不銹鋼焊接工藝現狀及進展研究

郭顥

[摘 要]隨著我國不銹鋼消費量的快速增長， 不銹鋼的焊接技術越來越重要， 它直接影響著不銹鋼的使用質量和應用領域的拓寬。本論文主要從不銹鋼的類型及其特點和焊接性、不銹鋼的焊接工藝特點及存在問題兩方面進行闡述不銹鋼焊接工藝現狀及進展研究，希望能為研究不銹鋼焊接工藝現狀及進展的學者提供理論參考依據。

[關鍵詞]不銹鋼 焊接工藝 現狀及發展

中圖分類號：TG44 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0307-01

1.不銹鋼的類型及其特點和焊接性

1.1奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼是應用最廣的一種， 高鉻鎳鋼及高鉻錳氮鋼均屬此類，其中，鉻鎳奧氏體不銹鋼是最通用的鋼種。18-8鋼主要用于耐蝕環境下，25-20鋼主要用作熱穩定鋼，提高含碳量則可用做熱強鋼。奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種，由于其在高溫、極低溫度（-196 ℃）下均具有優良的塑韌性、冷熱加工性能和耐腐蝕性能，因此大量用于石油、化工、宇航及核工程等重要焊接結構。目前的主要問題是接頭的刀狀腐蝕和應力腐蝕開裂，以及含鎳較高的單相奧氏體鋼接頭熱裂問題， 有時也會有接頭熱強性和再熱裂紋問題。

1.2 鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼由于熱膨脹系數與碳鋼接近而比奧氏體小，并且S、P等雜質元素在鐵素體中溶解度大，Si、Nb等又是鐵素體形成元素，因此，焊縫結晶時不易形成低熔點共晶，熱裂紋的傾向比奧氏體不銹鋼小得多，同時焊接熱影響區超過臨界溫度的區域形成的馬氏體量也少，比馬氏體不銹鋼的延遲裂紋的敏感性小。鐵素體不銹鋼在焊接中的主要問題是晶粒易于長大形成粗大鐵素體而脆化和475℃脆化問題。

1.3 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼的主要問題是接頭的冷裂和脆化。馬氏體型不銹鋼與鐵素體型不銹鋼相比，其鐵素體形成元素鉻的含量較少，含有較高的奧氏體形成元素碳。這類鋼中高溫下存在的奧氏體在通常不太慢的冷卻條件下會發生奧氏體到馬氏體的轉變，屬于淬硬組織的鋼種。在焊接時，由于焊接熱循環的作用，焊縫和熱影響區焊后狀態的組織為硬脆的馬氏體組織，易形成冷裂紋。并隨著碳含量的提高，形成冷裂紋的傾向會越來越大。另外，馬氏體鋼也有較大的晶粒粗化傾向。在冷卻速度小時，近縫區就會出現粗大的鐵素體和碳化物組織，因而塑性和韌性顯著下降；若冷卻速度大，由于產生粗大的馬氏體組織，塑性的韌性也要下降。

2.不銹鋼的焊接工藝特點及存在問題

2.1 奧氏體不銹鋼

由于奧氏體不銹鋼（ 主要是指鉻鎳奧氏體不銹鋼） 應用最廣， 所以焊接技術也最為成熟， 研究也最為深入， 許多問題已得到了很好的解決。且由于奧氏體組織本身的性能特點， 只要選擇適當的焊接工藝，奧氏體不銹鋼就易于得到合格的焊縫。

2.1.1 奧氏體不銹鋼焊接工藝要點

奧氏體不銹鋼可采用各種熔焊方法，其中使用最多的是焊條電弧焊和氣體保護焊，以機械化快速焊為好。焊接奧氏體不銹鋼時必須考慮產生較大變形的傾向，因此焊接時應遵循以卜原則：

（1）焊接接頭的坡口形式應盡可能選擇U形、X形、雙U形等，以減少焊縫金屬的填充量，降低焊縫的收縮應力，防止熱裂紋的產生。即使焊薄板的時候也要開坡口。

（2）盡可能地采用固定夾具，尤其是焊薄板時，避免角焊縫。

（3）先從中間開始焊而后向兩邊焊或采用分段退焊技術。

（4）由于焊絲的電阻率大、導熱系數小，所以熔化系數大，焊絲伸出長度要短一些。

（5）盡量采用短弧焊并不做擺動，以防止合金元素不必要的燒損。

（6）為了防止焊縫中產生氣孔，應盡量限制氣體來源并改善氣體逸出條件。

2.1.2 奧氏體不銹鋼焊接工藝參數

奧氏體不銹鋼導熱系數小、電阻率大，焊接時母材和焊材都容易被加熱、熔化，故選擇焊接電流應較小，短弧快速焊，采用窄焊道、窄焊縫，減少高溫停留時間。

一般情況卜，奧氏體不銹鋼焊接時不需要預熱，但對焊縫鐵素體很少或根木沒有鐵素體時，奧氏體焊縫可能會產生熱裂紋。這種情況卜，預熱是必要的。

為了防止和消除焊接接頭的應力腐蝕開裂，有必要進行焊后熱處理。常規碳含量不銹鋼結構需要進行固溶處理；含穩定化元素的和超低碳的不銹鋼結構需進行穩定化和消除應力熱處理。

2.2 鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼焊接時，由于加熱時沒有相轉變發生，熱影響區的晶粒易于長大而形成粗大鐵素體，且不可能通過熱處理來改善，因而會造成明顯的脆化的后果。無論采用何種焊接方法，都應采用小的熱輸入、少層次的焊接，層間溫度控制在200℃以卜，以減少焊縫和HAZ晶粒過分長大和碳化物和氮化物析出，引起接頭脆化和晶間腐蝕傾向。

鐵素體鋼焊接工藝要點可總結如下：

（1）如果要求焊縫和母材的性能相同，特別是要求焊縫顏色、拉伸強度、疲勞強度和母材一致時，則要用含v（Cr）12%的填充材料進行焊接。

（2）當構件承受交變載荷時，焊縫的拉伸強度和疲勞強度更重要。

（3）當焊后不能進行熱處理時，最好采用奧氏體填充材料。焊條或焊劑在焊前應烘干。嚴格控制焊接熱輸入。多層多道焊時，層間溫度應根據板厚確定上限。

2.3 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼在焊接過程中焊接性較差。因為在焊接冷卻過程中出現奧氏體向馬氏體轉變，由于體積發生變化，促使硬度增加和塑性降低，致使有強烈的淬硬傾向。母材含碳量越高，淬硬傾向就越大。在焊縫擴散氫和焊接應力作用下，焊接殘余應力較大，易產生裂紋，因此，根據焊件厚度和剛性大小，焊接時應采取焊前預熱、焊后緩冷等工藝措施。馬氏體鋼一般是在調質狀態下焊接，焊接工藝要點可總結如下：

（1）控制焊縫金屬的化學成分。焊縫金屬的化學成分主要取決于焊接材料，最好是用與母材金屬成分相同或相接近的焊接材料。但焊縫與熱影響區將會硬化變脆，有很高的冷裂紋傾向，需限制S、P、Si的含量，并添加少量Ti，、A、1，、N以細化晶粒和降低淬硬性。使用與母材金屬化學成分不相同的奧氏體不銹鋼焊接材料時，可防止冷裂，但強度不與母材匹配，且由于焊縫與母材在物理、化學、冶金的性能上都存在很大差異，所以可能反而容易出現破壞事故。

（2）焊前預熱和焊后熱處理。對于用同質焊接材料焊接馬氏體不銹鋼時，預熱是防止冷裂紋的重要措施。預熱溫度與鋼淬硬傾向有關，淬硬傾向越大，預熱溫度也應選擇越高。焊后熱處理可降低焊縫金屬與熱影響區的硬度，改善焊接接頭的韌性，降低焊接結構的殘余應力。采用奧氏體焊接材料時焊接構件可不進行焊前預熱和焊后熱處理。

參考文獻

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