奥氏体不锈钢的焊接特点及焊条选用浅析

郑文赢

【摘要】本文分析了奥氏体不锈钢的焊接性及焊条的选用。

【关键词】奥氏体不锈钢焊条

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

Keyword:austenitic stainless steel; electrodes.

【中图分类号】G718.4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）5-0213-02

不锈钢是指主加元素Cr高于12%,能使钢处于钝化状态、又具有不锈钢特性的钢。不锈钢根据其显微组织分为铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体+铁素体型和沉淀硬化型。奥氏体不锈钢通常在常温下的组织为纯奥氏体,也有一些为奥氏体+少量铁素体,这种少量铁素体有助于防止热裂纹。

一、奥氏体不锈钢的焊接特点

1、容易出现热裂纹

热裂纹是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的一种缺陷,其产生原因是由于奥氏体的液、固相线区间较大，结晶时间较长，而且奥氏体结晶方向性强，使低熔点杂质偏析严重而集中于晶界处。此外奥氏体不锈钢线膨胀系数大，冷却收缩时应力大，所以易产生热裂纹。

防止措施:

(1)尽量使焊缝金属呈双相组织,铁素体的含量控制在3-5%以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。

（2）严格限制焊缝金属中S、P、等杂质的含量。

（3）合理进行合金化，如加入4%-6%的锰对防止单相奥氏体产生热裂纹相当有效，此外适当增加碳、氮含量对防止热裂纹也是有益的。

（4）工艺上的措施：制定焊接工艺时尽可能减少熔池过热和接头残余应力。

2、晶间腐蚀

根据贫铬理论,焊缝和热影响区在加热到450-850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬,造成贫铬的晶界,当与腐蚀介质接触时，就会产生晶间腐蚀。

防止措施:

（1）采用低碳或超低碳的焊材,如A002等;采用含钛、铌等稳定化元素的焊条,如A137、A132等。

（2）由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体形成元素,使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织,(铁素体一般控制在5%左右)。

（3）减少焊接熔池过热,选用较小的焊接电流和较快的焊接速度,加快冷却速度。

（4）对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件进行焊后固溶处理

3、应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。

应力腐蚀开裂防止措施:

(1)合理制定成形加工和组装工艺,尽可能减小冷作变形度,避免强制组装,防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为裂源)。

(2)合理选择焊材:焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化及硬脆马氏体等。

(3)采取合适的焊接工艺:保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,如咬边等;采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平。

(4)消除应力处理:焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。

(5)对奥氏体不锈钢进行涂层、衬里等方法，将其与腐蚀介质隔开。

4、焊缝金属的低温脆化

对于奥氏体不锈钢焊接接头,在低温使用时,焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时,焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。

防止措施:

通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝。

5、焊接接头的σ相脆化

焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相,导致整个接头脆化,塑性和韧性显著下降。σ相的析出温度范围650-850℃。在高温加热过程中,σ相主要由铁素体转变而成。加热时间越长,σ相析出越多。

防止措施:

(1)限制焊缝金属中的铁素体含量(5%左右);采用超合金化焊接材料,即高镍焊材。

(2)采用小规范,以减小焊缝金属在高温下的停留时间;

(3)对已析出的σ相在条件允许时进行固溶处理,使σ相溶入奥氏体。

二、奥氏体不锈钢的焊条选用要点

奥氏体不锈钢主要用于耐腐蚀,但也用作耐热钢和低温钢。因此,在焊接不锈钢时,焊条的性能必须与其用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。

1、一般来说,焊条的选用可参照母材的材质,选用与母材成分相同或相近的焊条。如:A102对应0Cr19Ni9;A137对应1Cr18Ni9Ti。

2、由于碳含量对不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响,因此,一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如316L必须选用A022焊条。

3、奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能。可通过焊接工艺评定进行验证。

4、对于在高温工作的耐热不锈钢(奥氏体耐热钢),所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。

(1)对Cr/Ni≥1的奥氏体耐热钢,如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条,以使焊缝金属中含2-5%铁素体为宜。铁素体含量过低时,焊缝金属抗裂性差;若过高,则在高温长期使用或热处理时易形成σ脆化相,造成裂纹。如A002、A102、A137。

在某些特殊的应用场合,可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时,可采用A402、A407焊条等。

(2)对Cr/Ni<1的稳定型奥氏体耐热钢,如Cr16Ni25Mo6等,一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时,增加焊缝金属中Mo、W、Mn等元素的含量,使得在保证焊缝金属热强性的同时,提高焊缝的抗裂性。如采用A502、A507。

5、对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢,则应按介质和工作温度来选择焊条,并保证其耐腐蚀性能(做焊接接头的腐蚀性能试验)。

(1)对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质,须采用含有Ti或Nb稳定化元素或超低碳不锈钢焊条。如A137或A002等。

(2)对于含有稀硫酸或盐酸的介质,常选用含Mo或含Mo和Cu的不锈钢焊条如:A032、A052等。

(3)工件腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备,方可采用不含Ti或Nb的不锈钢焊条。

为保证焊缝金属的耐应力腐蚀能力,采用超合金化的焊材,即焊缝金属中的耐蚀合金元素(Cr、Mo、Ni等)含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2类型的焊接材料(如A022)焊接00Cr19Ni10焊件。

6、对于在低温条件下工作的奥氏体不锈钢,应保证焊接接头在使用温度的低温冲击韧性,故采用纯奥氏体焊条。如A402、A407。

7、也可选用鎳基合金焊条。如采用Mo达9%的镍基焊材焊接Mo6型超级奥氏体不锈钢。

8、焊条药皮类型的选择:

(1)由于双相奥氏体钢焊缝金属本身含有一定量的铁素体,具有良好的塑性和韧性,从焊缝金属抗裂性角度进行比较,碱性药皮与钛钙型药皮焊条的差别不像碳钢焊条那样显著。因此在实际应用中,从焊接工艺性能方面着眼较多,大都采用药皮类型代号为17或16的焊条(如A102A、A102、A132等)。

(2)只有在结构刚性很大或焊缝金属抗裂性较差(如某些马氏体铬不锈钢、纯奥氏体组织的铬镍不锈钢等)时,才考虑选用药皮代号为15的碱性药皮不锈钢焊条(如A107、A407等)。

综上所述,奥氏体不锈钢的焊接有其独特的特点,奥氏体不锈钢焊接时焊条选用尤其值得注意,不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。随着焊接技术的发展，气体保护焊和埋弧焊取代了部分焊条电弧焊，其焊接材料的选择可参照焊条选择的原则来进行，这样才有可能达到所预期的焊接质量要求。

参考文献：

[1]陈云祥.焊接工艺.机械工业出版社，2005

[2]陈梅春.金属熔化焊基础.化学工业出版社，2002

[3]刘会杰.焊接冶金与焊接性.机械工业出版社，2008

[4]吴树雄.尹士科 李春范.金属焊接材料手册，2008