0Cr25Ni20奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋成因及防止措施

張靜 劉紅楓

1. 概述

在鋁電解工藝作業中，為了便于將新陽極放入到正確位置，需利用抓斗來撈出電解槽溶池中電解質塊和殘極塊。因此抓斗（見附圖）長期工作于900℃的高溫高腐蝕的環境中，在選擇抓斗材質上要求很高，我公司現已采用0Cr25Ni20代替了原來的Cr18Ni9Ti，以適應高溫高腐蝕的環境。

0Cr25Ni20奧氏體不銹鋼的焊接性比較好，但在焊接過程中，奧氏體從高溫冷卻到室溫時，隨著C、Cr、Ni、Mo含量的不同，金相組織轉變的差異及穩定化元素Ti、Nb的變化，焊接材料與工藝的不同，焊接接頭各部位可能出現一些熱裂紋、耐蝕性差以及焊接接頭脆化等問題，因此需選擇合理的熱裂紋防止措施，以保證奧氏體不銹鋼焊接質量。

2. 0Cr25Ni20 鋼特性

（1）母材特性 0Cr25Ni20鋼是高鉻高鎳奧氏體耐熱鋼，其化學成分及標準力學性能如表1、表2所示。該鋼在氧化性介質中具有優良的耐蝕性能，同時也具有良好的高溫力學性能，其塑性和韌性較高，且不可淬硬，具有較好的焊接性能。

（2）母材焊接性 0Cr25Ni20鋼的熱導率小而線膨脹系數較大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊縫和近焊縫區將產生較大的焊接撓曲變形，并存在熱裂紋和液化裂紋的危險，為此應采用小的熱輸入，不預熱并降低層間溫度。

在焊接的持續加熱過程中，0Cr25Ni20鋼的焊接接頭會發生σ相脆變，其在800～850℃溫度下σ相析出的敏感性最大。加速σ相形成的元素有Mo、Si、Nb等，故在選擇時應選擇這些元素含量較低的焊材。同時，還應適當控制焊接熱輸入，不預熱、控制層溫不過高，以減少高溫停留時間。

抓斗

表1 Cr25Ni20鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 Cr25Ni20鋼的力學性能

此外，在焊接接頭還會出現各種形式的腐蝕，如晶間腐蝕、應力腐蝕、點蝕等。

3. 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋產生因素

（1）焊接結晶裂紋具有高溫沿晶斷裂的性質 發生高溫沿晶斷裂的條件是金屬在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當時所發生的塑性應變量，即ε≥δmin，式中ε為高溫階段晶間發生的塑性應變量，δmin為高溫階段晶間允許的最小變形量。

δmin反映了焊縫金屬在高溫時晶間的塑性變形能力。金屬在結晶后期，即處在液相線與固相線溫度附近的“脆性溫度區”，在該區域范圍內其塑性變形能力最低。

ε是焊縫金屬在高溫時受各種力綜合作用所引起的應變，反映了焊縫金屬的應力狀態。這些應力主要是由于焊接的不均勻加熱和冷卻過程而引起，如熱應力、組織應力和拘束應力等。

（2）材料合金化程度越高，焊接時容易產生熱裂紋 材料中含有較多的合金元素時，焊接時易產生方向性很強的粗大柱狀晶組織，同時增大了液固相線的間距，加劇了偏析。奧氏體不銹鋼焊縫結晶時，液、固相線的區間較大，結晶時間較長，且奧氏體結晶的枝晶方向性強，所以雜質偏析現象比較嚴重，并在晶界積聚。

總的來說，在奧氏體不銹鋼焊接中，促進熱裂紋的元素順序為 P＞S＞Si＞Ni，抑制熱裂紋的元素順序為C＞Mn＞Cr 。其中Cr和Ni 是為滿足一定的性能而設定的，因此為抗裂紋主要在其他幾個元素上進行控制。除了進行單個含量的控制外，工程上還常采用裂紋指數HCI來評判熱裂紋的敏感性。為了防止產生熱裂紋，HCI 應小于15。

除元素的影響外，奧氏體不銹鋼中的鐵素體殘余含量對焊接熱裂紋的產生也有不可忽視的影響。常溫組織為奧氏體相加少量的因過冷而殘余的鐵素體相。少量的鐵素體在焊縫中呈孤島狀，可妨礙奧氏體相的枝晶發展，從而產生一定的細化晶粒和打亂結晶方向的作用。同時，少量的鐵素體能溶解雜質以減少偏析，因此鐵素體的存在對抗熱裂紋是有利的。 試驗證明，鐵素體相為5%～20%時，熱裂紋傾向最小。

（3）含有一定δ鐵素體的鉻鎳奧氏體焊縫具有較高的抗凝固裂紋性能 鉻鎳奧氏體鋼焊縫凝固時，根據不同的化學成分可能有三種結晶模式，即先結晶析出奧氏體并形成全奧氏體組織的模式（簡稱全奧氏體模式）；先結晶析出奧氏體后在晶界產生δ鐵素體的模式（簡稱先奧氏體模式）和先析出δ鐵素體后產生奧氏體+δ鐵素體組織的模式（簡稱先δ鐵素體模式）。

鉻鎳奧氏體焊縫結晶模式由先δ鐵素體變為先奧氏體或全奧氏體模式時，抗凝固裂紋能力突然劇烈下降。

4. 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋防止對策

（1）冶金方面 首先，在焊縫金屬中嚴格限制B、S、P、Sn等有害元素含量， 以防止熱裂紋的產生。對于不允許存在鐵素體的純奧氏體焊縫，可以加入適當的錳，少許的碳、氮，同時減少硅的含量。其次，在焊縫金屬或母材中增添一定數量的鐵素體組織，使焊縫成奧氏體-鐵素體雙相組織，能很有效地防止焊縫熱裂紋的產生。常用來促成鐵素體的元素有鉻、鉬、釩等。

（2）焊接工藝要點 首先，因奧氏體鋼熱導率低而線膨脹系數大，在焊后易產生焊接變形，焊接所需的熱輸入低。過高的熱輸入會造成焊縫開裂、降低抗蝕性能、變形嚴重和接頭力學性能改變。采用小電流、低電壓和窄焊道快速焊可使熱輸入減小。另外，應避免同一部位多次重復加熱或高溫停留時間長，多層焊時，每層焊縫的交接處應錯開；盡可能每層施焊方向與前一層相反，層間溫度控制在60℃以下。

其次，奧氏體不銹鋼焊縫受到污染其耐蝕性能和強度變差。因此焊前必須對焊接區表面作徹底的清理，層間若有焊渣必須清除后再焊，以防止夾渣，最后焊道表面也應清渣。

最后，奧氏體鋼母材和焊材中都含有與氧親和力強的合金元素，為防止和減少焊接時的燒損，焊接時必須盡可能用短弧焊，不作橫向擺動。由于焊縫受到污染其耐蝕性能和強度變差，因此焊前必須對焊接區表面作徹底的清理，層間若有焊渣必須清除后再焊，以防止夾渣，最后焊道表面也應清渣。

5. 焊接工藝

（1）焊接方法的選擇 由于在自由狀態下焊接時易產生較大的焊接變形，所以應選用能量集中的焊接方法。同時由于其對過熱較為敏感，只能采用低熱輸入進行快速焊接，氬弧焊應是首選的焊接方法。焊接時，焊縫背面需充氬保護，以保證背面成形良好和防止氧化。

（2）焊接材料的選擇 焊接材料選擇原則是在不致產生焊接裂紋的前提下保證焊縫金屬具有與母材基本相同的熱強性。這就要求其合金成分大致與母材相匹配。通過分析，選用f1.2mm的H0Cr26Ni21焊絲。

6. 結語

奧氏體不銹鋼焊接時，如果不能有效避免焊接缺陷，焊后對這些缺陷進行返修時則極易出現焊接熱裂紋，主要是奧氏體材料導熱差，且返修處應力比一次焊接時應力大，多次返修則應力更大。多層焊接時即使層間溫度得到有效控制，焊接時輸入的熱量加上拘束應力，則足以在焊縫區或熱影響區出現熱裂紋。控制熱裂紋的措施除了焊縫成形以外，最重要的就是溫度和應力，當溫度也能得到有效控制后，應力就是最主要的原因，這一點在多次返修易出裂紋特別是縱縫和環縫相交的丁字口附近最易出現，返修難度大，足以說明應力對熱裂紋的影響，應嚴格控制溫度。