奧氏體不銹鋼的焊接特點及焊條選用淺析

鄭文贏

【摘要】本文分析了奧氏體不銹鋼的焊接性及焊條的選用。

【關鍵詞】奧氏體不銹鋼焊條

Abstract:this article analysised the weldbility of austennitic stainless steel and selected of electrodes.

Keyword:austenitic stainless steel; electrodes.

【中圖分類號】G718.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）5-0213-02

不銹鋼是指主加元素Cr高于12%,能使鋼處于鈍化狀態、又具有不銹鋼特性的鋼。不銹鋼根據其顯微組織分為鐵素體型、馬氏體型、奧氏體型、奧氏體+鐵素體型和沉淀硬化型。奧氏體不銹鋼通常在常溫下的組織為純奧氏體,也有一些為奧氏體+少量鐵素體,這種少量鐵素體有助于防止熱裂紋。

一、奧氏體不銹鋼的焊接特點

1、容易出現熱裂紋

熱裂紋是奧氏體不銹鋼焊接時比較容易產生的一種缺陷,其產生原因是由于奧氏體的液、固相線區間較大，結晶時間較長，而且奧氏體結晶方向性強，使低熔點雜質偏析嚴重而集中于晶界處。此外奧氏體不銹鋼線膨脹系數大，冷卻收縮時應力大，所以易產生熱裂紋。

防止措施:

(1)盡量使焊縫金屬呈雙相組織,鐵素體的含量控制在3-5%以下。因為鐵素體能大量溶解有害的S、P雜質。

（2）嚴格限制焊縫金屬中S、P、等雜質的含量。

（3）合理進行合金化，如加入4%-6%的錳對防止單相奧氏體產生熱裂紋相當有效，此外適當增加碳、氮含量對防止熱裂紋也是有益的。

（4）工藝上的措施：制定焊接工藝時盡可能減少熔池過熱和接頭殘余應力。

2、晶間腐蝕

根據貧鉻理論,焊縫和熱影響區在加熱到450-850℃敏化溫度區時在晶界上析出碳化鉻,造成貧鉻的晶界,當與腐蝕介質接觸時，就會產生晶間腐蝕。

防止措施:

（1）采用低碳或超低碳的焊材,如A002等;采用含鈦、鈮等穩定化元素的焊條,如A137、A132等。

（2）由焊絲或焊條向焊縫熔入一定量的鐵素體形成元素,使焊縫金屬成為奧氏體+鐵素體的雙相組織,(鐵素體一般控制在5%左右)。

（3）減少焊接熔池過熱,選用較小的焊接電流和較快的焊接速度,加快冷卻速度。

（4）對耐晶間腐蝕性能要求很高的焊件進行焊后固溶處理

3、應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂是焊接接頭在特定腐蝕環境下受拉伸應力作用時所產生的延遲開裂現象。奧氏體不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴重的失效形式,表現為無塑性變形的脆性破壞。

應力腐蝕開裂防止措施:

(1)合理制定成形加工和組裝工藝,盡可能減小冷作變形度,避免強制組裝,防止組裝過程中造成各種傷痕(各種組裝傷痕及電弧灼痕都會成為裂源)。

(2)合理選擇焊材:焊縫與母材應有良好的匹配,不產生任何不良組織,如晶粒粗化及硬脆馬氏體等。

(3)采取合適的焊接工藝:保證焊縫成形良好,不產生任何應力集中或點蝕的缺陷,如咬邊等;采取合理的焊接順序,降低焊接殘余應力水平。

(4)消除應力處理:焊后熱處理,如焊后完全退火或退火;在難以實施熱處理時采用焊后錘擊或噴丸等。

(5)對奧氏體不銹鋼進行涂層、襯里等方法，將其與腐蝕介質隔開。

4、焊縫金屬的低溫脆化

對于奧氏體不銹鋼焊接接頭,在低溫使用時,焊縫金屬的塑韌性是關鍵問題。此時,焊縫組織中的鐵素體的存在總是惡化低溫韌性。

防止措施:

通過選用純奧氏體焊材和調整焊接工藝獲得單一的奧氏體焊縫。

5、焊接接頭的σ相脆化

焊件在經受一定時間的高溫加熱后會在焊縫中析出一種脆性的σ相,導致整個接頭脆化,塑性和韌性顯著下降。σ相的析出溫度范圍650-850℃。在高溫加熱過程中,σ相主要由鐵素體轉變而成。加熱時間越長,σ相析出越多。

防止措施:

(1)限制焊縫金屬中的鐵素體含量(5%左右);采用超合金化焊接材料,即高鎳焊材。

(2)采用小規范,以減小焊縫金屬在高溫下的停留時間;

(3)對已析出的σ相在條件允許時進行固溶處理,使σ相溶入奧氏體。

二、奧氏體不銹鋼的焊條選用要點

奧氏體不銹鋼主要用于耐腐蝕,但也用作耐熱鋼和低溫鋼。因此,在焊接不銹鋼時,焊條的性能必須與其用途相符。不銹鋼焊條必須根據母材和工作條件(包括工作溫度和接觸介質等)來選用。

1、一般來說,焊條的選用可參照母材的材質,選用與母材成分相同或相近的焊條。如:A102對應0Cr19Ni9;A137對應1Cr18Ni9Ti。

2、由于碳含量對不銹鋼的抗腐蝕性能有很大的影響,因此,一般選用熔敷金屬含碳量不高于母材的不銹鋼焊條。如316L必須選用A022焊條。

3、奧氏體不銹鋼的焊縫金屬應保證力學性能。可通過焊接工藝評定進行驗證。

4、對于在高溫工作的耐熱不銹鋼(奧氏體耐熱鋼),所選用的焊條主要應能滿足焊縫金屬的抗熱裂性能和焊接接頭的高溫性能。

(1)對Cr/Ni≥1的奧氏體耐熱鋼,如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用奧氏體-鐵素體不銹鋼焊條,以使焊縫金屬中含2-5%鐵素體為宜。鐵素體含量過低時,焊縫金屬抗裂性差;若過高,則在高溫長期使用或熱處理時易形成σ脆化相,造成裂紋。如A002、A102、A137。

在某些特殊的應用場合,可能要求采用全奧氏體的焊縫金屬時,可采用A402、A407焊條等。

(2)對Cr/Ni<1的穩定型奧氏體耐熱鋼,如Cr16Ni25Mo6等,一般應在保證焊縫金屬具有與母材化學成分大致相近的同時,增加焊縫金屬中Mo、W、Mn等元素的含量,使得在保證焊縫金屬熱強性的同時,提高焊縫的抗裂性。如采用A502、A507。

5、對于在各種腐蝕介質中工作的耐蝕不銹鋼,則應按介質和工作溫度來選擇焊條,并保證其耐腐蝕性能(做焊接接頭的腐蝕性能試驗)。

(1)對于工作溫度在300℃以上、有較強腐蝕性的介質,須采用含有Ti或Nb穩定化元素或超低碳不銹鋼焊條。如A137或A002等。

(2)對于含有稀硫酸或鹽酸的介質,常選用含Mo或含Mo和Cu的不銹鋼焊條如:A032、A052等。

(3)工件腐蝕性弱或僅為避免銹蝕污染的設備,方可采用不含Ti或Nb的不銹鋼焊條。

為保證焊縫金屬的耐應力腐蝕能力,采用超合金化的焊材,即焊縫金屬中的耐蝕合金元素(Cr、Mo、Ni等)含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2類型的焊接材料(如A022)焊接00Cr19Ni10焊件。

6、對于在低溫條件下工作的奧氏體不銹鋼,應保證焊接接頭在使用溫度的低溫沖擊韌性,故采用純奧氏體焊條。如A402、A407。

7、也可選用鎳基合金焊條。如采用Mo達9%的鎳基焊材焊接Mo6型超級奧氏體不銹鋼。

8、焊條藥皮類型的選擇:

(1)由于雙相奧氏體鋼焊縫金屬本身含有一定量的鐵素體,具有良好的塑性和韌性,從焊縫金屬抗裂性角度進行比較,堿性藥皮與鈦鈣型藥皮焊條的差別不像碳鋼焊條那樣顯著。因此在實際應用中,從焊接工藝性能方面著眼較多,大都采用藥皮類型代號為17或16的焊條(如A102A、A102、A132等)。

(2)只有在結構剛性很大或焊縫金屬抗裂性較差(如某些馬氏體鉻不銹鋼、純奧氏體組織的鉻鎳不銹鋼等)時,才考慮選用藥皮代號為15的堿性藥皮不銹鋼焊條(如A107、A407等)。

綜上所述,奧氏體不銹鋼的焊接有其獨特的特點,奧氏體不銹鋼焊接時焊條選用尤其值得注意,不銹鋼焊條必須根據母材和工作條件(包括工作溫度和接觸介質等)來選用。隨著焊接技術的發展，氣體保護焊和埋弧焊取代了部分焊條電弧焊，其焊接材料的選擇可參照焊條選擇的原則來進行，這樣才有可能達到所預期的焊接質量要求。

參考文獻：

[1]陳云祥.焊接工藝.機械工業出版社，2005

[2]陳梅春.金屬熔化焊基礎.化學工業出版社，2002

[3]劉會杰.焊接冶金與焊接性.機械工業出版社，2008

[4]吳樹雄.尹士科 李春范.金屬焊接材料手冊，2008