會計學(xué)1奧氏體不銹鋼的焊接會計學(xué)1奧氏體不銹鋼的焊接4.2奧氏體不銹鋼的焊接

奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種，在石油化工、食品機械、生物醫(yī)學(xué)、輕工等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，使用量約占不銹鋼總用量的70%以上。

奧氏體不銹鋼的類型：18-8、25-20、Cr-Mn-N鋼4.2.1奧氏體不銹鋼的焊接性分析

1.焊接接頭的耐蝕性

2.應(yīng)力腐蝕開裂3.焊接接頭的熱裂紋第1頁/共35頁4.2奧氏體不銹鋼的焊接奧

4.2.1奧氏體不銹鋼的焊接性分析

1.焊接接頭的耐蝕性

圖4-318-8不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕部位

1—HAZ敏化區(qū)腐蝕；2—焊縫晶間腐蝕；3—熔合區(qū)刀蝕焊接區(qū)晶間腐蝕第2頁/共35頁

(1)晶間腐蝕的特征焊縫晶間腐蝕

18-8鋼前道焊縫熱影響區(qū)達到敏化溫度(600~1000℃)區(qū)，晶界上易析出M23C6型碳化物，形成貧鉻晶粒邊界。這樣焊縫表面與腐蝕介質(zhì)接觸就會產(chǎn)生晶間腐蝕。熔合區(qū)“刀蝕”

γ晶界碳原子偏聚，同時γ晶界碳化物沉淀；在腐蝕介質(zhì)作用下，將從表面開始產(chǎn)生晶間腐蝕，直至形成刀狀腐蝕，刀蝕寬度與Cr23C6的比例有關(guān)。熱影響區(qū)敏化區(qū)腐蝕

18-8鋼當熱影響區(qū)加熱到600~1000℃，會出現(xiàn)敏化區(qū)腐蝕。含Ti或Nb的18-8Ti或18-8Nb，以及超低碳18-8鋼，不易有敏化區(qū)出現(xiàn)。第3頁/共35頁(1)晶間腐蝕的特征焊縫晶間腐蝕第3頁/共35頁

不銹鋼中的合金元素

Cr當量（Creq）和Ni當量（Nieq）計算奧氏體化元素(鎳當量Nieq)：C、N、Ni、Mn、Cu鐵素體化元素(鉻當量Creq)：Cr、Mo、Ti(Nb)、Si、Al舍弗勒（Schaeffler）組織圖中

Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb,%Nieq=Ni+30C+0.5Mn,%德龍（Delong）組織圖中

Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb,%Nieq=Ni+30C+30N+0.5Mn,%第4頁/共35頁不銹鋼中的合金元素

Cr當量

圖4-4舍夫勒（Schaeffler）焊縫組織圖第5頁/共35頁圖4-4舍夫勒（Schaeffler）焊縫組織圖第5

第6頁/共35頁第6頁/共35頁

(2)晶間腐蝕的原因貧Cr理論：不銹鋼耐蝕基本保證：Cr≥12%

無論整體或局部，若Cr<12%，腐蝕晶界處析出碳化鉻（Cr23C6），造成貧鉻的晶界，是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。影響因素：化學(xué)成分、腐蝕介質(zhì)、熱循環(huán)溫度及時間。第7頁/共35頁(2)晶間腐蝕的原因貧Cr理論：不銹鋼耐蝕基本保

第8頁/共35頁第8頁/共35頁

18-8鋼的晶間腐蝕敏感溫度-時間曲線18-8鋼在450~850℃停留一定時間，晶界處析出富鉻碳化物(M23C6型)，形成貧鉻區(qū)。在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)優(yōu)先腐蝕，即產(chǎn)生晶間腐蝕。受到晶間腐蝕的不銹鋼在表面上沒有明顯的變化，但在受力時會沿晶間斷裂。第9頁/共35頁

圖4-60Cr18Ni9鋼碳化物溶解曲線圖4-818-8Ti鋼HAZ碳化物分布第10頁/共35頁圖4-60Cr18Ni9鋼碳化物溶解曲線

(3)防止晶間腐蝕的措施1)選用超低碳或添加Ti、Nb等穩(wěn)定元素的不銹鋼焊接材料。要求：母材C<0.03%，焊絲C<0.02%2)使之形成（γ+δ）雙相組織，δ約5%；3)采用小熱輸入，減小敏化區(qū)停留時間；采用小電流、快速焊、短弧焊、不橫向擺動，焊縫強制冷卻，減小HAZ，控制層間溫度，后焊道在前焊道冷卻到60℃以下再焊；4)接觸腐蝕介質(zhì)面的焊縫最后焊接；5)焊后進行穩(wěn)定化處理，也就是在850~900℃短時加熱后空冷，可消除晶間腐蝕傾向

。第11頁/共35頁(3)防止晶間腐蝕的措施1)選用超低碳或添加Ti、N2.接頭區(qū)應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）應(yīng)力腐蝕開裂是奧氏體不銹鋼焊接接頭較嚴重的失效形式，是一種無塑性變形的脆性破壞。大多發(fā)生在焊縫表面，深入到焊縫內(nèi)部，尖部多分枝，穿過奧氏體晶粒，少量穿過晶界處的鐵素體晶粒。是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果。影響因素：①焊接區(qū)的殘余拉應(yīng)力②焊縫組織和碳化物析出③由于焊接結(jié)構(gòu)原因，在接頭區(qū)存在局部濃縮和沉積的介質(zhì)引起應(yīng)力腐蝕開裂須具備三個條件：

①金屬在該環(huán)境中具有應(yīng)力腐蝕開裂的傾向；

②由這種材質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)處于選擇性的腐蝕介質(zhì)中；

③有高于一定水平的拉應(yīng)力。第12頁/共35頁2.接頭區(qū)應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）應(yīng)力腐蝕開

圖4-1118-8鋼管C含量對焊接接頭SCC斷裂的影響超低碳有利于提高抗SCC性能第13頁/共35頁圖4-1118-8鋼管C含量對焊接接頭SCC斷裂的影

防止應(yīng)力腐蝕開裂的措施：①合理設(shè)計焊接接頭，避免腐蝕性介質(zhì)在接頭處聚集，減小應(yīng)力集中；②減少或消除焊接應(yīng)力，合理布置焊道順序，如采用分段退焊等。減小焊接接頭的拘束度，焊后進行消除應(yīng)力的退火處理。在難以實施焊后熱處理時，改變焊件的表面狀態(tài)，對腐蝕表面進行噴丸處理，使該區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，或?qū)γ艋砻孢M行拋光、電鍍或噴涂等，提高耐腐蝕性能。③合理選擇母材和焊接材料，采用超合金化的焊接材料，即焊縫金屬中的耐蝕合金元素（Cr、Mo、Ni等）含量高于母材。④采用熱量集中的焊接方法、小熱輸入、快速冷卻等，減少焊接區(qū)碳化物析出和避免接頭區(qū)過熱。保證焊接接頭部位光滑潔凈，焊接飛濺物、電弧擦傷等是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的起源，因此保證焊接接頭的外在質(zhì)量也是重要的。第14頁/共35頁防止應(yīng)力腐蝕開裂的措施：①合理設(shè)計焊接接頭，避免腐

3.焊接接頭的熱裂紋

（1）特征奧氏體鋼具有較高的熱裂紋敏感性，最常見的是焊縫橫（縱）向裂紋、弧坑裂紋、焊縫凝固裂紋，HAZ液化裂紋，厚大焊件中有時出現(xiàn)焊道下裂紋。

（2）產(chǎn)生原因①奧氏體鋼線膨脹系數(shù)大（是低碳鋼1.5倍），導(dǎo)熱系數(shù)?。ㄊ堑吞间?/3），焊接局部加熱和冷卻條件下，焊縫及熱影響區(qū)在高溫承受較大的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變；②合金組成復(fù)雜，焊縫結(jié)晶時，在凝固結(jié)晶過程的溫度范圍很大，一些低熔點雜質(zhì)元素偏析嚴重，并且在晶界聚集；③焊縫方向性很強，在凝固結(jié)晶后期以液態(tài)夾層存在于柱狀晶粒之間，在一定的拉應(yīng)力作用下起裂、擴展形成晶間開裂。④焊接區(qū)較大的焊接應(yīng)力是形成焊接熱裂紋的必要條件。

第15頁/共35頁3.焊接接頭的熱裂紋

奧氏體化元素對熱裂紋的影響第16頁/共35頁奧氏體化元素對熱裂紋的影響第16頁/共35頁

鐵素體化元素對熱裂紋的影響第17頁/共35頁鐵素體化元素對熱裂紋的影響第17頁/共(3)凝固模式對熱裂紋的影響

圖4-13δ鐵素體含量對熱裂傾向的影響

TCL—裂紋總長BTR—脆性溫度區(qū)間第18頁/共35頁(3)凝固模式對熱裂紋的影響

圖4-13δ鐵(3)凝固模式對熱裂紋的影響凝固裂紋易產(chǎn)生于單相γ組織的焊縫中，如果為γ＋δ雙相組織，則不易于產(chǎn)生凝固裂紋。通常用室溫下焊縫中δ相數(shù)量來判斷熱裂傾向。室溫δ量由0%增至100%，熱裂傾向與脆性溫度區(qū)（BTR）大小完全對應(yīng)。圖4-13δ鐵素體含量對熱裂傾向的影響

TCL—裂紋總長BTR—脆性溫度區(qū)間第19頁/共35頁(3)凝固模式對熱裂紋的影響凝固裂紋易產(chǎn)生于單相

凝固裂紋與凝固模式的關(guān)系凝固模式：以何種初生相（γ或δ）開始結(jié)晶，以何種相完成凝固過程。四種凝固模式（圖4-14）①合金，以δ相完成整個凝固過程，凝固模式以F表示；②合金初生相δ，超過A、B面后又依次發(fā)生包晶和共晶反應(yīng)，即

L+δ→L+δ+γ→δ+γ，凝固模式以FA表示；③合金初生相γ，超過AC面后發(fā)生包晶和共晶反應(yīng)，即

L+γ→L+γ+δ→γ+δ，凝固模式以AF表示；④合金初生相γ，直到凝固結(jié)束不再發(fā)生變化，用A表示。Fe-Cr-Ni二元合金相圖第20頁/共35頁凝固裂紋與凝固模式的關(guān)系凝固模式：以何種初生相（γ或δ）根據(jù)晶粒潤濕理論，偏析液膜能夠潤濕γ-γ、δ-δ界面，不能潤濕γ-δ異相界面。以FA模式形成的δ鐵素體呈蠕蟲狀，防礙γ枝晶發(fā)展，構(gòu)成的γ-δ界面，不會有熱裂傾向。單純F或A模式凝固時，只有γ-γ或δ-δ界面，所以有熱裂傾向。以AF模式凝固時，由于是通過包晶/共晶反應(yīng)形成γ+δ，這種共晶δ不足以構(gòu)成理想的γ-δ界面，仍可呈現(xiàn)液膜潤濕現(xiàn)象，還會有一定的熱裂傾向。第21頁/共35頁根據(jù)晶粒潤濕理論，偏析液膜能夠潤濕γ-γ、δ-δ界面，不能潤AF與FA的分界具有重要意義圖4-16WRC-1992焊縫組織圖(適用范圍：Mn≤10%,Mo≤3%,Si≤1%,N≤0.2%)

按焊縫組織圖Creq、Nieq的計算，AF與FA界線相當Creq/Nieq≈1.5，有熱裂傾向。將這一界線標于組織圖上，可將防止熱裂所需室溫δ量與凝固模式AF/FA界線聯(lián)系起來。

第22頁/共35頁AF與FA的分界具有重要意義HAZ熱裂紋與Creq/Nieq的關(guān)系按舍夫勒圖計算，在Creq/Nieq＜1.5時，雜質(zhì)P+S＜0.01%，方可保證不產(chǎn)生熱裂紋。易產(chǎn)生液化裂紋的部位是過熱區(qū)（1300～1450℃），該區(qū)易出現(xiàn)偏析液膜。18-8鋼，Creq/Nieq處于1.5～2.0，一般不會發(fā)生熱裂；25-20鋼，Creq/Nieq＜1.5，Ni含量越高，其比值越小，所以具有明顯的熱裂敏感性。圖4-17

Creq/Nieq對HAZ熱裂紋的影響第23頁/共35頁HAZ熱裂紋與Creq/Nieq的關(guān)系按舍夫勒圖計算，在Cr

（4）熱裂紋防止措施1)正確選用焊材用低氫型焊條可以使焊縫晶粒細化，減少雜質(zhì)偏析，提高抗裂性，但降低耐蝕性。用酸性焊條，氧化性強，合金元素?zé)龘p嚴重，抗裂性差，晶粒粗大，容易產(chǎn)生熱裂紋；2)減少焊縫金屬中Ni、C、S和P含量，增加Cr、Mo、Si及Mn等元素含量，可以減少熱裂紋。為了獲得雙相組織，一般Cr、Ni含量的比例為Cr/Ni=2.2~2.3，Ni含量過高，易產(chǎn)生熱裂紋；3)控制焊縫金屬的組織焊縫組織為γ+δ組織時，晶界處不易產(chǎn)生低熔點雜質(zhì)偏析，可以減少熱裂紋。但δ<5%，否則會造成σ相脆化；4)控制工藝參數(shù)采用小熱輸入，即小電流、快速焊，減少熔池過熱，避免形成粗大柱狀晶。采用快冷，減少偏析，提高抗裂性。要控制層間溫度，后道焊縫要在前焊道冷卻到60℃以下再施焊。第24頁/共35頁（4）熱裂紋防止措施1)正確選用焊材用低氫型

防止熱裂（小結(jié)）

針對18-8鋼（Ni<10-15%）

1）降低S、P2）使焊縫成為（γ+δ）雙相組織，δ相約5%針對25-20鋼（Ni>20%）

1）降低S、P，采用堿性渣

2）使焊縫成為雙相組織，（γ+C1）

3）加Mn4-6%，Mo2-5%，Nb1.5-2%第25頁/共35頁防止熱裂（小結(jié)）針對18-8鋼（Ni<10-15%

4.2.2焊接方法和焊接材料

（1）焊接方法許多熔焊方法都可以用于奧氏體不銹鋼的焊接。但從經(jīng)濟性、技術(shù)性等方面考慮，常采用SMAW、TIG、SAW、PAW等。選擇焊接方法須考慮到質(zhì)量、效率、成本及自動化程度等因素，以獲得最大的綜合效益。例如，焊接不銹鋼薄板時，選用TIG焊比較合適；焊接不銹鋼中、厚板，宜選用MIG或SAW，但應(yīng)考慮施工條件及焊縫位置。平直焊縫，板厚大于6mm時，可采用焊劑墊或陶瓷襯墊單面焊雙面成形，不僅背面無需清根，還可節(jié)約焊接材料，提高生產(chǎn)效率。

第26頁/共35頁4.2.2焊接方法和焊接材料

表7.9焊接方法對不同類型不銹鋼的適用性第27頁/共35頁表7.9焊接方法對不同類型不銹鋼(2)焊接材料

奧氏體不銹鋼焊接通常采用與母材化學(xué)成分相似的焊接材料，即要求按“等成分原則”選擇焊材，以滿足奧氏體不銹鋼接頭的耐蝕性等使用性能要求。填充金屬的選擇主要考慮所獲得的熔敷金屬的顯微組織，焊縫中的主要組成相是奧氏體（γ相）、鐵素體（δ相）和碳化物?？刂坪缚p中鐵素體（δ相）的比例。第28頁/共35頁(2)焊接材料奧氏體不銹鋼焊接通常采用與母材化學(xué)成

表7.11常用奧氏體不銹鋼焊接材料的選用

第29頁/共35頁表7.11常用奧氏體不銹鋼焊接材料的選用

圖4-18焊縫組織圖上不同焊材的成分范圍焊條E308（18-8），實際成分可能是A、B、D成分。用于焊接18-8鋼，希望為FA凝固模式，即應(yīng)處于aaˊ線右下側(cè)。A成分已在aaˊ線以上，有熱裂傾向，耐晶間腐蝕性能也將下降。E308（18-8）E316（17-12Mo）E309（23-13）E310（25-20）E312（23-13Mo）第30頁/共35頁圖4-18

4.2.3奧氏體不銹鋼焊接工藝要點1.一般特點

1）選熱量集中，加熱-冷卻快的焊接方法；

2）I焊比低碳鋼時小10-20%，短弧、不擺動；

3）盡量機械化