1、4-5 奧氏體不銹鋼的焊接,不銹鋼是指能耐空氣、水、酸、堿、鹽及其溶液和其他腐蝕介質(zhì)腐蝕的、具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼的總稱。 不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和不銹耐酸蝕鋼的總稱。 在空氣或弱介質(zhì)中能抵抗侵蝕的鋼稱為不銹鋼； 在某些強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中能抵抗侵蝕的鋼稱為不銹耐酸蝕鋼。 不銹鋼不一定能耐（酸）腐蝕，而耐蝕鋼一定具有良好的耐蝕性。,一、奧氏體不銹鋼的分類及性能,（一）不銹鋼的分類 1、按其合金元素的特點(diǎn)分，可劃分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼。 2、按其正火狀態(tài)下鋼的組織狀態(tài)分，可劃分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和奧氏體-鐵素體型不銹鋼。 （1）馬氏體不銹鋼 室溫組織為馬氏體,鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高

2、(13%17%),碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高(0.1%1.1%)。馬氏體不銹鋼具有一定的淬硬性、耐酸腐蝕性和較好的熱穩(wěn)定性及熱強(qiáng)性。 主要用于力學(xué)性能要求較高、且在弱腐蝕介質(zhì)中工作的零件和工具，也可作為溫度在700以下長期工作的耐熱鋼使用，如汽輪機(jī)的葉片、內(nèi)燃機(jī)排氣閥和醫(yī)療器械等。 這類鋼的焊接性較差，其典型牌號(hào)的鋼板有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。,（2）鐵素體不銹鋼 室溫組織為鐵素體 鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(13%30%)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(低于15%)。此類鋼的耐酸能力強(qiáng)；加入鉬后，則可以提高耐酸腐蝕性和抗應(yīng)力腐蝕的能力。此外，還有很好的抗氧化能力，強(qiáng)度低，塑性好， 主要用于制作化

3、工設(shè)備中的容器、管道等，廣泛用于硝酸、氮肥工業(yè)中。 典型牌號(hào)的鋼板有00Cr17Mo、00Cr30Mo2 、00Cr12、1Cr17、1Cr17Mo等。,根據(jù)其C和N的總含量分，鐵素體不銹鋼分為普通純度鐵素體不銹鋼和超高純度鐵素體不銹鋼兩種。 （1）普通純度鐵素體不銹鋼 其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc為0.1左右，并含有少量的氮，其典型的牌號(hào)為1Cr17Mo等。與奧氏體不銹鋼相比，缺點(diǎn)是材質(zhì)較脆，焊接性較差。其主要原因是其中碳和氮的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、在高溫加熱條件下造成鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。,（2）超高純度鐵素體不銹鋼 通過真空或保護(hù)氣體精煉技術(shù)煉出超低碳和超低氮含量（C和N總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0250.035）

4、的超高純度鐵素體不銹鋼，其典型牌號(hào)有00Cr18Mo2和00Cr27Mo等。這類鋼不論在韌性、耐蝕性還是焊接性等方面均優(yōu)于普通純度的鐵素體不銹鋼，并得到了廣泛的應(yīng)用。,（3）奧氏體不銹鋼 室溫組織為奧氏體 它是在高鉻不銹鋼中加入適當(dāng)?shù)逆嚕ㄦ嚨馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)WNi為825）而形成的。其主要合金元素是鉻、鎳。 奧氏體不銹鋼屬于耐蝕鋼，它有更優(yōu)良的耐腐蝕性，強(qiáng)度較低，而塑性、韌性極好，焊接性能良好。是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的不銹鋼。 主要用作化工容器、設(shè)備和零件等。,典型牌號(hào)的鋼板0Cr18Ni9,00Cr19Ni10， 1Cr18Ni9,1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni10Ti，18Ni11Nb, 1

5、Cr18Ni12,0Cr18Ni12Mo2Ti， 0Cr25Ni20,0Cr23Ni13等。 （4）奧氏體-鐵素體不銹鋼 室溫組織為奧氏體+鐵素體 與含碳量相同的奧氏體不銹鋼相比，具有較小的晶間腐蝕傾向和較高的力學(xué)性能，且韌性比鐵素體不銹鋼好。同時(shí)，由于少量鐵素體的存在，還有利于奧氏體不銹鋼,在焊接過程中防止熱裂紋的形成。 當(dāng)鐵素體的體積分?jǐn)?shù)在3060時(shí)，不銹鋼具有特殊的抗點(diǎn)蝕、抗應(yīng)力腐蝕的性能，如00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr26Ni5Mo2等牌號(hào)，這類鋼的屈服點(diǎn)約為一般奧氏體不銹鋼的兩倍。 主要廣泛應(yīng)用于化肥廠和化工廠等設(shè)備裝置，其機(jī)械加工、冷沖壓和焊接性能良好，且具有較好的耐蝕性

6、能。,（5）沉淀硬度不銹鋼 沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨(dú)或復(fù)合添加硬化元素，通過適當(dāng)熱處理獲得高強(qiáng)度、高韌性并具有良好耐蝕性能的一類不銹鋼。 典型材料有馬氏體沉淀硬化不銹鋼（17-4PH）0Cr17Ni4Cu4，半奧氏體沉淀硬化鋼(17-7PH)0Cr17Ni7Al。 通常作為耐磨、耐蝕、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，如軸、齒輪、彈簧、閥等零件以及高強(qiáng)度壓力容器、化工處理設(shè)備和航空航天設(shè)備等。,（二）不銹鋼的性能 1.不銹鋼的物理性能 與焊接有關(guān)的物理性能主要有： （1）不銹鋼的熱導(dǎo)率低于碳鋼，尤其是奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率，約為碳鋼的1/3。 （2）不銹鋼的電阻率高，尤其是奧氏體不銹鋼的電阻率，約為碳鋼的5倍

7、。 （3）奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)比碳鋼約大 50，馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的線膨脹系數(shù)大體上與碳鋼相等。,（4）奧氏體不銹鋼的密度大于碳鋼，馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的密度稍小于碳鋼。 （5）奧氏體不銹鋼沒有磁性，馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼有磁性。 2.不銹鋼的耐腐蝕性能 金屬受腐蝕介質(zhì)的化學(xué)及電化學(xué)作用而損壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。 不銹鋼的腐蝕形式有均勻腐蝕（整體腐蝕）、晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。,（1）均勻腐蝕 接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象，稱為均勻腐蝕，也稱整體腐蝕。它是一種表面腐蝕。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，它的均勻腐蝕量并不大。 （2）晶間腐蝕 在腐蝕介質(zhì)作

8、用下，起源于金屬表面的晶界，沿晶粒邊界深入金屬內(nèi)部，產(chǎn)生在晶粒之間的一種腐蝕，稱晶間腐蝕。, 產(chǎn)生晶間腐蝕的機(jī)理 晶粒邊界的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至12%以下，即在晶間形成鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%的貧鉻區(qū)，因此晶間在腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生腐蝕。產(chǎn)生晶間貧鉻的原因是:奧氏體鋼在固溶狀態(tài)下碳以過飽和形式溶解于固溶體中，加熱時(shí)過飽和的碳以Cr23C6的形式沿晶界析出。Cr23C6的析出消耗了大量的鉻，因而使晶界附近Cr降到低于鈍化所需的最低量12%，形成了貧鉻層。貧鉻層的電極電位比晶粒內(nèi)低得多。當(dāng)金屬與腐蝕介質(zhì),接觸時(shí)，就形成了微電池電極電位低的晶界成為陽極，被腐蝕溶解形成晶間腐蝕。,圖4-5-1 晶間腐蝕貧鉻理

9、論示意圖, 防止晶間腐蝕的主要措施： （1）采用超低碳不銹鋼 （2）采用雙相組織 （3）添加穩(wěn)定劑 （4）進(jìn)行固溶處理 （5）進(jìn)行均勻化處理 防止晶間腐蝕的工藝措施： （1）選擇合適的焊接方法 即熱輸入最小，讓焊接接頭盡可能地縮短在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間；,（2）焊接參數(shù)應(yīng)在保證焊縫質(zhì)量的前提下，采用小的焊接電流、最快的焊接速度； （3）在操作上盡量采用窄焊縫，多道多層焊，焊條或焊絲不擺動(dòng)；并注意每焊完一道焊縫后，要等焊接處冷卻至室溫再進(jìn)行下一道焊縫的焊接。 （4）強(qiáng)制焊接區(qū)的快速冷卻； （5）焊后進(jìn)行固溶處理或穩(wěn)定化處。,（3）點(diǎn)腐蝕 又稱點(diǎn)蝕。它是指不銹鋼表面產(chǎn)生的尺寸約小于1.0mm的穿孔

10、性或蝕坑性的宏觀腐蝕。 主要是由材料表面鈍化膜的局部破壞所引起的，經(jīng)試驗(yàn)研究表明，材料的陽極電位值越高，抗點(diǎn)蝕能力越好。其中，超低碳高鉻鎳含鉬奧氏體不銹鋼和超高純度含鉬高鉻鐵素體不銹鋼均有較高的耐點(diǎn)蝕性能。,（4）縫隙腐蝕 縫隙腐蝕是金屬構(gòu)件縫隙處發(fā)生的斑點(diǎn)狀或潰瘍形宏觀蝕坑，常發(fā)生在墊圈、鉚接、螺釘連接縫、搭接的焊接接頭等部位。主要是由介質(zhì)的電化學(xué)不均勻性引起的。 適當(dāng)加入鉻、鉬含量可以改善抗縫隙腐蝕的能力。實(shí)際上只有采用鈦、高鉬鎳基合金和銅合金等才能有效地防止縫隙腐蝕的發(fā)生。,（5）應(yīng)力腐蝕 它是指在靜拉伸應(yīng)力和電化學(xué)腐蝕介質(zhì)共同作用下，因陽極溶解過程引起的腐蝕斷裂。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的影響

11、因素： （1）應(yīng)力性質(zhì)、大小及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 （2）鋼的成分和組織狀態(tài)。 （3）腐蝕介質(zhì)的種類、溫度、濃度等。 防止應(yīng)力腐蝕的措施： （1）正確的選用材料,（2）消除殘余應(yīng)力 （3）對(duì)材料進(jìn)行防腐措施 （4）改進(jìn)部件結(jié)構(gòu)及接頭設(shè)計(jì),奧氏體不銹鋼焊接時(shí)存在的主要問題是： （1）焊縫及熱影響區(qū)熱裂紋敏感性大； （2）接頭產(chǎn)生碳化鉻沉淀析出，耐蝕性下降； （3）接頭中鐵素體含量高時(shí)，可能出現(xiàn)475脆化或相脆化。,二、奧氏體不銹鋼的焊接性,（一）焊接接頭的抗腐蝕性 奧氏體不銹鋼焊接容易造成降低焊接接頭抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力。 1.晶間腐蝕 （1）焊縫的晶間腐蝕 多層多道焊時(shí)，前面已焊焊縫處于敏化溫度區(qū)時(shí)

12、，會(huì)產(chǎn)生貧鉻。使用時(shí)接觸腐蝕介質(zhì)，就會(huì)發(fā)生晶間腐蝕。防止焊縫晶間腐蝕，可選用含鈦或鈮穩(wěn)定劑的奧氏體不銹鋼焊接材料，也可選用超低碳焊接材料,材料，還可以選用焊縫有少量鐵素體組織的焊接材料和熔合比。,0Cr18Ni9不銹鋼晶間腐蝕,圖4-5-2奧氏體不銹鋼接頭的晶間腐蝕,a-焊縫晶間腐蝕；b-敏化區(qū)腐蝕；c-刀狀腐蝕,（2）熱影響區(qū)的敏化溫度區(qū)的晶間腐蝕 由于焊接熱循環(huán)的加熱速度和冷卻速度都非?？?，因此焊接熱影響區(qū)的敏化溫度區(qū)略高于熱處理敏化溫度區(qū)，在6001000范圍內(nèi)。 防止熱影響區(qū)晶間腐蝕的措施：選用含鈦或鈮的奧氏體不銹鋼母材；在焊接工藝上選用小熱輸入焊接、快速冷卻的焊接工藝等；以減少在敏化

13、溫度區(qū)范圍的停留時(shí)間，減少晶界Cr23C6產(chǎn)生。,奧氏體不銹鋼在加熱到400800時(shí)，對(duì)晶間腐蝕最為敏感，此溫度區(qū)間稱敏化溫度區(qū)。 當(dāng)溫度低于400是，碳原子的活動(dòng)能力很弱，Cr23C6析出困難而不會(huì)形成貧鉻層； 當(dāng)溫度高于800是，晶粒內(nèi)部的鉻獲得了足夠的動(dòng)能，擴(kuò)散到晶界，從而使已形成的貧鉻區(qū)消失。,當(dāng)溫度在400-800之間，既有利于Cr23C6的析出，晶內(nèi)的鉻原子又不能擴(kuò)散到晶界，最容易形成貧鉻層，對(duì)晶間腐蝕也最敏感。 如果在400800溫度區(qū)間加熱足夠長的時(shí)間，晶內(nèi)的鉻原子也可以擴(kuò)散到晶界使貧鉻層消失。,18-8型奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感區(qū)溫度與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線,（3）熔合線和過熱區(qū)的

14、“刀蝕” 使用時(shí)，在一定的腐蝕介質(zhì)作用下，將從表面開始產(chǎn)生晶間腐蝕，直至形成刀狀腐蝕的破壞，簡稱“刀蝕”。 防止“刀蝕”的措施： 選用超低碳奧氏體不銹鋼母材，對(duì)于穩(wěn)定化不銹鋼，要求Wc0.06%。 減少近縫區(qū)過熱，盡量選用小的線能量，以減小過熱區(qū)在高溫停留的時(shí)間。, 合理安排焊接順序 刀口腐蝕不僅產(chǎn)生于焊后在敏化溫度再熱時(shí)，而在多層焊與雙面焊時(shí)后一焊縫的熱作用，有可能對(duì)先焊焊縫的過熱區(qū)起到敏化溫度加熱作用，在于腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)也會(huì)產(chǎn)生刀口腐蝕。 焊后進(jìn)行穩(wěn)定化處理 使過熱區(qū)的碳與穩(wěn)定劑結(jié)合為穩(wěn)定的碳化物，從而不會(huì)再以Cr23C6的形式析出。,1Cr18Ni2Mo2Ti不銹鋼焊接接頭的刀狀腐蝕,2

15、.應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力腐蝕的最大特點(diǎn)之一是腐蝕介質(zhì)與材料的組合上有選擇性。 防止應(yīng)力腐蝕的措施 （1）正確的選用材料 （2）合理地設(shè)計(jì)焊接接頭，避免腐蝕介質(zhì)在焊接接頭部位聚集，降低或消除焊接接頭應(yīng)力集中。 （3）消除或降低焊接接頭的殘余應(yīng)力。,不銹鋼焊接接頭表面的應(yīng)力腐蝕,消除焊接殘余應(yīng)力的焊后熱處理，以及焊接工藝上采取措施減小殘余應(yīng)力。,（二）熱裂紋 奧氏體不銹鋼鋼焊接時(shí)比較容易產(chǎn)生的裂紋是熱裂紋。奧氏體不銹鋼焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的原因：一是單相奧氏體焊縫易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶組織，硫、磷、鎳、碳等元素形成的低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)偏析嚴(yán)重，形成晶間液態(tài)夾層；不銹鋼的液相線與固相線距離較大，結(jié)晶時(shí)間較長，也是低

16、熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析嚴(yán)重。二是不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)致焊接應(yīng)力比較,大，熱裂紋的產(chǎn)生主要有兩種形式，分別為結(jié)晶裂紋和液化裂紋。 防止熱裂紋的措施： （1）嚴(yán)格限制焊縫中硫、磷等雜質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以減少低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)。 （2）選用堿性焊條和焊劑，以降低焊縫中的雜質(zhì)含量，改善偏析程度。 （3）控制焊接電流和電弧電壓大小，適當(dāng)提高焊縫形狀系數(shù)；采用多層多道焊，避免中心線偏析，可防止中心線裂紋。,（4）采用小熱輸入，小電流快速不擺動(dòng)焊，可減小焊接應(yīng)力。 （5）填滿弧坑，可防止弧坑裂紋。 （6）選用雙相組織焊條，使焊縫形成奧氏體及少量鐵素體的雙相組織，以細(xì)化晶粒，打亂柱狀晶方向，減小偏析嚴(yán)重程度。

17、,（三）焊接接頭的脆化 奧氏體不銹鋼的焊縫在高溫加熱一段時(shí)間后，常出現(xiàn)沖擊韌度下降的現(xiàn)象，稱為脆化。 奧氏體不銹鋼焊接接頭的脆化主要是由475脆性、相脆性和熔合線脆性造成的。 （1）475脆化 含有較多鐵素體相在15%20%的雙相焊縫組織，經(jīng)過350500加熱后，塑性和韌性會(huì)顯著下降，由于475時(shí)脆化速度最快，,故稱475脆化。鐵素體相越多，脆化就越嚴(yán)重。已產(chǎn)生的475脆化的焊縫，可經(jīng)900淬火消除。 （2）相脆化 奧氏體不銹鋼焊接接頭在375875溫度內(nèi)長期使用，會(huì)產(chǎn)生一種FeCr金屬間化合物，稱為相，相硬而脆。由于相析出的結(jié)果，使焊縫沖擊韌度下降，這種現(xiàn)象稱為相脆化?？傊乐?75脆化和

18、相脆化的主要措施是控制鐵素體含量小于5%的范圍。,（3）熔合線脆化 奧氏體不銹鋼在高溫下長期使用，在沿熔合線外幾個(gè)晶粒的地方，會(huì)發(fā)生脆化現(xiàn)象，稱為熔合線脆斷。在鋼中加入鉬能提高鋼材抗高溫脆斷的能力。,（一）奧氏體不銹鋼焊接工藝特點(diǎn) 1.采用小熱輸入，小電流快速焊 焊條不應(yīng)作橫向擺動(dòng)，焊道宜窄不宜寬，最好不超過焊條直徑的3倍。小熱輸入即熱輸入小，焊接應(yīng)力就小，焊接變形也就小。此外，焊接電流小，可防止奧氏體不銹鋼焊條藥皮發(fā)紅和開裂，保證焊條藥皮的機(jī)械保護(hù)作用。,三、奧氏體的焊接,2.要快速冷卻 焊后可采取強(qiáng)制冷卻措施，以減小在敏化溫度區(qū)的停留時(shí)間，防止晶間腐蝕。 3.不進(jìn)行預(yù)熱和后熱工藝 奧氏體不

19、銹鋼焊接時(shí)，不能采取預(yù)熱和后熱工藝措施，防止降低焊后冷卻速度。多層多道焊時(shí)，各道間溫度應(yīng)低于60。 4.不銹鋼焊后熱處理 奧氏體不銹鋼制壓力容器焊接時(shí)，一般不進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力的焊后熱處理。,5.采用適當(dāng)?shù)暮负筇幚?為增加奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性，焊后應(yīng)進(jìn)行表面處理。處理的方法有表面拋光和表面鈍化處理兩種。 （1）表面拋光 （2）表面鈍化處理 鈍化處理是在不銹鋼表面形成一層氧化膜，起保護(hù)作用。鈍化處理的流程為：表面清理和修補(bǔ)-酸洗-水洗和中和-鈍化-水洗和吹干。, 表面清理和修補(bǔ) 把表面損傷的地方修補(bǔ)好，用手提砂輪磨光，把飛濺物清除干凈，也必須磨光。 酸洗 目的是去除經(jīng)熱加工和焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生

20、的氧化皮，這層氧化皮不能抗氧化、耐腐蝕。酸洗常用酸液酸洗和酸膏酸洗兩種方法。酸液酸洗又有浸洗和刷洗兩種。 鈍化,處理方法是將鈍化液在表面擦一遍，停留1h，然后用冷水沖，用布仔細(xì)擦洗，最后用熱水沖洗干凈，并將其吹干。經(jīng)鈍化處理后的不銹鋼，外表呈白色，具有較高的耐腐蝕性。 （二）奧氏體不銹鋼焊接方法的選用 奧氏體不銹鋼可以采用所有的熔焊方法，最好采用焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊、等離子弧焊等進(jìn)行焊接。,1.焊條電弧焊 焊條電弧焊是奧氏體不銹鋼最常用的焊接方法。 （1）奧氏體不銹鋼焊條的選用 奧氏體不銹鋼焊條的選用，應(yīng)根據(jù)母材的化學(xué)成分，選用化學(xué)成分類型相同的奧氏體不銹鋼焊條，焊

21、條含碳量不高于母材，鉻鎳含量不低于母材。常用奧氏體不銹鋼焊條選用示例見教材213頁表4-5-1。,奧氏體不銹鋼焊條的藥皮通常有鈦鈣型和低氫型兩種。 （2）焊接工藝參數(shù)的選擇 奧氏體不銹鋼焊接，采用小熱輸入，小電流短弧快速焊，采用多層多道焊時(shí)，要控制道間溫度，要冷卻到60左右（手能摸了）再焊下一道。,2.氬弧焊 （1）鎢極氬弧焊 適用于厚度不超過8mm的板結(jié)構(gòu)，特別適宜于厚度3mm以下的薄板，直徑60mm以下的管子以及厚件單面焊的打底焊。 表4-5-2是手工鎢極氬弧焊焊接薄板工藝參數(shù)示例。 表4-5-3是鎢極氬弧焊打底焊的工藝參數(shù)示例。,表4-5-1 手工TIG焊焊接薄板工藝參數(shù)示例,表4-5-