低温使用状态的奥氏体不锈钢焊接

路兰卿，许 健

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

0 引言

工作温度低于－150℃的装置一般称之为深冷装置，主要涉及到的介质有液化石油气、液空、液氧、液氮、液氢、液氦等。这些介质的共性是低温，由于低温的影响对于其生产、输送、贮存的设备及管路阀门和一些测试控制装置都必须能够满足低温使用的要求，也就是满足低温韧性的要求。经过对低应力脆性断裂特点的研究和金属断裂机理进行分析，发现金属的低温韧性，即缺口尖端处的金属微观塑性变形能力,是决定压力容器抵抗应力脆断破坏的能力[1]。实验表明，具有面心立方结构的金属如铜、铝、镍和奥氏体不锈钢则基本上没有这种温度效应，即没有低应力脆断。这是因为当温度降低时，面心立方金属的屈服强度没有显著变化，而且不易产生形变孪晶，位错容易运动，局部应力易于松弛，裂纹不易传播，一般没有脆性转变温度。正是由于以上原因使得铜、铝、镍和奥氏体类钢等材料在深冷装置中得到应用，而由于奥氏体不锈钢的强度和价格水平与铜、铝、镍等材料相比优势明显，同时它的可加工性、焊接性、耐蚀性等优良特点，使得奥氏体不锈钢在深冷装置得到了最广泛的应用。在深冷装置中的设备、管道、其他附件等的连接中大多采用焊接，但是焊缝熔敷金属中铁素体含量的高低，对其应用在－150℃的深冷环境下零件有着非常大的影响，降低低温韧性，使零部件发生脆性断裂。所以我们必须采取措施降低奥氏体不锈钢焊接时铁素体的含量，一般在深冷环境中接头的铁素体含量要低于1%。而在这些设备和系统中大量的应用到了奥氏体不锈钢的板材、管材、棒料等，所以也会有大量的焊接任务，因此奥氏体不锈钢的焊接性能对其应用就有很大的影响。

1 奥氏体不锈钢的类型

奥氏体不锈钢在各类型不锈钢中应用最为广泛，品种也是最多的。由于其中的铬、镍含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性。而奥氏体不锈钢以高Cr－Ni 型不锈钢最为普遍，大致上可分 为Cr18－Ni8 型，如S30408、S30403、S31608 等；Cr25－Ni20 型，如S31008、ZG4Cr25Ni20 等；Cr25－Ni30型，如ZG4Cr25Ni35（国外铸造不锈钢）[2]。在深冷环境，304、304L、316 和316L 应用比较普遍。

2 奥氏体不锈钢的焊接特点

与其他不锈钢相比，奥氏体不锈钢的焊接是比较容易的。奥氏体不锈钢的塑性韧性都比较好，所以其焊接接头不存在淬火硬化的担心，也极少出现冷裂纹，而且对于奥氏体不锈钢焊接接头来说，不存在淬火硬化区且它还有强的加工硬化能力，所以即使受焊接热影响而软化的区域抗拉强度也不低。但是在焊接过程中，对于不同类型的奥氏体不锈钢，奥氏体从高温冷却到室温的过程中，随着C、Cr、Ni、Mo 含量的不同、金相组织转变的差异等会在焊接接头中出现不同数量的铁素体组织，影响着奥氏体不锈钢在低温的应用。所以应用在深冷装置中的奥氏体不锈钢焊接时应采取一定措施，防止出现铁素体或减少铁素体含量。

另外对于奥氏体不锈钢焊接材料的选择，应在不产生焊接裂纹的前提下，保证熔敷金属的力学性能和耐蚀性能相当或高于母材。而为了获得好的焊接效果一般要求其合金成分与母材要匹配焊接材料，在焊接后的熔敷金属中一般都会含有一定数量的铁素体。

3 奥氏体不锈钢焊接接头的焊接缺陷

与其他不锈钢相比虽然奥氏体不锈钢有着优良的焊接性能，但是奥氏体不锈钢由于母材和焊缝化学成分、所采用的焊接工艺参数、层间温度控制等的影响会出现焊接热裂纹、耐蚀性下降、接头脆化等一些缺陷。

由18-8 型不锈钢自身的特点，我们知道焊接时接头中容易出现焊接热裂纹。18-8 型不锈钢与碳钢相比电阻值是碳钢的5 倍，在同样焊接电流、电弧电压条件下的热输入多，而其热导率只有碳钢的1/3，使得热传输速率低，热变形大，并且线胀系数与碳钢相比大40%，更是加剧了加热和冷却时的变形量[3]。焊缝金属凝固时产生较大的拉应力，并且焊缝中方向性强的柱状晶组织又为金属中有害杂质的偏析提供了温床，所以奥氏体不锈钢具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有产生热裂纹的可能。所以说多种因素的作用造成焊接热裂纹的出现和焊接后较大的变形量。

奥氏体不锈钢焊接接头铁素体含量的影响： 在以上提到的缺陷中，对于使用于低于-150℃低温环境下的奥氏体不锈钢焊件，由于对其耐蚀性的要求不高，但是为了防止焊接接头中的热裂纹获得优质焊接接头，当人们采取措施增加接头中的铁素体含量，并使焊条的熔敷金属中铁素体含量占4%～12%[4]时，将会严重影响材料的低温韧性。

但是铁素体的存在的确有助于提高抗晶间腐蚀性能和抗应力腐蚀破裂的能力，能有效地提高焊缝的抗热裂纹性能。虽然铁素体可以降低某些不锈钢焊缝的裂纹倾向，但并不是必不可少的[5]。我们可以采取措施即降低铁素体的体积分数又防止出现热裂纹。而且对于应用在高温环境的奥氏体不锈钢焊件，同样会要求其焊缝金属中的铁素体含量不能高于5%，否则长期工作的条件下铁素体会转变为σ 相，造成材料的脆化。

奥氏体不锈钢及其焊接材料和焊缝金属中铁素体的合适含量还没有统一的标准规定。对奥氏体有规定的主要是核电站、核反应堆、国防军工等行业以及重要的化工装置奥氏体不锈钢铸件焊接母材、焊材。根据相关标准控制铁素体含量[6]：

（1）要求无磁性时如雷达、扫雷器上的无磁性铸件中铁素体含量≤0.1%。

（2）特别腐蚀要求；防止选择性腐蚀如尿素级焊接母材级焊材，铁素体含量≤0.5%。

（3）使用于-150℃以下的低温焊缝金属铁素体含量≤1.0%，使用于-150～150℃，非稳定化焊缝金属，铁素体含量4%～12%，稳定化焊缝金属6%～15%。

（4）锻材、管材、棒材、板材的铸坯，铁素体含量3%～5%。

（5）冷冲压和冷拔材料的铸坯铁素体含量≤5%。

（6）适用于540～900℃，σ 相形成温度的母材及焊材铁素体含量3%～8%。

4 降低奥氏体不锈钢焊缝热裂纹的措施

避免出现焊接裂纹的措施可以从冶金和焊接工艺上两方面着手，但是对于使用于低于-150℃低温环境下的奥氏体不锈钢焊件，一定要注意限制铁素体的含量或限制易生成铁素体含量的元素。

（1）严格限制一些杂质元素及合金元素，如S、P、B、Sn、Nb、Sb、Si 等的含量，这些元素易于形成低熔点的液态膜从而造成焊接凝固裂纹，同样母材中的此类元素多时在近缝区也易产生裂纹。对于18-8 型不锈钢非常有效，当P＜0.03%时无裂纹；但对25-20 型不锈钢效果不佳。

（2）适当调整合金成分，可加入适当的Mn，少许的C、N，同时减少Si 的含量。如对于 “U” 系列钢 （尿素级不锈钢） 要求焊接接头形成无铁素体的纯奥氏体不锈钢金相组织，为了获得纯奥氏体金相组织并提高抗裂性能（纯奥氏体金相组织抗裂性能差），就尤其应严格限制Si的含量，因为焊缝金属易形成粗大的单相柱状晶，致使焊缝金属的热裂敏感性增大。

（3）选用焊接材料时可通过Schaeffer 和Delong 不锈钢组织图判断所选焊接材料中Cr-Ni 比的不同生成各金相组织的比例。

以上各项措施都是通过冶金手段，为了防止奥氏体不锈钢产生焊接热裂纹我们还可以通过一些工艺措施实现： ①采用适当的焊接方法并与之相适应的焊接坡口，降低母材金属的熔合比；②焊接参数应选用小的热输入即小电流快速焊，控制层间温度 （一般控制在60℃），多层焊接时等前一层焊缝冷却后再焊接下一层，必要时也可以通过水实现快速冷却，因为通常，焊缝第一焊层的掺合率 （或稀释率） 最大，而焊接应力也最大，故只要第一层焊层不产生裂纹，其余焊层基本上不会产生裂纹。焊接时同时要避免焊缝过热，施焊中尤其要注意焊条不能来回摆动，并要采用窄焊缝的操作技能；③合理的焊接结构、接头形式以及焊接时的顺序，有利于减少焊接应力。对于一条环焊缝或纵焊缝而言，为了降低焊接应力减少焊接变形，焊接次序可以根据相关标准或者施工者的经验，确定焊接工艺路线合理安排焊件的装配顺序和每道焊缝的先后顺序，避免每条焊缝处在刚性拘束状态焊接，设法让每条焊缝有较大的收缩自由，对于减少焊接缺陷是有很大益处的；④焊接中断弧时收弧要慢并注意要填满弧坑。

5 结束语

为了防止焊接热裂纹、提高焊缝抗晶间腐蚀和应力腐蚀的能力，在奥氏体不锈钢中通常都允许一定数量的铁素体（4%~12%）。但是在深冷装置中，为了满足低温韧性的要求，我们必须采取措施控制铁素体的含量达到一定的水平。

[1] 路兰卿.高压液氢容器得研制[J].北京：北京航天制造技术编辑部，2013，1.

[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册－材料的焊接[M].机械工业出版社，2008.

[3] 张其枢，等.不锈钢焊接[M].北京：机械工业出版社，2001.

[4] 戴季煌，等.承压设备设计典型问题精解[M].化学工业出版社，2010.

[5] 中国焊接协会.焊接标准汇编（1996）[M].中国标准出版社，1997.

[6] 陈世修.奥氏体不锈钢中铁素体含量计算[J].沈阳：阀门，2005，1.