奥氏体不锈钢堆焊金属开裂，剥离（包括鼓包）成因分析

李晓东

一、概述：奥氏体不锈钢堆焊金属开裂是指在以碳钢，低合金钢为基体表面上用堆焊的方法制成奥氏体金属层开裂及堆焊层相接的基体上金属开裂。

奥氏体不锈钢堆焊金属剥离是指在以碳钢，低合金钢为基体表面上堆焊金属与基体没完全熔化结合或者熔化结合部分剥离的现象。

奥氏体不锈钢堆焊金属开裂及剥离是铁基合金堆焊常见的最主要的缺陷，也是危害性较大的缺陷。堆焊金属开裂及剥离按产生的时间可分为堆焊时产生的开裂及剥离和在用过程中产生的开裂及剥离。两个时间段产生堆焊金属开裂及剥离既有共同原因，但又有不同且特殊的原因。

二、奥氏体不锈钢堆焊金属焊接时产生开裂及剥离的原因分析：

奥氏体不锈钢堆焊材料与碳钢，低合金钢为基体的材料在化学成分，物理化学性能，金相组织，力学性能等方面存在较大差距。在焊接热循环作用下，堆焊金属而产生开裂和剥离缺陷，影响堆焊金属开裂及剥离的主要原因由以下几点：

（1）堆焊材料的影响：

堆焊的焊缝金属都是由堆焊材料的融合金属和融入的基体金属融合而成的，因此堆焊材料和集体材料的化学成分物理化学性能，金相组织，力学性能是影响堆焊金属开裂及剥离的主要原因之一。

堆焊材料化学成分的影响：

堆焊材料含碳量低于0.06%，含铬≥18%，含镍≥8%，碳钢，低合金钢含碳量在0.10%-0.20%，铬≤2.5%，不含镍。由于材料的合金元素含量较低，堆焊时（第一层）因材堆堆焊金属有稀释作用，会使堆焊金属中奥氏体和铁素体形成元素不足，结果堆焊金属为奥氏体+马氏体组织，同时在焊接热循环作用下，基体材料中碳元素迁移至堆焊金属，至使基体材料脱磷而堆焊金属增碳，堆焊金属增碳后进一步促进马氏体形成。由于马氏体存在使堆焊层金属塑性韧性严重下降，抗开裂性能张差，而产生开裂。堆焊材料含有合金元素对堆焊金属铁素体含量有较大的影响。铁素体含量增加使堆焊金属产生高铬铁素体或奥氏体铁素体复相钢铁素体，使操作且形成倾向明显加大，堆焊金属变脆。

堆焊材料含有较高水量时，堆焊金属中扩散氢含量增大，变堆焊金属塑性和韧性降低。

（2）堆焊工艺的影响：

设备或另件待堆焊表面有缺陷（裂纹，机械损伤等），在堆焊过程中而产生裂纹和就裂纹扩展。待堆焊面有油污，水分铁锈等污物，堆焊时使堆焊金属含氢量增高，而造成氢至开裂。

第一层堆焊选用焊接材料的合金元素含量过低，堆焊时由于基体的合金元素含量低，对堆焊金属成分有稀释作用。因此，会使堆焊金属中奥氏体和铁素体形成元素含量不足，结果堆焊金属可能出现大量的马氏体组织，导致堆焊金属韧性下降，并增大产生开裂倾向。

堆焊过度层的线能量过大，基体材料稀释作用大使熔合比较大，马氏体脆硬組织厚度增厚，会造成股层产生微开裂。堆焊复层的线能量过大或层间温度过高，而造成堆焊金属中相析法，不仅韧性降低而产生开裂，而且耐性也降低。堆焊性能量过大，导致焊接残余应力增大，在外力影响下，产生开裂。

④堆焊时操作不当，造成堆焊金属与基体金属之间未熔合，堆焊层之间未熔合，搭接不当造成剝离。

⑤堆焊过程中清洁不彻底，堆焊金属中产生夹杂，而产生开裂。

（3）焊接热处理的影响：

热处理因素是指温度，保温时间和温度变化速度三个基本要求。热处理工艺对其耐晶间腐蚀，应力腐蚀性能和塑性，韧性有重大影响。

当奥氏体不锈钢足够长时间的处于425℃至900℃之间的温度时，碳化铬便会在奥氏体晶粒的边界上优先沉淀析出，这种沉淀析出被称之为中温敏化。经过中温敏化的堆焊层金属暴露在腐蚀介质中，变会发生晶间腐蚀而产生裂纹。

从GB/T30583-2014《承压设备焊后热处理规程》表1《焊后热处理规范参数》中分析得知，碳钢，低合金钢焊后热处理温度通常在600-730℃之间正好处于420-900℃的中温敏化区和565-925℃的形成温度区间内，若按碳钢，低合金钢热处理规范进行热处理，极而使堆焊金属中形成晶间腐蚀和相析出，造成堆焊金属开裂及剥离。

三、奥氏体不锈钢堆焊金属在使用过程中产生开裂和剥离的原因分析：

（1）力学因素：

堆焊金属开裂始发于堆焊层金属表面堆焊金属剥离始发于基体金属与堆焊金属结合面。堆焊金属的表面接触腐蚀介质，所承的拉应力又最大，当拉应力大于某一值时，便产生开裂和剥离。拉应力一般包括承受载荷应力，残余应力和温差应力三部分。

承受载荷应力是指容器在正常工作情况下，堆焊金属所受到最大拉应力。其中包括正常工作情况下内压力；液注静压力；隔热材料，衬里及附件静重力；压力急剧波动引起冲击载荷；流体冲击引起的反力；温度梯度或热膨胀量不同引起的作用。

残余应力是指容器制作完工后，残留在堆焊金属及堆焊金属的基体结面内应力，其中基体金属冷加造成残余应力，焊接残余应力，结构不合理产生应力集中等。

容器在工作过程中，开车停车升温或降温速度过大，或相邻区域温差过大，造成的温差应力。

④残留在堆焊金属内氢气产生压力，

以上四中应力的合力是堆焊金属在工作状况下或堆焊后储存于堆焊金属内或金属于基体金属结合面的应力。一般内应力大于堆焊层金属或者大于堆焊金属于基体金属结面材料抗拉温度时，而产生堆焊层与后表面开裂及堆焊金属与基体金属结合面于金属出现开裂及剥离。

（2）介质因素：

堆焊金属工作环境内介质特征离子，特征离子浓度及其范围对堆焊金属表面腐蚀开裂起主要作用。

A：特征离子是对奥体不锈钢有腐蚀作用的离子。

B：特征离子与堆焊金属接触产生腐蚀是有条件的，不是只要接触特征离变产生腐蚀。产生腐蚀条件，其中特征离子浓度达到或超过某一限值或者处在某一限值范围内时，堆焊金属方能产生腐蚀开裂。

C：特征离子浓度限值越小或者特征离浓度限值范围越宽，则堆焊金属越容易腐蚀开裂。

引起奥氏体不锈堆焊与开裂的杂质有时从与堆焊金属接触的非金属材料中析出的，或者从空气中吸收的。例如在压力和高温的填料中析出硫化物和氯化物；在湿气的作用下水泥中的所含的氯化钙中析出氯化物；在高温或紫外线照射时绝热材料以聚氯乙烯之类塑料中可析出氯化物；经常暴露在空气中的液体可以从空气中吸收氯、硫的离子，使环境介质中特征离子浓度到达或者超过其限制或者处在限值范围内，从而致使堆焊金属产生腐蚀开裂。

在实际使用条件下，诱发腐蚀开裂的介质的特征离子并未达到有害程度，但由于某些因素引起这些物质特征离子浓缩，结果使堆焊金属腐蚀开裂倾向增大。

（3）温度因素：

温度的提高一般都会加速水溶解介质中的成分选择性腐蚀。

温度升高金属氢的溶解量增加，温度降低，溶解度降低。若在高温，临氢介质下工作，当温度快速下降，溶解氢来不及逸出，而残在金属内部而造成氢脆，而使产生开裂倾向增大。逸出氢气在缺陷处聚集形成高压气包，而产生堆焊层剥离。

（作者单位：菏泽市产品检验检测研究院 ）