低溫使用狀態的奧氏體不銹鋼焊接

路蘭卿，許 健

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

0 引言

工作溫度低于－150℃的裝置一般稱之為深冷裝置，主要涉及到的介質有液化石油氣、液空、液氧、液氮、液氫、液氦等。這些介質的共性是低溫，由于低溫的影響對于其生產、輸送、貯存的設備及管路閥門和一些測試控制裝置都必須能夠滿足低溫使用的要求，也就是滿足低溫韌性的要求。經過對低應力脆性斷裂特點的研究和金屬斷裂機理進行分析，發現金屬的低溫韌性，即缺口尖端處的金屬微觀塑性變形能力,是決定壓力容器抵抗應力脆斷破壞的能力[1]。實驗表明，具有面心立方結構的金屬如銅、鋁、鎳和奧氏體不銹鋼則基本上沒有這種溫度效應，即沒有低應力脆斷。這是因為當溫度降低時，面心立方金屬的屈服強度沒有顯著變化，而且不易產生形變孿晶，位錯容易運動，局部應力易于松弛，裂紋不易傳播，一般沒有脆性轉變溫度。正是由于以上原因使得銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼等材料在深冷裝置中得到應用，而由于奧氏體不銹鋼的強度和價格水平與銅、鋁、鎳等材料相比優勢明顯，同時它的可加工性、焊接性、耐蝕性等優良特點，使得奧氏體不銹鋼在深冷裝置得到了最廣泛的應用。在深冷裝置中的設備、管道、其他附件等的連接中大多采用焊接，但是焊縫熔敷金屬中鐵素體含量的高低，對其應用在－150℃的深冷環境下零件有著非常大的影響，降低低溫韌性，使零部件發生脆性斷裂。所以我們必須采取措施降低奧氏體不銹鋼焊接時鐵素體的含量，一般在深冷環境中接頭的鐵素體含量要低于1%。而在這些設備和系統中大量的應用到了奧氏體不銹鋼的板材、管材、棒料等，所以也會有大量的焊接任務，因此奧氏體不銹鋼的焊接性能對其應用就有很大的影響。

1 奧氏體不銹鋼的類型

奧氏體不銹鋼在各類型不銹鋼中應用最為廣泛，品種也是最多的。由于其中的鉻、鎳含量較高，因此在氧化性、中性以及弱還原性介質中均具有良好的耐蝕性。而奧氏體不銹鋼以高Cr－Ni 型不銹鋼最為普遍，大致上可分 為Cr18－Ni8 型，如S30408、S30403、S31608 等；Cr25－Ni20 型，如S31008、ZG4Cr25Ni20 等；Cr25－Ni30型，如ZG4Cr25Ni35（國外鑄造不銹鋼）[2]。在深冷環境，304、304L、316 和316L 應用比較普遍。

2 奧氏體不銹鋼的焊接特點

與其他不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼的焊接是比較容易的。奧氏體不銹鋼的塑性韌性都比較好，所以其焊接接頭不存在淬火硬化的擔心，也極少出現冷裂紋，而且對于奧氏體不銹鋼焊接接頭來說，不存在淬火硬化區且它還有強的加工硬化能力，所以即使受焊接熱影響而軟化的區域抗拉強度也不低。但是在焊接過程中，對于不同類型的奧氏體不銹鋼，奧氏體從高溫冷卻到室溫的過程中，隨著C、Cr、Ni、Mo 含量的不同、金相組織轉變的差異等會在焊接接頭中出現不同數量的鐵素體組織，影響著奧氏體不銹鋼在低溫的應用。所以應用在深冷裝置中的奧氏體不銹鋼焊接時應采取一定措施，防止出現鐵素體或減少鐵素體含量。

另外對于奧氏體不銹鋼焊接材料的選擇，應在不產生焊接裂紋的前提下，保證熔敷金屬的力學性能和耐蝕性能相當或高于母材。而為了獲得好的焊接效果一般要求其合金成分與母材要匹配焊接材料，在焊接后的熔敷金屬中一般都會含有一定數量的鐵素體。

3 奧氏體不銹鋼焊接接頭的焊接缺陷

與其他不銹鋼相比雖然奧氏體不銹鋼有著優良的焊接性能，但是奧氏體不銹鋼由于母材和焊縫化學成分、所采用的焊接工藝參數、層間溫度控制等的影響會出現焊接熱裂紋、耐蝕性下降、接頭脆化等一些缺陷。

由18-8 型不銹鋼自身的特點，我們知道焊接時接頭中容易出現焊接熱裂紋。18-8 型不銹鋼與碳鋼相比電阻值是碳鋼的5 倍，在同樣焊接電流、電弧電壓條件下的熱輸入多，而其熱導率只有碳鋼的1/3，使得熱傳輸速率低，熱變形大，并且線脹系數與碳鋼相比大40%，更是加劇了加熱和冷卻時的變形量[3]。焊縫金屬凝固時產生較大的拉應力，并且焊縫中方向性強的柱狀晶組織又為金屬中有害雜質的偏析提供了溫床，所以奧氏體不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區都有產生熱裂紋的可能。所以說多種因素的作用造成焊接熱裂紋的出現和焊接后較大的變形量。

奧氏體不銹鋼焊接接頭鐵素體含量的影響： 在以上提到的缺陷中，對于使用于低于-150℃低溫環境下的奧氏體不銹鋼焊件，由于對其耐蝕性的要求不高，但是為了防止焊接接頭中的熱裂紋獲得優質焊接接頭，當人們采取措施增加接頭中的鐵素體含量，并使焊條的熔敷金屬中鐵素體含量占4%～12%[4]時，將會嚴重影響材料的低溫韌性。

但是鐵素體的存在的確有助于提高抗晶間腐蝕性能和抗應力腐蝕破裂的能力，能有效地提高焊縫的抗熱裂紋性能。雖然鐵素體可以降低某些不銹鋼焊縫的裂紋傾向，但并不是必不可少的[5]。我們可以采取措施即降低鐵素體的體積分數又防止出現熱裂紋。而且對于應用在高溫環境的奧氏體不銹鋼焊件，同樣會要求其焊縫金屬中的鐵素體含量不能高于5%，否則長期工作的條件下鐵素體會轉變為σ 相，造成材料的脆化。

奧氏體不銹鋼及其焊接材料和焊縫金屬中鐵素體的合適含量還沒有統一的標準規定。對奧氏體有規定的主要是核電站、核反應堆、國防軍工等行業以及重要的化工裝置奧氏體不銹鋼鑄件焊接母材、焊材。根據相關標準控制鐵素體含量[6]：

（1）要求無磁性時如雷達、掃雷器上的無磁性鑄件中鐵素體含量≤0.1%。

（2）特別腐蝕要求；防止選擇性腐蝕如尿素級焊接母材級焊材，鐵素體含量≤0.5%。

（3）使用于-150℃以下的低溫焊縫金屬鐵素體含量≤1.0%，使用于-150～150℃，非穩定化焊縫金屬，鐵素體含量4%～12%，穩定化焊縫金屬6%～15%。

（4）鍛材、管材、棒材、板材的鑄坯，鐵素體含量3%～5%。

（5）冷沖壓和冷拔材料的鑄坯鐵素體含量≤5%。

（6）適用于540～900℃，σ 相形成溫度的母材及焊材鐵素體含量3%～8%。

4 降低奧氏體不銹鋼焊縫熱裂紋的措施

避免出現焊接裂紋的措施可以從冶金和焊接工藝上兩方面著手，但是對于使用于低于-150℃低溫環境下的奧氏體不銹鋼焊件，一定要注意限制鐵素體的含量或限制易生成鐵素體含量的元素。

（1）嚴格限制一些雜質元素及合金元素，如S、P、B、Sn、Nb、Sb、Si 等的含量，這些元素易于形成低熔點的液態膜從而造成焊接凝固裂紋，同樣母材中的此類元素多時在近縫區也易產生裂紋。對于18-8 型不銹鋼非常有效，當P＜0.03%時無裂紋；但對25-20 型不銹鋼效果不佳。

（2）適當調整合金成分，可加入適當的Mn，少許的C、N，同時減少Si 的含量。如對于 “U” 系列鋼 （尿素級不銹鋼） 要求焊接接頭形成無鐵素體的純奧氏體不銹鋼金相組織，為了獲得純奧氏體金相組織并提高抗裂性能（純奧氏體金相組織抗裂性能差），就尤其應嚴格限制Si的含量，因為焊縫金屬易形成粗大的單相柱狀晶，致使焊縫金屬的熱裂敏感性增大。

（3）選用焊接材料時可通過Schaeffer 和Delong 不銹鋼組織圖判斷所選焊接材料中Cr-Ni 比的不同生成各金相組織的比例。

以上各項措施都是通過冶金手段，為了防止奧氏體不銹鋼產生焊接熱裂紋我們還可以通過一些工藝措施實現： ①采用適當的焊接方法并與之相適應的焊接坡口，降低母材金屬的熔合比；②焊接參數應選用小的熱輸入即小電流快速焊，控制層間溫度 （一般控制在60℃），多層焊接時等前一層焊縫冷卻后再焊接下一層，必要時也可以通過水實現快速冷卻，因為通常，焊縫第一焊層的摻合率 （或稀釋率） 最大，而焊接應力也最大，故只要第一層焊層不產生裂紋，其余焊層基本上不會產生裂紋。焊接時同時要避免焊縫過熱，施焊中尤其要注意焊條不能來回擺動，并要采用窄焊縫的操作技能；③合理的焊接結構、接頭形式以及焊接時的順序，有利于減少焊接應力。對于一條環焊縫或縱焊縫而言，為了降低焊接應力減少焊接變形，焊接次序可以根據相關標準或者施工者的經驗，確定焊接工藝路線合理安排焊件的裝配順序和每道焊縫的先后順序，避免每條焊縫處在剛性拘束狀態焊接，設法讓每條焊縫有較大的收縮自由，對于減少焊接缺陷是有很大益處的；④焊接中斷弧時收弧要慢并注意要填滿弧坑。

5 結束語

為了防止焊接熱裂紋、提高焊縫抗晶間腐蝕和應力腐蝕的能力，在奧氏體不銹鋼中通常都允許一定數量的鐵素體（4%~12%）。但是在深冷裝置中，為了滿足低溫韌性的要求，我們必須采取措施控制鐵素體的含量達到一定的水平。

[1] 路蘭卿.高壓液氫容器得研制[J].北京：北京航天制造技術編輯部，2013，1.

[2] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊－材料的焊接[M].機械工業出版社，2008.

[3] 張其樞，等.不銹鋼焊接[M].北京：機械工業出版社，2001.

[4] 戴季煌，等.承壓設備設計典型問題精解[M].化學工業出版社，2010.

[5] 中國焊接協會.焊接標準匯編（1996）[M].中國標準出版社，1997.

[6] 陳世修.奧氏體不銹鋼中鐵素體含量計算[J].沈陽：閥門，2005，1.