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