所謂不銹鋼是指在鋼中加進一定量的鉻元素后,使鋼處于鈍化狀態,具有不生銹的特性。為達到此目的,其鉻含量必須在12%以上。為進步鋼的鈍化性,不銹鋼中還往往需加進能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸,而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類,即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點

奧氏體不銹鋼是應用廣泛的不銹鋼,以高Cr-Ni型為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點:

① 焊接熱裂紋 奧氏體不銹鋼由于其熱傳導率小,線膨脹系數大,因此在焊接過程中,焊接接頭部位的高溫停留時間較長,焊縫易形成粗大的柱狀晶組織,在凝固結晶過程中,若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質元素含量較高,就會在晶間形成低熔點共晶,在焊接接頭承受較高的拉應力時,就易在焊縫中形成凝固裂紋,在熱影響區形成液化裂紋,這都屬于焊接熱裂紋。防止熱裂紋有效的途徑是降低鋼及焊材中易產生低熔點共晶的雜質元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4% ~ 12%的鐵素體組織。

② 晶間腐蝕 根據貧鉻理論,在晶間上析出碳化鉻,造成晶界貧鉻是產生晶間腐蝕的主要原因。為此,選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③ 應力腐蝕開裂 應力腐蝕開裂通常表現為脆性破壞,且發生破壞的過程時間短,因此危害嚴重。造成奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應力。焊接接頭的組織變化或應力集中的存在,局部腐蝕介質濃縮也是影響應力腐蝕開裂的原因。

④ 焊接接頭的σ相脆化 σ相是一種脆硬的金屬間化合物,主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發生σ相轉變。比如對于Cr25Ni20型焊縫在800℃ ~ 900℃加熱時,就會發生強烈的γ→δ轉變。對于鉻鎳型奧氏體不銹鋼,特別是鉻鎳鉬型不銹鋼,易發生δ→σ相轉變,這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的σ化作用,當焊縫中δ鐵素體含量超過12%時,δ→σ的轉變非常明顯,造成焊縫金屬的明顯的脆化,這也就是為什么熱壁加氫反應器內壁堆焊層將δ鐵素體含量控制在3%~10%的原因。

1. 奧氏體不銹鋼焊接要點

總的來說,奧氏體不銹鋼具有優良的焊接性。幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼的熱物理性能和組織特點決定了其焊接工藝要點。

① 由于奧氏體不銹鋼導熱系數小而熱膨脹系數大,焊接時易于產生較大的變形和焊接應力,因此應盡可能選用焊接能量集中的焊接方法。

② 由于奧氏體不銹鋼導熱系數小,在同樣的電流下,可比低合金鋼得到較大的熔深。同時又由于其電阻率大,在焊條電弧焊時,為了避免焊條發紅,與同直徑的碳鋼或低合金鋼焊條相比,焊接電流較小。

③ 焊接規范。一般不采用大線能量進行焊接 。焊條電弧焊時,宜采用小直徑焊條,快速多道焊,對于要求高的焊縫,甚至采用澆冷水的方法以加速冷卻,對于純奧氏體不銹鋼及超級奧氏體不銹鋼,由于熱裂紋敏感性大,更應嚴格控制焊接線能量,防止焊縫晶粒嚴重長大與焊接熱裂紋的發生。

④ 為進步焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能,焊接時,要特別留意焊接區的清潔,避免有害元素滲透焊縫。

⑤ 奧氏體不銹鋼焊接時一般不需要預熱。為了防止焊縫和熱影響區的晶粒長大及碳化物的析出,保證焊接接頭的塑、韌性和耐蝕姓,應控制較低的層間溫度,一般不超過150℃。

2. 鐵素體不銹鋼焊接要點

鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對較多,奧氏體形成元素相對較少,材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環的作用下,熱影響區晶粒明顯長大,接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區晶粒長大的程度取決于焊接時所達到的高溫度及其保持時間,為此,在焊接鐵素體不銹鋼時,應盡量采用小的線能量,即采用能量集中的方法,如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等,同時盡可能采用窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施,并嚴格控制層間溫度。

由于焊接熱循環的作用,一般鐵素體不銹鋼在熱影響區的高溫區產生敏化,在某些介質中產生晶間腐蝕。焊后經700~850℃退火處理,使鉻均勻化,可恢復其耐蝕性。

普通高鉻鐵素體不銹鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高鉻鋼固有的低塑性,以及焊接熱循環引起的熱影響區晶粒長大和碳化物、氮化物在晶界集聚,焊接接頭的塑性和韌性都很低。在采用與母材化學成分相似的焊材且拘束度大時,很易產生裂紋。為了防止裂紋,改善接頭塑性和耐蝕性,以焊條電弧焊為例,可以采取下列工藝措施。

① 預熱100 ~ 150℃左右,使材料在富有韌性的狀態下焊接。含鉻越高,預熱溫度應越高。

② 采用小的線能量、不擺動焊接。多層焊時,應控制層間溫度不高于150℃,不宜連續施焊,以減小高溫脆化和475℃脆性影響。

③ 焊后進行750 ~ 800℃退火處理,由于碳化物球化和鉻分布均勻,可恢復耐蝕性,并改善接頭塑性。退火后應快冷,防止出現σ相及475℃脆性。

3. 馬氏體不銹鋼焊接要點

對于Cr13型馬氏體不銹鋼,當采用同材質焊條進行焊接時,為了降低冷裂紋敏感性,確保焊接接頭塑、韌性,應選用低氫型焊條并同時采取下列措施:

① 預熱。預熱溫度隨鋼材含碳量的增加而進步,一般在100℃ ~ 350℃范圍內。

② 后熱。對于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭,焊后采取后熱措施,以防止焊接氫致裂紋。

③ 焊后熱處理。為改善焊接接頭塑、韌性和耐蝕性,焊后熱處理溫度一般為650℃ ~ 750℃,保溫時間按1h / 25mm計。

對于超級及低碳馬氏體不銹鋼,一般可不采取預熱措施,當拘束度大或焊縫中含氫量較高時,采取預熱及后熱措施,預熱溫度一般為100℃ ~ 150℃,焊后熱處理溫度為590 ~ 620℃。對于含碳量較高的馬氏體鋼?；蛟诤盖邦A熱、焊后熱處理難以實施,以及接頭拘束度較大的情況下,工程中也可用奧氏體型的焊材,以進步焊接接頭的塑、韌性,防止產生裂紋。但此時焊縫金屬為奧氏體組織或以奧氏體為主的組織時,與母材強度相比實為低強匹配,而且焊縫金屬與母材在化學成分、金相組織、熱物理性能、力學性能差別很大,焊接殘余應力不可避免,輕易引發應力腐蝕或高溫蠕變破壞。