏体形成元素碳或镍较少，或含铁素体形成元素铬、钼、钨或钒较多的马氏体不锈钢，焊后除了获得马氏体组织外，还会产生一定量的铁素体组织。

这部分铁素体组织使马氏体回火后的冲击韧性降低。

在粗大铸造态焊缝组织及过热区中的铁素体，往往分布在粗大的马氏体晶间，严重时可呈网状分布，这会使焊接接头对冷裂纹更加敏感。

二、焊接方法与焊接材料
1．焊接方法
焊接马氏体不锈钢可以采用各种电弧焊方法进行焊接。

目前仍以焊条电弧
焊为主，而采用二氧化碳气体保护焊或氩、二氧化碳混合气体保护焊，可以大大降低焊缝中含氢量，从而降低焊缝冷裂的敏感性。

2．焊接材料
马氏体不锈钢焊接可以采用两种不同的焊条和焊丝。

1）Cr13型马氏体不锈钢焊条和焊丝
通常在焊缝有较高的强度要求时，采用Cr13型马氏体不锈钢焊条和焊丝，可使焊缝金属的化学成分与母材相近，但焊缝的冷裂倾向大。

因此要求焊前预热，预热温度不能超过450℃，以防止475℃脆化。

焊后进行热处理，焊后热处理是在冷至150-200℃时，保温2h，使奥氏体各部分转变为马氏体，然后立即进行高温回火，加热到730-790℃，保温时间每1mm板厚为10min，但不小于2h，最后空冷。

如果焊后冷至室温再进行高温回火，则有产生裂纹的危险。

为了防止裂纹，焊条和焊丝中S、P的含量应小于0.015%，Si的含量应不大于0.3%。

Si含量增加，促使生成粗大的一次铁素体，导致接头的塑性降低。

碳的含量一般应低于母材的含碳量，可以降低淬透性。

但从防止产生一次铁素体的角度考虑，有时不能降低含碳量，如采用热817焊条进行焊接，则增加含碳量至0.19%，并减少Cr含量。

2）Cr-Ni奥氏体型不锈钢焊条与焊丝
Cr-Ni奥氏体钢型焊缝金属具有良好的塑性，可以缓和热影响区马氏体转变时产生的应力。

此外，Cr-Ni奥氏体不锈钢型焊缝对氢的溶解度大，可以减少氢从焊缝金属向热影响区的扩散，有效地防止冷裂纹，因此不需预热。

但焊缝的强度较低，也不能通过焊后热处理来提高。

.3.马氏体不锈钢焊接工艺
要保证马氏体不锈钢焊接接头不产生冷裂纹，并具有良好的力学性能，必须正确选择预热温度和焊后热处理方法。

1）焊前准备
（1）清理杂质
清除坡口中的油污及吸附的水分，减少氢的来源。

（2）烘干焊条
焊条电弧焊的焊条焊前要经过350～400℃的高温烘烤，以便彻底除去水分，
减少扩散氢含量和降低冷裂纹敏感性。

（3）正确选择焊前预热温度
焊前预热温度应低于马氏体开始转变温度，一般为150～400℃，最高不超过450℃。

碳含量是确定预热温度的最主要因素，含碳量高，预热温度应相应高一些。

影响选择预热温度的其他因素还有材料厚度、填充金属种类、焊接方法和拘束程度等。

含碳量小于0.1%时，可不预热，也可预热至200℃；含碳量为0.1%～0.2%时，预热200～260℃。

在特别苛刻情况下可采用更高的预热温度，如预热400～450℃。

含碳量大于0.2%时，需要保持层间温度。

薄板有时可以不预热，即使预热，预热温度为150℃即可。

对于刚性大的厚板结构，以及淬硬倾向大的钢种，预热温度相应高些，通常选在马氏体开始转变温度M S点上。

如焊接厚度大于25mm时，预热温度为300～400℃。

采用Cr-Ni奥氏体不锈钢焊条或焊丝焊接马氏体不锈钢时，一般可不进行预热，只有在焊接厚板时才预热200℃左右。

当预热温度过高时（如预热温度超过450℃），会使焊接接头的性能恶化。

一方面接头长时间处于高温，有可能出现475℃脆化；另一方面由于冷却速度缓慢，长时间处于奥氏体温度以上的部分，会分解出粗大的铁素体，奥氏体间析出大量的碳化物。

这些均将导致接头的韧性严重降低。

同时，此类钢通常在调质状态下焊接，焊后只进行高温回火，一般不能加热到相变点以上的温度进行热处理来改变这种不良的组织，因此，预热温度尽可能不超过450℃。

（4）接头设计
焊接接头设计应避免刚性过大，装配焊接时避免强制装配。

2）焊接工艺要点
（1）根据实际正确选择焊接方法和焊接材料
为了保证使用性能要求，焊接成分应与母材同质。

为了防止冷裂，也可采用奥氏体不锈钢作为填充金属，此时由于焊缝成分为奥氏体组织，焊缝强度不可能与母材匹配，而且奥氏体焊缝与母材相比，在物理、化学和冶金的性能上存在很大差异，所以在选用奥氏体焊接材料焊接马氏体不锈钢时，必须考虑母材稀释的影响以及凝固过渡层的形成问题。

（2）正确选择工艺参数
一般选用较大焊接线能量焊接，可能降低冷却速度。

（3）其他
① 严格控制层间温度，以防止在熔敷后续焊道前发生冷裂纹。

② 保证全部焊透，如采用钨极氩弧焊进行打底焊，可以避免产生根部裂纹。

③注意填满弧坑，防止出现火口裂纹。

3）后热及焊后热处理
绝大多数马氏体不锈钢焊后不允许直接冷却到室温，以防止冷裂纹的产生。

马氏体不锈钢焊接中断或焊完之后，应立即施加后热，以使奥氏体在不太低的温度下全部转变为马氏体（有时还有贝氏体）。

后热的时机很重要，既不能等到冷却至室温，又不能在M S点以上进行。

如果焊后能够立即进行热处理，则可以免去后热。

马氏体不锈钢焊后热处理的目的：①消除焊接残余应力，去除接头中的扩散氢，以防止延迟裂纹的产生；②对接头进行回火处理以减小硬度，改善组织和力学性能。

焊后热处理的目的是降低焊缝和热影响区硬度，改善其塑性和韧性，同时减少焊接残余应力。

焊后热处理有两种。

一种是焊后进行调质处理，这种处理是在焊后立即进行，不必再进行高温回火。

另一种是焊前已进行调质处理（淬火+回火），因此焊后只进行高温回火，而且回火的温度应比调质的回火温度略低，使之不至于影响母材原有的组织状态。

如Cr12WMoV钢的调质回火温度为740-780℃，焊后的高温回火温度应比它低20-40℃。

回火温度的选择应适应构件对接头力学性能和耐蚀性的要求。

回火温度一般选在650-750℃，至少保温1h，空冷。

回火温度不应高于A C1点，防止再度奥氏体转变。

对高温使用的焊接结构常采用较高的回火温度。

高温回火时析出较多的碳化物，对耐蚀性不利。

对于主要用于耐蚀的结构，应进行较低温度的消除应力退火。

对于不再进行调质处理的焊后回火处理，不应在焊件尚处于高温下进行，应等到接头冷却到马氏体转变基本完成的温度M f，立即进行回火。

若焊后尚处于高温的工件立即回火，虽然可以防止冷裂纹的产生，但是接头会出现粗大的铁素体和沿晶界析出碳化物，甚至焊缝中还会形成大量性能较差的贝氏体组织，因
此回火前应使焊件冷却，让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解完。

对于刚度小的构件，可以冷却至室温后再加热。

对于大厚度的结构，特别当含碳量较高时，需采用复杂的工艺：焊后冷却至100～150℃，保温0.5～1.0h，然后加热到回火温度。

回火温度一般不选在475～550℃。

在这个温度回火的钢韧性都很低。

韧性低的原因与微观组织变化和回火脆化有关。

钢中加入Mo、V、Nb和降低含碳量可改善韧性。

回火处理需保温足够的时间，以使接头中可能存在的脆硬贝氏体组织能够转变为索氏体。

保温时间可按每毫米厚度4min计算。

保温后以3～5℃/min的冷却速度冷至300℃，然后空冷。

四、常见焊接缺陷及防止措施
马氏体不锈钢焊接时产生的主要缺陷为焊接冷裂纹和热影响区脆化。

1．冷裂纹
产生的主要原因详见3.3.1小节。

防止冷裂纹的措施如下：
1）预热预热是防止焊缝硬脆和产生冷裂纹的一个很有效的措施。

预热温度可根据工件的厚度和刚性大小来决定，一般为200～400℃，含碳量越高，预热温度也越高。

但从接头质量看，预热温度过高，会在接头中引起晶界碳化物沉淀和形成铁素体，对韧性不利，尤其是焊缝含碳量偏低时。

这种铁素体+碳化物的组织，仅通过高温回火不能改善，必须进行调质处理。

2）焊接工艺 采用大线能量 较大的焊接电流，可以减缓冷却速度。

3）控制层间温度对于不同的钢种层间温度不同，一般不低于预热温度。

4）正确选择焊接材料 为了保证使用性能，最好采用同质填充金属。

为了防止冷裂纹，也可采用奥氏体不锈钢型填充，此时由于焊缝成分为奥氏体组织，焊缝强度不可能与母材匹配。

此外，若采用奥氏体焊接材料时，必须考虑母材稀释的影响以及凝固过渡层的形成问题。

5）焊后处理焊后缓冷到150～200℃，并进行焊后热处理以消除焊接残余应力，去除接头中扩散氢，同时也可以改善接头的组织和性能。

2．热影响区脆化
防止热影响区脆化的措施如下。

1）合理选择预热温度，预热温度不应超过450℃，否则接头长时间处于高温下，可能产生475℃脆化。

2）合理选择焊接材料调整焊缝的成分，尽可能避免焊缝中粗大铁素体的产生。