奥氏体不锈钢的焊接特点

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第536页（3148字）

(一)焊接接头的耐蚀性

1．晶间腐蚀

奥氏体不锈钢接头在腐蚀介质中易产生沿晶粒边界的晶间腐蚀，奥氏体不锈钢对晶间腐蚀的敏感程度与其成分、所受的热循环温度以及时间有关。18－8型奥氏体不锈钢在450～850℃温度区间内停留一定时间后，则在晶界处析出富铬的碳化物(M₂₃C₆型)，造成晶粒表层区域的含铬量下降，形成贫铬区域。在腐蚀介质强烈的作用下，贫铬区优先腐蚀，即产生晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶间断裂^［4］。

根据奥氏体不锈钢母材类型和所采用的焊接材料与工艺，可能产生焊缝晶间腐蚀、热影响区过热区“刀蚀”和热影响区中温敏化区腐蚀。

(1)焊缝晶间腐蚀 Cr18Ni18型不锈钢在多层焊缝的前层焊缝热影响区达到敏化温度(600～1000℃)的区域，在晶界上容易析出M₂₃C₆型碳化物，形成贫铬晶粒边界。这样焊缝表面与腐蚀介质接触就会产生晶间腐蚀。

(2)热影响区过热区“刀蚀” 在奥氏体不锈钢焊接接头加热温度超过1200℃的部位，NbC或TiC将全部固溶于γ相晶粒内，冷却时有部分固溶的碳原子扩散并偏聚于γ相晶界处。在随后多层焊时加热到1000～600℃的敏化温度区间内上述γ相晶界偏聚的碳原子浓度增大，同时在γ相晶界发生Cr₂₃C₆型碳化物沉淀，在一定腐蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀状腐蚀的破坏，刀蚀宽度与Cr₂₃C₆的比例有关。

(3)热影响区敏化腐蚀 对于普通18－8钢，当焊接热影响区加热到600～1000℃，就会出现敏化区腐蚀。含Ti或Nb的18－8Ti或18－8Nb，以及超低碳18－8钢，不易有敏化区出现。

防止晶间腐蚀的措施有：

(1)选用超低碳或添加Ti、Nb等稳定元素的不锈钢焊接材料。

(2)采用小线能量，减小危险温度范围停留时间；采用小电流、快速焊、短弧焊、焊条不作横向摆动，焊缝可以强制冷却，减小焊接热影响区，多层焊，控制层间温度，后焊道要在前焊道冷却到60℃以下再焊。

(3)接触腐蚀介质面的焊缝最后焊接。

(4)焊后进行固溶处理。

2．焊接接头的应力腐蚀破裂

应力腐蚀裂纹大多发生在焊缝表面，深入焊接金属内部，尖部多分枝，主要穿过奥氏体晶粒，少量穿过晶界处的铁素体晶粒。影响奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀的因素有焊接区的残余拉应力、焊缝铸态组织以及在焊接区的碳化物析出等。另外，由于结构原因在焊接接头区存在局部浓缩和积沉的介质也是引起奥氏体不锈钢焊接接头出现应力腐蚀的原因。防止应力腐蚀的主要措施有：

(1)合理调整焊缝成分 这是提高接头抗应力腐蚀的重要措施之一。

(2)减少或消除焊接残余应力 通过焊接结构的合理设计，尽量减小接头的拘束度，合理安排焊接顺序，焊后进行消除应力处理。

(3)改变焊件的表面状态 对敏化侧表面进行喷丸处理，使该区产生残余压应力，或对敏化表面进行抛光、电镀或喷涂等，提高耐腐蚀性能。

(4)采用合理的焊接工艺 选用热源集中的焊接方法、小线能量以及快速冷却处理等措施，减少碳化物析出和避免接头组织过热。

(5)对于某些特殊的介质，可采用高铬不锈钢00Cr25Ni25Si2V2Ti(Nb)、00Cr20Ni25Mo4．5Cu等。

(二)焊接热裂纹

焊接奥氏体不锈钢最常见的是出现焊缝凝固裂纹。焊接热影响区近缝区多半是液化裂纹，在厚大焊件中也有时出现焊道下裂纹。热裂纹主要形式有：横向裂纹、纵向裂纹、弧坑裂纹、显微裂纹、根部裂纹和热影响区裂纹等^［3］。

1．产生热裂纹的原因

(1)奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，导热系数小，延长了焊缝金属在高温区停留时间，提高了焊缝金属在高温时经受的拉伸应变。

(2)奥氏体不锈钢焊缝结晶时，液相线与固相线之间的距离大，凝固过程的温度范围大，使低熔点杂质偏析严重，并且在晶界聚集。

(3)纯奥氏体焊缝的柱状晶间存在低熔点夹层薄膜，在凝固结晶后期以液态膜形式存在于奥氏体柱状晶粒之间，在一定的拉应力作用下起裂、扩展形成晶间开裂。

2．影响产生热裂纹的因素

(1)焊缝金属组织 单相奥氏体焊缝对热裂纹较为敏感，这主要是由于单相奥氏体的合金化程度高，奥氏体非常稳定，焊接时容易产生方向性很强的粗大柱状晶组织，同时高合金化增大了液固相线的间距，加剧了偏析，此外硫、磷等杂质元素与镍形成低熔点共晶体，在晶界形成易熔夹层，增加单相奥氏体对热裂纹的敏感性；

(2)焊缝的化学成分 常用合金元素对奥氏体焊缝热裂纹倾向的影响见表2－4－9；

表2－4－9 常用合金元素对奥氏体焊缝热裂纹倾向的影响

(3)焊接应力 焊接区较大的焊接应力，是形成焊接热裂纹的必要条件之一。

3．防止产生焊接热裂纹的主要措施

(1)控制焊缝金属的组织 焊缝组织为奥氏体+铁素体的组织时，不易产生低熔点杂质偏析，可以减少热裂纹的产生。但铁素体含量应＜5%，否则会造成σ相脆化。

(2)调整焊缝金属的化学成分 减少焊缝金属中Ni、C、S和P的含量，增加Cr、Mo、Si及Mn等元素的含量，可以减少热裂纹的产生。为了获得双相组织，一般铬镍的比例为Cr／Ni=2．2～2．3，Ni含量过高，也容易产生热裂纹。

(3)正确选用焊接材料 用低氢型焊条可以使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，提高抗裂性，但易使焊缝含C量增加，降低耐腐蚀性。用酸性药皮焊条，氧化性强，合金元素烧损严重，抗裂性差，而且晶粒粗大，容易产生热裂纹。

(4)采用合适的焊接工艺参数 采用小线能量，即小电流、快速焊，减少熔池过热，避免形成粗大柱状晶。采用快速冷却，减少偏析，提高抗裂性。多层焊，要控制层间温度，后道焊缝要在前焊道冷却到60℃以下再施焊。