奧氏體不銹鋼容器的焊接探討

王 薇

（常州瑞凱化工裝備有限公司，江蘇 常州213000）

1 奧氏體不銹鋼及其焊接特點

奧氏體不銹鋼，就是指在常溫的前提下具有奧氏體組織的不銹鋼，而奧氏體組織就是由奧氏體單晶體結(jié)晶形成的團(tuán)狀組織，其鑲嵌在鋼材質(zhì)中，能改善鋼材的性能。在淬火處理中，鐵的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是其性質(zhì)變化的內(nèi)在因素，當(dāng)其元素含量為18%的Cr元素、8%～10%的Ni元素、0.1%的C元素時，就會形成穩(wěn)定的奧氏體組織。以下列舉了幾項奧氏體不銹鋼的焊接特點：

1.1 焊接熱裂紋

焊接熱裂紋（Welding Hot Breaking）多產(chǎn)生于接近固相線的高溫下，多沿晶界分布，有時也能在低于固相線的溫度下沿“多邊化邊界”形成。焊接熱裂紋通常產(chǎn)生于焊縫金屬內(nèi)，也可能產(chǎn)生于焊接熔合線鄰近的熱影響區(qū)組織內(nèi)（母材金屬）。根據(jù)裂紋產(chǎn)生機(jī)理、形態(tài)和溫度區(qū)間的差別，焊接熱裂紋可分為凝固裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋、失塑裂紋4種。

產(chǎn)生焊接熱裂紋的原因：奧氏體不銹鋼熱傳導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)致其焊接過程中高溫停留在焊接接頭部位的時間較長，這就容易使焊縫在此條件下形成一個粗大的柱狀晶組織，在該柱狀晶組織形成的過程中，一些雜質(zhì)元素（硫、磷、錫、銻、鈮等）就會在此處聚集，從而在晶間形成低熔點共晶。焊接接頭在受到拉應(yīng)力作用時焊縫中就容易形成凝固裂紋，在高溫區(qū)會形成液化裂紋，以上這些都屬于焊接熱裂紋。

防止措施：（1）使用堿性的優(yōu)質(zhì)焊條對焊縫金屬中S、P、C等的含量進(jìn)行有效限制；（2）焊縫金屬呈雙相組織，對鐵素體的含量進(jìn)行有效限制。

1.2 晶間腐蝕

晶間腐蝕（Intergranular Corrosion），是局部腐蝕的一種，會沿金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展性腐蝕。不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于10%～12%。當(dāng)溫度升高時，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度。研究表明，鉻在晶粒內(nèi)擴(kuò)散的速度小于沿晶界擴(kuò)散的速度，內(nèi)部的鉻來不及向晶界擴(kuò)散，所以在晶間形成的碳化鉻所需鉻元素主要不是來自奧氏體晶粒內(nèi)部，而是來自晶界附近，結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當(dāng)晶界的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到小于12%時，就會形成所謂的“貧鉻區(qū)”，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)會失去耐腐蝕能力，而產(chǎn)生晶間腐蝕。

產(chǎn)生晶間腐蝕的原因：根據(jù)“貧鉻區(qū)”的理論，焊接時容易從晶間析出碳化鉻C2Cr3，從而形成晶界貧鉻。

防止措施：（1）使用低碳甚至超低碳的焊材，如A002，或者使用含有鈦、鈮等元素的焊條，如A137；（2）將一定量的鐵素體的形成元素熔入焊縫中，使焊縫金屬成為由奧氏體和鐵素體組成的雙相組織，其中鐵素體一般規(guī)定控制在4%～12%的范圍內(nèi)；（3）縮短焊接的熔池過熱時間，快速進(jìn)行焊接，使用較小的焊接電流，使冷卻速度加快。

1.3 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking）通常都表現(xiàn)為脆性破壞，雖然其破壞過程時間短，但危害卻很嚴(yán)重。

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的原因：焊接殘余應(yīng)力、焊接接頭的組織發(fā)生變化、出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況以及局部性腐蝕介質(zhì)濃縮。

防止措施：（1）正確使用材料，根據(jù)介質(zhì)的特性來選擇在這方面敏感性比較低的材料，一般有高純鉻—鎳奧氏體不銹鋼、高硅鉻—鎳奧氏體不銹鋼等；（2）消除焊接的殘余應(yīng)力，通常都會對焊件采用熱處理的方式，或使用機(jī)械方法來降低表面殘余應(yīng)力；（3）對材料進(jìn)行電鍍、噴鍍、物理等方法的防腐蝕處理，即在焊件表面覆蓋一層金屬層，使金屬與腐蝕介質(zhì)隔離開；（4）對部件以及接頭設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計不合理會形成較大的應(yīng)力集中或較大的殘余應(yīng)力，改進(jìn)設(shè)計可使這些現(xiàn)象減少。

2 奧氏體不銹鋼容器的焊材選擇

在選擇奧氏體不銹鋼容器的焊材時要遵循兩點原則：第一，一定要以不銹鋼的母材和所處的工作環(huán)境為基礎(chǔ)來選擇焊條，包括工作時會接觸到的物體以及工作時的溫度；第二，所選焊條的性能不會阻礙不銹鋼容器的用途。以下是對這兩點的具體分析：（1）母體不銹鋼的材質(zhì)通常情況下都可以作為選擇焊條的參考物，原則就是盡量選擇一樣或接近母體材質(zhì)的焊條，比如0Cr19Ni9一般選用A102焊條。（2）不銹鋼很容易受到碳的腐蝕，所以一定要選擇低于母體含碳量的不銹鋼焊條。（3）力學(xué)性能好壞與否是衡量焊條的一個重要條件，通常都會采用焊接工藝方法來鑒定焊條的力學(xué)性能。（4）針對處于高溫工作環(huán)境中的奧氏體不銹鋼，其本身有著很好的耐熱性，因此也要選擇耐高溫和抗熱裂的焊條，以避免高溫?fù)p壞。（5）相反地，選擇與低溫環(huán)境中工作的不銹鋼相匹配的焊條時，要選擇具備一定韌性的純奧氏體焊條，以防焊接接頭受到低溫沖擊。（6）除了碳之外還有其他因素會對不銹鋼造成腐蝕，因此針對腐蝕介質(zhì)不同的耐腐蝕不銹鋼要選擇不同的耐腐蝕焊條，選擇依據(jù)就是腐蝕介質(zhì)和工作溫度。其中，含碳量比較低的焊條、含有穩(wěn)定元素（Ti、Nb等）的焊條一般適用于超過300℃的工作環(huán)境及腐蝕介質(zhì)具有很強(qiáng)腐蝕性的場合；而如果焊條中含有Mo、Cu元素或只含Mo元素的話，就適合與腐蝕介質(zhì)為稀硫酸或鹽酸的不銹鋼相匹配；相反，如果腐蝕介質(zhì)腐蝕性弱、工作溫度低，則應(yīng)該選用Cr、Mo、Ni等耐蝕合金元素含量超過母體不銹鋼的焊條，而不宜再選用含有Ti或Nb的焊條，以保障焊縫金屬的耐應(yīng)力及腐蝕能力。

3 奧氏體不銹鋼容器焊接時的注意事項

奧氏體不銹鋼容器的焊接方法總的來說還是很多的，因其有著優(yōu)良的焊接性，所以基本上可以使用所有的熔化焊接方法進(jìn)行焊接，而焊接工藝要求受不銹鋼熱物理性能和組織特點影響最大。奧氏體不銹鋼容器焊接時的注意事項：（1）焊接時奧氏體不銹鋼容器易因?qū)嵯禂?shù)小而導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)大，從而出現(xiàn)焊接應(yīng)力及變形幅度增大的現(xiàn)象，再加上電弧焊時焊條會因為奧氏體不銹鋼電阻率大而出現(xiàn)發(fā)紅的跡象，所以要盡量集中焊接的能量，同時減小焊接電流。（2）總的來說，焊接要盡量避免采用大線能量。如果不銹鋼焊條的直徑相對較小，則宜選擇電弧焊的焊接方式；如果不銹鋼對焊縫要求高、需要快速冷卻的話，需要選用對其澆冷水的方法；而對于熱裂紋敏感性大的純奧氏體或超奧氏體不銹鋼來說，則要嚴(yán)格掌握其焊接線的能量，并注意焊接的清潔度，通過提高焊接清潔度可以使焊縫的抗熱裂性和耐蝕性有所增加；最后值得注意的是，奧氏體不銹鋼焊接的層間溫度，應(yīng)控制在150℃以下，以使焊接接頭的塑性、韌性及耐腐蝕性都得到保障。

4 結(jié)語

總而言之，越來越多的場所在使用奧氏體不銹鋼容器，因此，奧氏體不銹鋼容器的焊接問題也越來越受重視。大致說來，就是要選擇與母體不銹鋼焊接特點相對應(yīng)的奧氏體不銹鋼焊條，而且還要充分考慮母體不銹鋼的工作環(huán)境、腐蝕介質(zhì)以及材料等，只有在尊重母體不銹鋼的前提下選擇與其相應(yīng)的不銹鋼焊條，才能保證焊接的質(zhì)量。

［1］梁文婷.奧氏體不銹鋼低溫性能及選用方法探討［J］.中國科技信息，2014（15）

［2］郝琦.奧氏體不銹鋼的焊接特點及焊條選用［J］.現(xiàn)代企業(yè)教育，2010（8）

［3］徐馳奔，葉增偉.奧氏體不銹鋼焊接特點及工藝［J］.科技風(fēng)，2009（4）