奥氏体不锈钢的焊接

□ 刘克攀

一、引言

不锈钢按主要化学成分分类可分为三种，铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰氮不锈钢。按组织分类有:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体-奥氏体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢。奥氏体不锈钢一般分为:18-8型奥氏体不锈钢、18-12Mo型奥氏体不锈钢、25-20型奥氏体不锈钢。

一般来说，合金元素含量越多，热导率λ越小，而线膨胀系数α和电阻率μ越大，奥氏体不锈钢的λ约为低碳钢的1/3，其α比低碳钢大50%，并随温度的升高，α的系数也相应提高。所以奥氏体不锈钢在焊接中常会引起较大的变形。

奥氏体不锈钢具有优良的焊接性，而且同时有良好的耐腐蚀性并且低温下有很好的低温韧性。常用的焊接方法有焊条电弧焊，埋弧焊，氩弧焊。在压力容器制造中，使用18-8型奥氏体不锈钢总是希望焊缝组织是单一的奥氏体组织，但是为了确保焊缝金属有足够的抗结晶裂纹能力，却希望焊缝组织含有少量δ铁素体。近年来随着全球液化天然气(LNG)消耗量大持续增长，对于LNG设备的需求也在不断增长，奥氏体不锈钢304L在用于设计温度-196℃低温环境中还有良好的低温冲击韧性。

奥氏体不锈钢焊接工艺要点:其焊接一定要合理控制焊接参数，奥氏体钢热导率小，热量不容易散失，一般焊接所需的热输入比碳钢要低20%～30%。过高会造成焊缝开裂，变形严重。一般采用较小的线能力和较快的焊速。焊接要有引弧板(纵缝)，不得在材料表面引弧，运条要稳定，短弧焊接，不摆动，直线运行，快速焊接。为防止在450～850℃之间停留时间长而出现晶间腐蚀，应严格控制层间温度，必要时采取强制冷却措施。多层焊时，每层要清渣，严格控制层间温度，等前道焊缝冷却后，再焊接下层。

二、不锈钢压力容器的焊接方法

(一)手弧焊。应选用碱性药皮焊条，采用低碳焊条，减少焊缝含碳量，使焊缝成为γ+δ相奥氏体+铁素体组织。焊条电弧焊，焊接电弧长度，焊接普通钢时，以2～4mm为佳，而焊接不锈钢时，以1～3mm为佳，过长则保护效果不好。为防止焊接气孔之出现，焊接部位如有铁锈、油污等务必清理干净。不锈钢手工电弧打底时，由于焊条直径较粗，熔池体积大，焊工不易掌握，易造成焊缝背部产生焊瘤、烧穿、末焊透及气孔等缺陷，无法保证焊接质量。为避免上述缺陷，不锈钢压力容器打底焊接宜采用小直径焊条 Ф2.5、Ф3.2。填充盖面可以采用Ф3.2，Ф4.0焊条。Ф2.5mm 焊接电流I=75～85A;Ф3.2mm 焊接电流 I=90～110A;Ф4.0mm 焊接电流 I=120～140A，电弧电压为:U=21～23V，直流反接。不锈钢填充前应仔细检查清理焊层，彻底清理熔渣跟污物，清理熔渣时不允许使用碳钢刷，要用不锈钢刷或砂轮防止铁离子污染。电弧弧长应适宜，密切注视熔池冷却，防止气孔涌出。防止电流偏小否则容易造成电弧穿透力不够形成未焊透。电流偏大则容易造成烧穿，熔池下坠形成焊瘤。合理控制焊接电流，焊接电压，焊接速度平稳。盖面焊点关键在于焊接成型美观，均匀，不咬边，焊缝余高不得超标，其中低温不锈钢容器不得有任何咬边。焊道宽度比坡口宽2～3mm，焊缝超高部位可以打磨但是不应伤及母材并要求圆滑过渡。

(二)氩弧焊。保护气体为氩气，纯度为99.99%。当焊接电流为50～150A时，氩气流量为8～10L/min，当电流为150～250A时，氩气流量为12～15L/min。钨极从气体喷嘴突出的长度，以4～5mm为佳，在角焊等遮蔽性差的地方是2～3mm，在开槽深的地方是5～6mm，喷嘴至工作的距离一般不超过15mm。对接打底时，为防止底层焊道的背面被氧化，背面也需要实施气体保护。为使氩气很好地保护焊接熔池，和便于施焊操作，钨极中心线与焊接处工件一般应保持80～85°，填充焊丝与工件表面夹角应尽可能地小，一般为10°左右。氩弧焊(TIG):(直流正接)焊丝 Ф=2.4mm，I=90～100A，U=12～14V，焊速约150mm/min.。氩弧焊在不锈钢压力容器制造中用于打底焊或薄壁小直径容器的焊接。氩弧焊打底时，施焊时氩气要始终充于焊缝，施焊过程中要严格控制融孔直径在2.5～3mm，并保证钨极在不同角度均匀调整，并垂直容器轴心。收弧时，填充焊丝不应使焊缝过高，以利接头，也不应该太薄防止弧坑裂纹。中断时应将焊缝末端重新溶化并重复5～10mm，且形成圆滑过渡。

(三)埋弧焊。奥氏体不锈钢压力容器生产中，埋弧焊是效率远远高于手弧焊跟氩弧焊的方法。但是奥氏体不锈钢埋弧焊时，由于焊接电流密度大，热量集中，因此形成的弧坑也较大，并且熔池厚度也增大，在局部间隙的较大处很容易烧穿，因此在施焊过程中需要在焊件背面采取一定的工艺措施，以防烧漏。常用方法是采用手弧焊封底，并用纯铜板垫、永久垫和焊剂垫等。通过焊接工艺评定确定相关工艺参数，经过评定试验发现各项参数均达到合格。

奥氏体不锈钢焊接中容易出现热裂纹，为了防止奥氏体铬镍钢焊接接头的热裂纹，可从冶金和工艺两方面采取措施。

三、防止不锈钢焊接产生热裂纹的措施

(一)冶金措施。一是奥氏体铬镍钢焊接接头中的热裂纹，无论是结晶裂纹、液化裂纹，还是高温低塑性裂纹都与材料本身所含的低熔点共晶体的偏聚及晶界物理和化学不均一性有关，因此防止热裂纹产生的根本措施是严格控制不锈钢母材和焊接材料中的C、S、P、Si等杂质元素，提高材料本身的纯净度。二是调整焊缝金属的合金成分，使其形成含δ-铁素体3%～8%的奥氏体+铁素体双相组织。焊缝金属中铁素体体积分数控制在6%～10%，可获得无裂纹的焊缝。但铁素体体积分数不宜大于10%，否则会在焊后的加热过程中转变成δ-相而使焊缝金属变脆。不过在LND低温容器中，为了获得更高的冲击韧性，把焊缝中铁素体含量控制在2%以下。可以同时满足-196℃低温时候，奥氏体不锈钢的冲击功大于31J，又要侧向膨胀量大于0.38mm。

(二)工艺措施。第一，合理设计坡口形状和几何尺寸，规定合适的接头装配间隙，降低母材在焊缝金属中的比率;第二，正确调整焊接规范参数适当地提高电弧电压和焊接速度，降低焊接电流，以增大焊缝的成型系数，形成向上共生结晶的焊缝形状;第三，减小焊接线能量，控制层间温度外加冷却措施，以提高焊缝金属初次结晶的速度，减弱焊缝金属晶间偏析的程度。

通过以上措施，奥氏体不锈钢焊接的热裂纹问题大大降低，就是偶尔出现的热裂纹也是基本由焊工操作不当所致。

［1］李亚江主编.焊接冶金学［M］.北京:机械出版社，2006

［2］(美)利波尔德.不锈钢焊接冶金学及焊接性［M］.北京:机械工业出版社，2008

［3］王宗杰主编.熔焊方法及设备［M］.北京:机械工业出版社，2007