主讲人：张宇 焊工技术培训教程,不 锈 钢 焊 接 技 术,一、概述,铬的质量分数大于12%的钢，在空气、水、蒸气中能不受腐蚀和生锈的钢称为不锈钢；在酸及其它化学侵蚀介质中能耐腐蚀的钢称为不锈耐酸钢。 一般说的不锈钢包括不锈钢和不锈耐酸钢两种。,二、奥氏体不锈钢的焊接性,1、不锈钢的分类及性能 (1)不锈钢的分类 不锈钢有两种分类法。,1）马氏体不锈钢,这类钢的铬质量分数较高（13%17%），碳的质量分数也较高（0.11.1%）。属于些类钢的有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等，其中以2Cr13应用最广。此类钢具有淬硬性。在温度不超过30时，在弱腐蚀介质中有良好的耐腐蚀性；对淡水、海水、蒸汽、空气亦有足够的耐腐蚀性；在热处理（如调质）后有很好的力学性能。此类钢多用制造力学性能要求较高、耐腐蚀性要求相对较低的零件，例如汽轮机叶片、医疗器械等。,2)铁素体不锈钢,这类钢的铬的质量分数高（13%30%），碳的质量分数较低（低于0.15%）。些类钢的耐酸能力强，有很好的抗氧化能力，强度低，塑性好，主要用于制作化工设备中的容器、管道等，广泛用于硝酸、氮肥工业中。属于此类钢的有00Cr12、1Cr17、1Cr17Mo、00Cr27Mo、00Cr30Mo2等，常用1Cr17。,3）奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢是目前工业上应用最广的不锈钢。它以铬、镍为主要合金元素。它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。主要用作化工容器、设备和零件等。奥氏体不锈钢化学成分类型有Cr18%-Ni9%（通常称18-8不锈钢），Cr18%-Ni12%、Cr23%-Ni13%、Cr25%-Ni20%等几种。属于奥氏体不锈钢有0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni10Ti、0Cr18Ni11Nb、1Cr18Ni12、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr23Ni13、0Cr25Ni20等。常用有1Cr18Ni9Ti，Cr25Ni20等。,（2）不锈钢的性能,1）不锈钢的物理性能 与焊接有关的物理性能主要有： 不锈钢的热导率低于碳钢，尤其是奥氏体不锈钢的热导率，约为碳钢的1/3。 不锈钢的电阻率高，尤其是奥氏体不锈钢的电阻率，约为碳钢的5倍。 奥氏体不锈钢的线膨胀系数比碳钢约大50%，马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线膨胀系数大体上与碳钢相等。 奥氏体不锈钢的密度大于碳钢，马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的密度稍小于碳钢。 奥氏体不锈钢没有磁性，马氏体不锈钢和铁素体不锈钢有磁性。,2）不锈钢的力学性能,几种常用的典型的不锈钢力学性能见如下表1。 表中并列入低碳钢和16Mn钢的力学性能进行比较。,3）不锈钢的耐腐蚀性能,金属受蚀介质的化学及电化学作用而损坏的现象称为腐蚀。不锈钢的腐蚀形式有均匀腐蚀（整体腐蚀）、晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。 均匀腐蚀 接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象，称均匀腐蚀，也称整体腐蚀。它是一种表面腐蚀。不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，它的均匀腐蚀量并不大。 晶间腐蚀 在腐蚀介质作用下，起源于金属表面的晶界，沿晶粒边界深入金属内部，产生在晶粒之间的一种腐蚀，称晶间腐蚀。晶间腐蚀导致晶粒间的结合力丧失，强度几乎完全消失，受到应力作用时，即会沿晶界断裂，是不锈钢最危险的一种破坏形式。,产生晶间腐蚀的机理,是它晶粒边界的铬的质量分数降至12%以下，即在晶间形成铬的质量分数小于12%的贫铬区，因此晶间在腐蚀介质作用下发生腐蚀。产生晶间贫铬的原因是奥氏体不锈钢加热到450850温度范围时，晶粒中过饱和固溶的碳（碳在奥氏体中的溶解度约为0.02%0.03%）向晶粒边界扩散比铬的扩散快，扩散到晶界的碳与晶界的铬化合，形成Cr23C6，使晶界铬的质量分数大大减小，变成铬的质量分数小于12%的贫铬区。加热温度小于450时，不会产生晶间腐蚀，因为温度低，不会形成Cr23C6化合物；加热温度大于850时，也不会产生晶间腐蚀，因为温度大于850时，晶粒内铬的扩散速度增强，有足够的铬扩散到晶界与碳化合，晶界不会形成贫铬。所以加热的温度450850是晶间腐蚀的“危险温度区”，或称“敏化温度区”，其中以650为最危险。,防止晶间腐蚀的主要措施,a)采用超低碳不锈钢 奥氏体不锈钢根据碳的质量分数不同分成三个等级： 一般级(C0.14%)、低碳级(C0.06%)和超低碳级(C0.03%)。 室温时，奥氏体能溶解最大的碳的质量分数为0.02%0.03%，因此超低碳奥氏体不锈钢原则上就不会产生晶间腐蚀。,b)采用双相组织 调整钢的化学成分，形成奥氏体和少量铁素体的双相组织，使碳化铬（Cr23C6）首先在奥氏体与铁素体的双相界面上和高温铁素体相内析出，可使奥氏体晶界上析出的碳化铬数量减少、分布不连续，降低晶间腐蚀倾向。钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素。奥氏体化元素有Ni、C、Mn、N、Cu等；铁素体化元素有Cr、Nb、Ti、Mo、V、W、Si等。不锈钢中铬的质量分数与镍的质量分数之比大于1.8时，就会出铁素体组织。,c)添加稳定剂 在钢中加入Ti、Nb等与C的结合能力比Cr更强的无素，与C结合成稳定的碳化物TiC、NbC而不在晶界形成Cr23C6。 d)进行固溶处理 将奥氏体不锈钢加热到10501100，使碳化物（碳）溶入奥氏体中，然后急速冷却，使碳化物来不及析出，形成稳定的单相奥氏体组织。这种方法缺点：一是大型和形状复杂结构固溶处理有一定困难；二是固溶处理后的结构如在“危险温度区”工作，仍会形成晶间贫铬，在腐蚀介质作用下产生晶间腐蚀。,e)进行均匀化处理 将奥氏体不锈钢加热到850900，保温2h，使奥氏体晶粒内部的铬也扩散到晶粒边界，使晶界的铬的质量分数恢复到大于12%，从而消除晶间贫铬。不锈钢这种热处理叫均匀化处理。对于含Ti 、Nb稳定剂型的18-8型奥氏体不锈钢，在固溶处理之后再加热到850900，保温24h，称为稳定化处理。在固溶处理时晶界碳化铬被溶解，大部分钛和铌的碳化物也被溶解了；在稳定化处理时，可使固溶的钛和铌与碳结合成碳化钛和碳化铌（稳定碳化物），以免在随后的使用中碳与铬结合成碳化铬而降低耐腐蚀性能。对于1Cr18Ni9Ti钢，生产中采用的工艺是860880，保温6h，于空气中冷却。,点腐蚀 也叫点蚀。它是指在不锈钢表面产生的尺寸约小于0.1mm的穿孔性或蚀坑性的宏观腐蚀。点蚀的形成主要是由于不锈钢表面钝化膜局部破坏引起的。 缝隙腐蚀 这是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀坑，常发生在垫圈、螺钉连接、铆接、焊接搭接接头等接缝处。 应力腐蚀 这是指在静拉伸应力和电化学腐蚀介质共同作用下，因阳极溶解过程引起的腐蚀断裂。奥氏体不锈钢制设备经常由冷却水、蒸汽、空气中的积水引起应力腐蚀断裂。温度50以上，结构中缝隙以及流动性不良等引起介质浓缩的部位均易发生应力腐蚀断裂。应力腐蚀在拉应力作用下才能产生，在压应力下不会产生。引起应力腐蚀的应力有加工中产生的内应力和构件工作应力，其中最主要的是焊接残余应力。削除残余应力是防止应力腐蚀最有效措施之一。,统计资料表明，20世纪50年代以前，晶间腐蚀破坏是铬镍奥氏体不锈钢焊接工程中的主要问题。50世纪60年代以来，不锈钢设备应力腐蚀断裂事故不断发生，已成为重要的工程问题。在腐蚀破坏事故中，铬镍奥氏体不锈钢的应力腐蚀点湿态腐蚀事例的50%，点蚀（孔隙）和缝隙腐蚀合占20%，晶间腐蚀、均匀腐蚀和腐蚀疲劳（腐蚀介质和疲劳应力引起的腐蚀）三种均只各占约10%左右。 不言而喻，不锈钢性能主要是耐腐蚀性。,2、奥氏体不锈钢的焊接性,奥氏体不锈钢塑性和韧性很好，具有良好的焊接性，焊接时一般不需要采取特殊的焊接工艺措施。如果焊接材料选用不当或焊接工艺不合理时，会产生降低焊接接头抗晶间腐蚀能力和热裂纹等问题。,（1）焊接接头的抗腐蚀性,奥氏体不锈钢焊接容易造成降低焊接接头抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力。 1）晶间腐蚀 焊接时，奥氏体不锈钢母材类型和所用的焊接材料与工艺不同，可能产生焊缝的晶间腐蚀、熔合区和过热区的“刀蚀”和热影响区中的敏化温度区的晶间腐蚀。 焊缝的晶间腐蚀 多层多道焊接时，前面已焊焊缝处于敏化温度区时，会产生晶间贫铬；使用时接触腐蚀介质，就会发生晶间腐蚀。防止焊缝晶间腐蚀，可选用含钛或铌稳定剂的奥氏体不锈钢焊接材料，也可选用超低碳焊接材料。不可以选用焊缝有少量铁素体组织的焊接材料和熔合比。,热影响区的敏化温度区的晶间腐蚀 由于焊接热循环的加热速度和冷却速度都非常快，因此焊接热影响区的敏化温度区略高于热处理敏化温度区，在6001000范围。防止热影响区晶间腐蚀的措施：选用含钛或铌的奥氏体不锈钢母材，或选用超低碳的奥氏体不锈钢母材；在焊接工艺上选用小线能量焊接、快速冷却的焊接工艺等，以减小在敏化温度区范围的停留时间，减少晶界Cr23C6的产生。,熔合线和过热区的“刀蚀” 含钛或铌的奥氏体不锈钢焊接热影响区紧邻熔合线的过热区。温度超过1200，TiC或NbC全部溶解于奥氏体中，冷却时部分固溶的碳原子扩散并偏聚在奥氏体晶界上。在随后的多层焊时处于6001000的敏化区，晶界上碳原子浓度增大，与铬结合成Cr23C6，造成晶间贫铬。使用时，在一定的腐蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀状腐蚀的破坏，简称“刀蚀”。防止“刀蚀”的措施：选用超低碳奥氏体不锈钢母材（超低碳奥氏体不锈钢焊接接头不会产生刀蚀），在焊接顺序上安排接触腐蚀介质表面上的焊缝最后焊。,2）应力腐蚀 根据不锈钢设备和制作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）等介质。应力主要是焊接残余应力。因此，防止应力腐蚀主要是消除焊接残余应力的焊后热处理；以及焊接工艺上采取措施减小残余应力。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；采用短焊道焊；采用小线能量；适当的焊后锤击等。,（2）热裂纹,奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生热裂纹。奥氏体不锈钢焊接时产生热裂纹的原因： 一是单相奥氏体焊缝易形成方向性强的柱状晶组织，硫、磷、镍、碳等元素形成的低熔点共晶杂质偏析比较严重，形成晶间液态夹层；不锈钢的液相线与固相线距离较大，结晶时间较长，也使低熔点杂质偏析比较严重； 二是不锈钢导热系数小、线膨胀系数大，导致焊接应力比较大（一般是焊缝和热影响区受拉应力）。,防止热裂纹的措施： 严格限制焊缝中硫、磷等杂质元素的质量分数，以减少低熔点共晶杂质。 选用双相组织的焊条，使焊缝形成奥氏体和少量铁素体的双相组织，以细化晶粒，打乱柱状晶方向，减小偏析严重程度。铁素体的质量分数控制在3%8%（5%左右）。过多的铁素体会使焊缝变脆。对于镍的质量分数大于15%的奥氏体不锈钢不能采用奥氏体和铁素体双相组织来防止热裂纹。因为铁素体在高温（650）下长期使用，会析出相，使焊缝脆化。可采用奥氏体和碳化物的双相组织焊缝，亦有较高的抗热裂能力。,选用碱性焊条和焊剂，以降低焊缝中的杂质含量，改善偏析程度。 控制焊接电流和电弧电压大小，适当提高焊缝形状系数；采用多层多道焊，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹。 采用小线能量，小电流快速不摆动焊，可减小焊接应力。 填满弧坑，可防止弧坑裂纹。,（3）焊接接头的脆化,奥氏体不锈钢的焊缝在高加热一段时间后，常会出现冲击韧度下降的现象，称为脆化。 1）475脆化 含有较多铁素体相（超过15%20%）的双相焊缝组织，经过350500加热后，塑性和韧性会显著下降，由于475时脆化速度最快，故称475脆化。铁素体相越多，这种脆化越严重。因此，在保证焊缝金属抗裂性能和抗腐蚀性能的前提下，应将铁素体控制在较低在水平，约5%左右。已产生47