奥氏体不锈钢的焊接特点及及焊接工艺

一

概　述

　　不锈钢是指含Cr量高于12%的钢, Cr在钢中的作用是能在钢的表面形成一层坚固致密的Cr2O3薄膜, 使钢本身与大气或腐蚀介质隔离而免遭腐蚀。在此基础上, 再加入一定数量的 Ni、Ti、Nb、W等元素, 则能形成具有特殊耐腐蚀、抗高温氧化或具有一定高温强度等性能的各类不锈钢钢种。不锈钢按其显微组织不同可分为五类：铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体+铁素体型和淀硬化型不锈钢。奥氏体不锈钢通常在常温下的组织为纯奥氏体，也有一些为奥氏体+少量铁素体，这种少量铁素体有助于防止热裂纹。奥氏体不锈钢因焊接性良好，在化工、石油容器等行业应用较为广泛。

二

奥氏体不锈钢的焊接特点

　　奥氏体不锈钢具有良好的可焊性，但焊接材料或焊接工艺不正确时，会出现以下缺陷：

　　1. 晶间腐蚀

　　( 1) 晶间腐蚀产生原因

　　晶间腐蚀发生于晶粒边界，所以叫晶间腐蚀。它是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式，它的特点是腐蚀沿晶界深入金属内部，并引起金属机械性能和耐腐蚀性能的下降。奥氏体不锈钢在450℃~850℃温度区间范围内停留一定时间后，则在晶界处会析出Cr23C6，其中的铬主要来自晶粒表层, 内部的铬如来不及补充，会使晶界晶粒表层的含铬量下降而形成贫铬区，在强腐蚀介质的作用下，晶界贫铬区受到腐蚀就会形成晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶界断裂, 几乎完全丧失强度。

　　( 2) 防止晶间腐蚀的措施

　　选用超低碳(C≤0.03%)、添加钛或铌等稳定元素的不锈钢焊条。

　　采用小规范，目的是为了减少危险温度范围停留时间，采用小电流、快焊速、短弧焊及不作横向摆动。焊缝可采用强制冷却(如铜垫板、水冷)方法加快焊接接头的冷却速度，减少热影响区。多层焊时，应控制层间温度，要前一道焊缝冷却至60℃以下时再焊。接触介质的那面焊缝最后焊接。焊后固溶处理。将工件加热至1050℃~ 1150℃后淬火，使晶界上的Cr23C6溶入晶粒内部, 形成均匀的奥氏体组织。

　　2. 热裂纹

　　( 1) 热裂纹产生原因

　　液相线和固相线距离大，凝固过程温度范围大，使低熔点杂质偏析严重，而且集中在晶界处。膨胀系数大，所以冷却收缩时的应力也大。

　　( 2) 控制热裂纹产生的措施

　　控制焊缝金属组织，尽量使焊缝金属呈双相组织，铁素体的含量控制在3%~5%以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。控制化学成分，应减少焊缝金属中的镍、碳、硫、磷含量，增加铬、钼、硅及锰等元素，可以减少热裂纹的产生。选用适当的焊条药皮类型。用低氢型药皮焊条可以使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，提高抗裂性。用酸性药皮焊条氧化性强，使合金元素烧损多，抗裂下降，而且晶粒粗大，使热裂纹极易产生。采用适当的焊接规范和冷却速度。采用小规范，即小电流、快焊速来减少焊接熔池过热、快速冷却，以减少偏析，使抗裂性提高。多层焊时，要控制层间温度，前一焊道冷却至60℃后再焊。

　　3. 应力腐蚀开裂

　　( 1) 应力腐蚀开裂产生原因

　　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) 应力腐蚀开裂防止措施

　　合理制定成形加工和组装工艺，尽可能减小冷却变形度，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)。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等。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。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。

　　4. 焊缝成形不良

　　( 1) 焊缝成形不良产生原因奥氏体不锈钢焊接时，由于焊缝中合金元素含量高，熔池流动性差，易造成焊缝表面成形不良。主要表现在根部焊道背面成形恶化及盖面焊道表面粗糙。焊缝表面成形不良对焊缝性能的影响在常温或高温工况下表现不明显，但在低温工况下，其成形不良所造成的应力集中，对焊缝低温性能的影响不亚于焊缝内部质量的影响。

　　( 2) 防止措施

　　对于焊缝成形不良以及焊接热影响区的晶间腐蚀问题，可以通过焊接工艺来加以解决。采用钨极氩弧焊打底、较小的焊接线能量，来控制热影响区处于敏化温度区间的范围。

三

奥氏体不锈钢的焊接工艺

　　根据上述不锈钢的焊接特点，为保证接头的质量，应当采用以下焊接工艺：

　　1. 焊前准备。必须清除可能使焊缝金属增碳的各种污染。焊接坡口和焊接区焊前应用丙酮或酒精除油和去水。不得用碳钢钢丝刷清理坡口和焊缝表面。清渣和除锈应用砂轮、不锈钢钢丝刷等。

　　2. 焊条必须存放在干净的库房内。使用时应将焊条放在焊条筒内，不要用手直接接触焊条药皮。

　　3. 焊接薄板和拘束度较小的不锈钢焊件，可选用氧化钛型药皮焊条。因为这种焊条的电弧稳定，焊缝成型美观。

　　4. 对于立焊和仰焊位置，应采用氧化钙型药皮焊条。其熔渣凝固较快，对熔化的焊缝金属可起到一定的支托作用。

　　5. 气体保护焊和埋弧自动焊时，应选用铬锰含量比母材高的焊丝，以补偿焊接过程中合金元素的烧损。

　　6. 在焊接过程中，必须将焊件保持较低的层间温度，最好不超过150℃。不锈钢厚板焊接时，为加快冷却，可从焊缝背面喷水或用压缩空气吹焊缝表面，但层间必须注意清理，防止压缩空气污染焊接区。

　　7. 手工电弧焊时，应在焊条说明书规定的电流范围内选择焊接电流。由于不锈钢电阻值较大，靠近夹持端的一段焊条容易受电阻热的作用而发红，在焊至后半段焊条时应加快熔化速度，使焊缝熔深减少，但熔化速度太快又会造成未熔合和熔渣等缺陷。从保证接头的耐腐蚀性考虑，也要求选用较小的焊接电流，减少焊接热输入量，防止焊接热影响区的过热。

　　8. 在操作技术上应采用窄焊道技术，焊接时尽量不摆动焊条，在保持良好熔合的前提下，尽可能提高焊接速度。

　　9. 不锈钢焊件焊后一般不作消除应力处理。虽然在不锈钢的焊接中也存在较高的残余应力，但由于接头各区在焊后具有良好的塑性和韧性，使残余应力的有害影响显著减小。更重要的是消除应力处理的温度范围正好处于不锈钢的敏化温度区，消除应力处理反而导致耐蚀性的降低。因此不锈钢焊件的焊后热处理的目的不应是消除接头的残余应力，而应是提高接头的耐蚀性。主要有固溶处理和稳定化处理。

四

结　论

　　通过采用以上焊接工艺，可提高奥氏体不锈钢的焊接质量。奥氏体不锈钢的焊接，对焊工的技能要求较高，因此焊工必须经培训考核后上岗操作，方能保证焊接接头的焊接质量及耐蚀性。