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马氏体不锈钢及双相不锈钢的焊接,3. 马氏体钢的焊接工艺特点,(1)焊接方法 SMAW、TIG、MIG、PC-MIG (2)焊接材料的选择 同质:焊缝成分与母材接近 Cr13系M钢,应限制S+P0.015%、Si0.3% 异质:采用奥氏体焊材,使焊缝成为,马氏体不锈钢电弧焊方法其及适用性,焊接材料选用要点,1) Cr13型焊条和焊丝(同质) 当焊缝强度要求较高时,采用Cr13型焊条和焊丝,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。 要求焊前预热和焊后热处理,预热温度不能超过450,以防止475脆性; 焊后热处理是冷至150200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730790,保温时间每1mm板厚为10min,但不少于2h,最后空冷。 为了防止裂纹,控制焊条和焊丝中S、P、Si含量,C含量应低于母材C含量,以降低淬透性。 2) Cr-Ni奥氏体型焊条和焊丝(异质) 奥氏体组织焊缝对氢的溶解度大,可减少氢从焊缝向HAZ扩散,防止冷裂纹,因此焊前不需预热。 奥氏体焊缝金属具有良好的塑性,可以缓和HAZ马氏体转变时产生的应力。但焊缝的强度较低,也不能通过焊后热处理来提高。,表4-5 马氏体不锈钢常用的焊接材料,(3) 焊接工艺要点, 焊缝成分应与母材同成分(同质)。为了防止冷裂,也可采用奥氏体不锈钢作为填充金属(异质)。此时由于焊缝为奥氏体组织,焊缝强度不能与母材匹配。 奥氏体焊缝与母材相比,在物理、化学性能上有很大差异,在选用奥氏体焊材时,须考虑母材稀释的影响和凝固过渡层问题。 正确选择工艺参数,保证焊透,如采用钨极氩弧焊进行打底焊,可以避免产生根部裂纹。注意填满弧坑,防止出现火口裂纹。 控制层间温度,防止熔敷后续焊道前发生冷裂纹。 避免强制装配和采用刚性过大的焊接接头设计。,对于低碳及超级马氏体不锈钢,焊接裂纹敏感性小,通常焊接条件下不需要预热或后热。在大拘束度或焊缝金属中的氢含量难以严格控制的条件下,为了防止焊接裂纹,应采取预热甚至后热措施,一般预热温度在100150。 为了保证焊接接头的塑韧性,该类钢焊后需进行回火热处理,热处理温度一般在590620。 对于耐蚀性有特别要求的焊接接头,如用于油气输送的00Cr13Ni4Mo管道,为了保证焊接接头的抗应力腐蚀性能,需经过670+610的二次回火热处理,以保证焊接接头的硬度不超过22HRC。,(4) 焊后热处理,焊前预热150,焊后720回火处理; 采用A焊材,焊后不回火,但HAZ有淬硬层。 M钢焊后不允许直接冷却到室温,必须进行焊后热处理以消除焊接应力,以去除接头中的扩散氢,防止延迟裂纹;同时对接头进行回火处理以减小硬度,改善组织和力学性能。 焊后热处理有两种。 焊后调质处理,焊后立即进行,不再进行高温回火。 焊前已进行调质处理,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,使之不致于影响母材原有的组织状态。,图4-22 正确的焊后热处理工艺,图4-23 不正确的焊后热处理工艺,回火温度须适应对接头力学性能和耐蚀性的要求。一般为650750C,至少保温1h,空冷。回火温度不应高于Ac1点,防止再次发生转变。,对高温使用的焊接结构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。对于用于耐蚀的结构,进行低温消除应力退火。 焊后不再进行调质处理的焊后回火处理,接头冷却到马氏体转变完成的温度Mf时,立即进行回火。对刚度小的构件,可冷却至室温后再回火。 对于大厚度结构,特别是C含量高时,焊后冷至100150C,保温0.51.0h,然后加热到回火温度。回火温度避开475550C。回火处理需保温足够的时间,可按每毫米厚度4分钟计算。保温后以35C/min的冷却速度冷至300C,然后空冷。,4.5 奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接,双相不锈钢是在固溶体中铁素体相和奥氏体相各约占一半,一般较少相的含量至少也需要达到30%的不锈钢。 双相不锈钢钢综合了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点,具有良好的韧性,强度及优良的耐氯化物应力腐蚀性能。 主要应用于:海洋工程、石化,4.5.1 奥氏体-铁素体双相不锈钢的类型,(1)低合金型双相不锈钢 00Cr23Ni4N钢是瑞典最先开发的一种低合金双相不锈钢,不含Mo,Cr和Ni含量较低。由于钢中Cr为23%,有很好的耐孔蚀、缝隙腐蚀和均匀腐蚀的性能,可代替18-8等常用奥氏体不锈钢。,(2)中合金型双相不锈钢,如0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti。这两种钢是了为节Ni,分别代替0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti而设计的,但比后者具有更好的力学性能,尤其是强度更高(约为1Cr18Ni9Ti的2倍)。 00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr18Ni5Mo3Si2Nb双相不锈钢是目前合金含量最低、焊接性良好的耐SCC钢种,在氯化物介质中的耐点蚀性良好,耐中性氯化物SCC性能优于18-8钢,具有较好的强-韧综合性能、冷加工工艺性及焊接性,适用作结构材料。 00Cr22NI5Mo3N属于第二代双相不锈钢,钢中加入适量N不仅改善了钢的耐点蚀和耐SCC性能, 量提高还有利于两相组织的稳定,HAZ有一定数量的,提高了HAZ的耐蚀性和力学性能。这种钢焊接性良好,是目前应用最普遍的双相不锈钢。,(3)高合金双相不锈钢 Cr高达25%,在双相不锈钢系列中出现最早。以后发展了两相比例更加适宜的超低碳含氮双相不锈钢,除Mo以外,还加入了Cu、W等进一步提高耐腐蚀性的元素。 典型的钢种有: 00Cr25Ni6Mo2N、00Cr25Ni7Mo3N、00Cr25Ni7Mo3WCuN、0Cr25Ni6Mo3CuN等。 (4)超级双相不锈钢 是指PREN(PRE是Pitting Resistance Equivalent的缩写,指抗点蚀当量;N指含氮钢。)大于40,Cr=25%和Mo含量高(Mo3.5%)、氮含量高(N=0.22%0.30%)的双相钢,主要有00Cr25Ni7Mo4N、00Cr25Ni7Mo3.5WcuN和00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN等。,双相不锈钢的耐蚀性 与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢具有强度高,对晶间腐蚀不敏感和较好的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的能力,其中优良的耐应力腐蚀是开发这种钢的主要目的,(1)耐应力腐蚀性能 双相不锈钢的屈服强度比18-8钢高,即产生表面滑移所需的应力水平较高,在相同的腐蚀环境中,由于双相不锈钢表面膜因表面滑移而破坏的应力较大,即应力腐蚀裂纹难以形成。 双相不锈钢一般含有较高Cr、Mo元素,加入这些元素可延长孔蚀的孕育期,使不锈钢具有较好的耐点腐蚀性能,不会由于点腐蚀而发展成为应力腐蚀;而18-8钢中不含Mo或Mo很少,Cr含量也不高,所以耐点腐蚀能力较差,由点腐蚀扩展成孔蚀,成为应力腐蚀的起始点而导致应力腐蚀裂纹的延伸。 双相不锈钢的两个相的腐蚀电极电位不同,裂纹在不同相中和在相界的扩展机制不同,其中有对裂纹扩展起阻止作用的阶段,此时应力腐蚀裂纹发展极慢。 双相不锈钢中,第二相的存在对裂纹扩展起机械屏障作用,延长了裂纹的扩展期。两个相的晶格取向差异,使扩展中的裂纹频繁改变方向,从而大大延长了应力腐蚀裂纹的扩展期。,(2)耐晶间腐蚀性能 双相不锈钢与奥氏体钢一样也会发生晶间腐蚀,与贫铬有关,只是发生晶间腐蚀的情况不同。如00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈钢在650850敏化加热处理不会出现晶间腐蚀。 当加热到12001400时,空冷时有轻微的晶间腐蚀倾向,这是由于加热到1200以上时,铁素体晶粒急剧长大,奥氏体数量随加热温度的升高而迅速减少。到1300以上温度时,只有单一的铁素体组织且为过热的粗大晶粒,水冷后,粗大的铁素体晶粒被保留下来,在-相界易析出铬的氮化物,如Cr2N等,在其周围形成贫铬层,导致晶间腐蚀。 (3)耐点蚀性能 双相不锈钢含有Cr、Mo、N等元素,明显地降低点蚀率,尤其N的作用更为明显。增大焊接热输入,可提高HAZ中的相数量,也有利于提高耐点蚀性能。,4.5.2 奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接性分析,与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢焊后具有较低的热裂倾向;与铁素体不锈钢相比,焊后具有较低的脆化倾向,且HAZ粗化程度也较低,因而具有良好的焊接性。 双相不锈钢中因有较大比例铁素体,而铁素体钢所固有的脆化倾向,如475脆性,相析出脆化和粗晶脆化依然存在,只是因奥氏体的平衡作用有一定缓解。 选用合适的焊材不会发生焊接热裂纹和冷裂纹; 双相不锈钢焊接的特点是:无论焊缝或HAZ都有相变发生。因此,关键是要使焊缝金属和HAZ保持有适量的铁素体和奥氏体的组织。,1双相不锈钢焊接的冶金特性,(1) 焊缝金属的组织转变 所有双相不锈钢液相凝固后是铁素体组织,在更低的温度下部分铁素体转变成奥氏体,形成奥氏体铁素体双相组织。 同样成分的焊缝和母材,焊缝中相的要比母材少得多。例如,采用同质焊丝焊接Cr22Ni5Mo3N,焊缝中相只有30%左右,而母材原始相为50%。 焊缝中Ni含量提高到7.0%8.5%,可保证焊缝中相达到40%60%。所以对于双相钢焊缝应当用奥氏体元素(Ni、N)进行“超合金化”,以保证焊缝中/有适当的相比例。 焊后短时固溶处理可增多一些相,这是由于未能充分转变的可再进行转变。多层焊接热循环、焊后缓冷也会起到一些改善效果。,(2) 焊接HAZ的组织转变特点,焊接加热过程,使得整个HAZ受到不同峰值温度的作用。最高温度接近钢的固相线(约1410)。但只有在加热温度超过原固溶处理温度,才会发生组织变化。 峰值低于固溶处理温度的加热区,无显著的组织变化,相虽有增多,但与两相比例变化不大。通常下也不会有析出相,如相。 超过固溶处理温度,发生晶粒长大,相明显减少,但仍保持扎制条状组织。 紧邻熔合区的加热区,全部溶入中,成为粗大的单相等轴组织。这种相在冷却时转变成相,但无扎制方向而呈羽毛状。焊接冷却造成不平衡相变,室温所得到的相数量在近缝区具有低值。,2双相不锈钢焊接接头的析出特点,双相不锈钢焊接时,有可能发生三种类型的析出,即铬的氮化物(如Cr2N、CrN)、二次奥氏体(2)及金属间相(如相等)。 当焊缝过多或为纯铁素体组织时,容易有氮化物的析出,这与在高温时,N在铁素体中的溶解度高、快速冷时溶解度下降有关。 焊缝若是两相组织,氮化物析出量很少。因此,为了增加焊缝的,可在填充金属中提高Ni、N含量。 采用大的热输入,可防止铁素体晶粒生长而引起的氮化物析出。当HAZ /比例失调,致使增多而减少,出现-相界时,在相界上有析出相,如Cr2N、CrN以及Cr23C6等,也可能出现相。,N含量高的超级双相不锈钢多层焊时会出现二次奥氏体析出。特别是前道焊缝采用低热输入而后续焊缝采用大热输入时,部分铁素体会转变成细小分散的二次奥氏体2,这种2也和氮化物一样会降低焊缝的耐腐蚀性。 采用较高的热输入和较低的冷却速度有利于转变,减少焊缝金属的量,但热输入过高或冷速过慢又会带来金属间相的析出。通常双相不锈钢焊缝金属不会有相析出,但焊材或热输入不合理时,有可能出现相。,4.5.4 A-F双相不锈钢的焊接工艺特点,(1)焊接方法 氩弧焊、SMAW、药芯焊丝MAG、SAW用于厚板 (2)焊接材料 采用奥氏体化元素多的焊材 采用奥氏体相占比例大的焊接材料,来提高焊接金属中奥氏体相的比例,对提高焊缝金属的塑性、韧性和耐蚀性均是有益的。 对于含氮的双相不锈钢和超级双相不锈钢的焊接材料,采用比母材Ni含量高的焊材,以保证焊缝金属有足够的奥氏体量。通过调整焊缝化学成分,双相钢均能获得令人满意的焊接性。 (3) 焊接工艺措施 控制焊接热输入 采用多层多道焊 注意焊接顺序和工艺焊缝,本章小结,熟悉不锈钢和耐热钢的分类,如奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢
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