耐熱不銹鋼焊接缺陷產生的原因及防治措施

摘 要：根據耐熱不銹鋼的化學成分組成，分析了焊接過程中產生裂紋的主要原因，提出了具體的工藝措施，從而改善焊縫的質量，獲得優質的焊接接頭。

關鍵詞：耐熱不銹鋼；化學組成；焊接裂紋；防治措施

前言

生產中工作溫度比珠光體耐熱鋼的高時，主要采用Cr-Ni系的不銹鋼，包括Cr不銹鋼和Cr-Ni不銹鋼。從組織上講，包括鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼，還有不銹鑄鋼。表1中列出了各種耐熱不銹鋼的物理性能。與奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼或馬氏體不銹鋼的平均線膨脹系數較小，而熱導率稍高，有利于降低熱應力。即鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的熱應力比奧氏體不銹鋼小。

這類不銹鋼在石油化學工業的裂解裝置、脫硫裝置、反應塔、熱交換器及其管道中使用較多，在原子能發電的輕水反應器內壁堆焊或管道等也大量應用。

1 耐熱不銹鋼的化學成分

耐熱不銹鋼中通常含有鉻、鉬、硅、鋁、鎳的合金，其中鉻是最主要的抗氧化性元素。與不銹鋼相比，耐熱不銹鋼中不僅增加了鋁和硅的含量，還增加了碳的含量，使該類鋼具有強的高溫抗拉強度、高溫抗蠕變性能、高溫耐蝕性。其中奧氏體耐熱不銹鋼是應用比較廣泛的一類鋼，具有強的熱穩定性、熱強性。

2 耐熱不銹鋼的焊接性

奧氏體耐熱不銹鋼焊接時存在的主要問題有焊縫金屬的熱裂紋、焊接熱影響區晶界上碳化鉻的析出以及焊接接頭的脆化等。

3 耐熱不銹鋼的焊接缺陷產生原因

奧氏體耐熱不銹鋼產生焊接缺陷的主要原因可以歸納為兩大因素：冶金因素及力學因素。包括化學成分、結晶組織、焊接材料、焊接工藝及結構的拘束度，特別是化學成分和結晶組織影響大。

3.1 焊縫金屬熱裂紋的形成

奧氏體焊縫金屬的熱裂紋敏感性較大，因為奧氏體鋼易形成方向性很強的粗大的柱狀組織，有利于雜質的偏析和缺陷的聚集；這些雜質又能與Ni形成低熔點的共晶體，增大脆性溫度區間，處成形成液態薄膜；另外奧氏體鋼的熱導率小及線膨脹系數大，在焊接的不均勻加熱和冷卻條件下，焊接接頭形成較大的拉應力，因此，在焊縫處易產生熱裂紋。熱裂紋的影響因素如下。

3.1.1 化學成分的影響

①硫、磷有害雜質的影響。硫、磷易與NI形成低熔點共晶體從而產生熱裂紋。

②錳的影響。適當提高奧氏體形成元素錳可以改善抗裂性。當錳的質量分數增加到4%～6%時，焊縫金屬具有最小的熱裂紋傾向。

3.1.2 組織的影響

對于鎳含量小于10%～15%時的18-8型奧氏體不銹鋼，提高焊縫抗裂性最有效的辦法是使焊縫形成（γ+δ）雙相組織。這是因為奧氏體組織中少量的δ相打亂了奧氏體結晶的枝晶方向，細化了晶粒，阻礙雜質的聚集。鉻和鎳的比例也影響熱裂紋的產生。一定量的鐵素體形成元素，如硅、鈦、鋁、釩、鈮、鎢、鉬等，當能獲得雙相組織時，有利于防止熱裂紋。碳和氮均可抑制硅的有害作用。

3.2 焊接接頭的刀狀腐蝕

含義Ti、Nb等穩定化元素的奧氏體鋼焊接時熔合區加熱到1300℃以上，鈦的碳化物開始向奧氏體相溶解。在高溫下，碳化鈦的擴散速度大得多，所以溶解的碳迅速向晶界處遷移。冷卻后，奧氏體相溶解有較多的鈦原子，而晶界處有較多的碳原子。如果這時焊接接頭再次被加熱到450～850℃的危險溫度，鈦在奧氏體相里的擴散速度非常慢，沒有可能移動到晶界與碳再次結合而形成碳化鈦，就會在晶界處產生Cr的碳化物，使晶界貧鉻而產生一種特殊的晶間腐蝕，稱為刀狀腐蝕。

3.3 焊接接頭的脆化

3.3.1 475℃的脆性

Fe-Cr合金在400-550℃長期加熱時，會產生一種特殊的脆性，其硬度顯著提高，沖擊韌性嚴重下降，稱為475℃的脆性。隨著奧氏體鋼中鐵素體含量的增加，發生475℃的脆性的危險性增大。

3.3.2 σ相析出脆性

σ相是一種Fe-Cr的金屬間化合物，分布在晶粒邊界上，性質極硬且脆，硬度大于68HRC，使焊接接頭的塑性和韌性大大降低。

4 耐熱不銹鋼的焊接缺陷防止措施

4.1 控制焊縫中有害雜質的含量

嚴格限制有害雜質是提高焊縫抗裂性的首要條件，特別是限制硫和磷的含量。

4.2 形成（γ+δ）雙相組織

對于鎳含量小于10%～15%時的18-8型奧氏體不銹鋼，提高焊縫抗裂性最有效的辦法是使焊縫形成（γ+δ）雙相組織。對于鎳含量超過15%的單相奧氏體鋼，通常是在嚴格控制有害雜質的基礎上，適當提高奧氏體形成元素Mn、C、N的含量，以改善抗裂性。

4.3 合理選擇焊接工藝參數

4.3.1 正確選擇焊接方法

奧氏體鋼可以采用所有的熔焊方法，如焊條電弧焊、氬弧焊、埋弧自動焊、高能密度焊接。

4.3.2 正確選擇焊接材料

原則是在無裂紋的前提下，保證焊縫金屬的熱強性與母材成分匹配，同時應當考慮焊縫金屬中鐵素體含量的控制。鐵素體含量不應超過5%。在鎳鉻含量均大于20%的奧氏體鋼中，為獲得抗裂性高的純奧氏體組織選用含ωMn=6%-8%的焊材。在腐蝕介質下工作的奧氏體不銹鋼，要求選擇低碳或超低碳焊接材料。

4.3.3 合理選擇焊接工藝參數

奧氏體耐熱鋼一般焊前無需預熱。采用小的焊接熱輸入。焊后可進行強制冷卻，一減少焊接接頭在高溫下的停留時間。為進一步提高焊接接頭的耐腐蝕能力，可以選擇焊后固溶處理、穩定化處理或消除應力熱處理等。要降低接頭的剛度和拘束度。

5 結束語

綜上所述，奧氏體不銹鋼焊接時焊接缺陷的產生主要是其化學組成和結晶組織引起的，同時受內外拉應力的共同作用，導致焊接裂紋的產生。焊接時只要根據奧氏體不銹鋼的特點，適當調整焊接參數，正確選擇焊接材料，并在焊后采取一定的處理方法，就能保證避免焊接缺陷的產生，得到符合要求的焊接接頭。

參考文獻

[1]于啟湛，史春元.耐熱金屬的焊接[M].機械工業出版社，2009.

[2]李亞江.焊接缺陷分析與對策[M].化學工業出版社，2011.

[3]周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].機械工業出版社，1990.

[4]楊富，章應霖，任永寧，等.新型耐熱鋼焊接[M].中國電力出版社，2006.

[5]中國機械工程學會焊接分會編.焊接手冊（第二卷）材料的焊接[M].機械工業出版社，2007.

[6]孫成.鉻鎳奧氏體不銹鋼的焊接質量問題及對策[J].機械工人，2006，（2）22-26.

[7]胡大永.奧氏體不銹鋼壓力容器焊接裂紋的產生原因及其預防措施[J].有色金屬，2008，（4）19-21.