不锈钢的焊接方法.doc

不锈钢与其他金属材料的焊接特点1、异种金属形成焊接连接的可能性： 只要采取恰当的焊接手段、精细的工艺措施，加上选用理想的焊接材料，可以说绝大多数异种材料副（即异类的两块待焊材料）的焊接连接，包括玻璃-金属、石墨-金属这样的非金属-金属副，都是可以焊接的。其中许多不能直接形成焊接连接的异种材料副，往往是采用钎焊的方法或通过第三种甚至多种中间材料将他们连接起来。也就是说，将一个直接连接的材料副分解为两个甚至多个串联连接的材料副。一个异种材料副能否在他们之间进行连接，选择何种第三材料（钎焊材料）才能将本不能焊接的材料副连接起来，这要根据两种材料之间的物理、化学性能来决定。两种不同材料能否直接形成焊接连接，决定于构成该两种材料的原子或分子之间的相互作用的强弱。两元素之间的相互作用决定于他们的电子层结构、价电子数、原子大小、负电性以及晶体点阵、点阵常数诸因素。对于异种金属材料的焊接来说，人们可以根据两种合金中的主要元素配对的相图来考虑。一般说来，在液态和固态都形成无限互溶的两种金属之间，能够便利的形成性能良好的焊接连接。液态无限互溶的两种金属，无论是共晶型还是包晶型相图结构，都是可以形成焊接连接的，不过其性能与两种金属间的组织过度状况相关。形成金属间化合物或间隙化合物中间相的两种合金，也是可以形成焊接连接的，其接头性能大半受到此种化合物性能的影响。如果两种金属在液态或固态都完全不互溶，或者溶解度极小，则不能形成真正的焊接连接，他们之间最多不过形成一个微弱的附着而已；仅当接合面十分犬牙交错，以致互相咬合，这种连接才会有一定的强度，这种接头实质上只能算是机械连接，这两种金属若欲实现牢固的焊接连接，可以通过第三种金属来实现。当然，两元合金的相图结构，归根结底还是来源于上述的元素的物理化学特性。2、异种金属熔焊的主要问题常用金属元素的物理和化学性能在可能形成焊接结合的前提下，特别是要在熔焊条件下获得一个实际可用的焊接接头，还存在以下许多问题。（1） 金属物理性能的不同 1）线胀系数的差异。当两种线胀系数差别较大的金属进行焊接时，将会造成焊接接头出现复杂的高内应力状态，可能导致产生裂纹，甚至还会导致焊缝与母材金属剥离。奥氏体不锈钢与其他非奥氏体钢的焊接正是这种情况，因此，这类异种钢焊接时，应特别要防止上述缺陷的发生。焊前对线胀系数小的金属进行预热，或者在线胀系数差异很大的两金属中间加入异种塑性好的金属焊接成过渡接头作为缓冲带，都是行之有效的方法。 2）热导率和比热容的差异。金属的热导率和比热容强烈地影响被焊材料的熔化、熔池的形成、焊接区温度场合焊缝结晶过程。当两种金属在这方面差异很大时，可使被焊材料熔化不同步，熔池形成和金属结合不良，导致焊缝结晶条件变坏，焊缝性能和形成不良。熔焊时，通常应将热源位置偏向热导性能好的材料一侧。例如纯铜与18-8型奥氏体不锈钢焊接时，由于铜的热导率比18-8型奥氏体不锈钢大20倍，因此必须把热源的大部分热量集中到纯铜待焊处得一侧，以保证两侧的金属均匀同步的熔化和凝固。3）电磁性的差异。在异种金属熔焊时有时会出现焊接电弧偏吹，或者电弧燃烧不稳定现象而造成焊缝成形变坏，这往往是由于两种金属的电磁性相差很大而发生的。如非奥氏体的钢铁与其他无磁性金属（铝、铜等），奥氏体不锈钢同其他钢铁的异种钢焊接即为此例。对于热源密度不是很大，而热源截面较大的热源（比如电弧焊）来说，这种电磁性的差异对焊接过程的影响尚不很明显的话，那么，对热源密度很大，而热源截面很小的热源来说，这种电磁性的差异对焊接过程的影响就很明显。例如电子束焊接铜与低碳钢时，当电子束指向铜-钢对口或铜母材（一般来说，铜-钢异种金属焊接时，由于铜的热导率比钢大得多，因而热源应偏向铜侧）时，发现电子束向低碳钢母材一侧移动，就是由两种金属的电磁性不同而引起的。（2）形成脆性化合物。异种金属焊接时，由于焊缝金属化学成分的多元性和复杂性，除了将形成多种碳化物和氮化物等外，还能析出多种非金属或金属间化合物。这些非金属化合物与金属间化合物，除本身具有一定脆性外，还对焊接接头的力学性能有很大影响，往往会降低焊缝金属的塑性和韧性，甚至于导致裂纹倾向加大，以及焊接接头发生脆性段磊的重要因素。（3）焊接接头难于与母材金属等性能。通常，两种不同金属结合在一起会构成腐蚀电偶，因而其耐蚀性要比其中任意金属都低，这是一个不易解决的难题。此外，为了实现异种金属的焊接，往往选用塑性较好的焊接材料，以避免焊缝金属开裂或脆化，但可能会降低焊接接头的强度。因此，为了保证异种金属焊接接头具有良好的综合使用性能，往往不得不放弃或降低一些对次要性能指标的要求，这是异种金属焊接时不可避免的问题。由此可见，异种金属焊接时需要解决的问题较多，焊接难度也很大，只有选用合理的焊接方法和焊接材料，并正确制定焊接工艺方案，采取一些特殊措施，才能获得优质的异种金属的焊接接头。3、异种金属熔焊的焊接性两种不同母材金属A和B焊成的焊接接头可以看成是一个由A母材金属A热影响A熔合区焊缝金属B熔合区B热影响区B母材金属所构成的一个承载链条，该接头的性能和使用寿命最终决定于其中一个最薄弱的环节。为了保证异种材料焊接接头的质量，就应该使焊缝金属、两个热影响和两个熔合区都具有不低于或至少接近母材金属的性能。对两个热影响区的组织和性能，则决定于材料本身的性能和焊接工艺条件，这和焊接同种材料时基本一样。异种材料焊接的根本为题，是如何确保焊缝金属以及两个熔合区的质量优良。熔合区的问题往往比焊缝金属的问题更为突出，因为这里的成分复杂、组织很不均匀，其性能也更难于得到保障。（1）焊缝金属的化学成分、组织和性能对于钢铁焊接来说，我们可以根据母材及所选用的焊接材料的化学成分和熔合比，利用舍夫勒图来预测其焊缝金属的化学成分及组织特征，进而分析焊缝的金属性能。因此，舍夫勒图对于分析异种钢焊接来说是非常重要的。（2）焊接熔合区的化学成分不均匀性1）固-液界面凹凸不平所造成的化学成分不均匀性。焊接熔合区从理论上来说，应该是焊缝金属的液相线和固相线之间的区域，但由于材料的不均匀性，这一区域实际上是固-液相犬牙交错的区域。加之靠近固体母材的金属的不均匀混合，使这个区域的液态金属具有相当复杂的元素的分布。由于元素在固液相中溶解度的不同，在固液相间元素分布存在一定的梯度。2）焊接熔合区液态金属的化学成分不均匀性。熔合区的另一种成分不均匀性，产生于焊接过程中的液相熔池金属一侧的不均匀搅拌区。熔池的边缘层母材金属份额较高且未被搅拌均匀，其原因是熔池边缘的温度较其平均温度低，距电弧电流中心较远，电磁搅拌力也较弱，金属的流动性较差；被融化下来的母材金属处于液态的时间较短。在比较严重的情况下，甚至可以考到成块的母材金属以岛状或半岛状贴近于焊缝边缘。这种成分不均匀性的程度与焊接参数大小有关，特别是与施焊过程中焊接条件的均匀性和稳定性关系更大。3）焊接熔合区固、液相间化学成分不均匀性。通常，被焊的两异种材料的成分差异愈大，则焊缝金属与焊缝两侧或焊缝一侧母材金属的成分差异也愈大。另外，即使是焊缝金属同母材金属之间的某元素的含量相同，焊缝金属同母材金属之间也就形成一个异种材料的连接副。焊接过程中，一侧是固态的A（或B）母材金属，一侧是D成分的液态焊接熔池。即使某元素在熔池中的含量与某侧母材中的含量相等，但由于该元素在固、液共存条件下，在固、液相界面两侧的含量也会不同。4）焊接熔合区的组织与性能的不均匀性。熔合区的成分不均匀性，必然会导致金属组织和性能的不均匀性。其不良影响的严重程度，一方面同成分不均匀性的严重程度有关；另一方面在很大程度上又与母材金属A（或B）铜焊缝金属D各组成元素间相互作用的性质有关。因此，焊接方法的不同、焊接工艺条件及参数、焊接过程的稳定性和焊后热处理的温度和保温等，都会对异种焊接接头熔合区的组织和性能的不均匀性和不一致性带来影响。（3）异种钢焊接接头裂纹：异种钢焊接时，通常出现下列形式的裂纹：1）近缝区裂纹渗透性裂纹。大多数发生在具有淬火倾向的高合金马氏体钢或一般低、中合金的珠光体钢焊接中。近缝区裂纹形态为融合线稍有一点距离处。在异种钢焊接可能由于成分不同的焊缝金属与热影响区金属相互作用而引起的渗透性裂纹。例如，由黄铜焊丝焊接钢-铜接头时，特别是气焊的条件下，如果高温停留时间过长，有可能由于黄铜沿着钢的奥氏体晶界往母材金属深处渗透，导致母材金属的晶界裂纹，叫做渗透性裂纹。熔合区裂纹。异种钢焊接接头熔合区裂纹，与该部位的成分不均匀性和组织不均匀性有直接关系。氢致延迟裂纹。近缝区有可能形成冷裂纹，这是因为在珠光体钢母材近缝区形成硬脆的马氏体组织所致，它是在淬火钢母材的近缝区，由于氢的扩散而产生氢致裂纹。但是，如果焊接接头有奥氏体存在，由于奥氏体钢的高塑性，其熔氢能力强及氢的扩散能力弱，因而在有奥氏体存在的条件下，产生氢致裂纹的可能性大大降低。液化裂纹。近缝区也有可能形成液化裂纹，特别是当母材化学成分比较复杂、有析出物存在时，就可能产生液化裂纹。2）焊缝金属中的结晶裂纹。3）焊接接头中的热疲劳裂纹。总的来说，由于奥氏体不锈钢及奥氏体不锈钢的优良塑性、小的屈强比、熔氢能力强及氢的扩散系数小等原因，只要焊缝金属为奥氏体+5%-15%铁素体的双相组织，其各种裂纹倾向性并不大。（4）获取优质异种材料的焊接接头的工艺措施1）正确地选择焊接材料，以获得成分优良的焊缝金属，确保无裂纹形成，不仅自身有良好的性能，而且同两种异种材料都有良好的兼容性，形成性能良好的焊接接头。2）选择合理的过渡层材料。3）根据焊接构件特点和焊接接头形式来选择焊接坡口，焊接坡口交给你尺寸和装配尺寸的精度要高于同材料焊接的要求。4）根据被焊材料的焊接性，制定合理的焊接参数。还必须同时考虑它对熔合比的影响，以确保焊缝金属的成分和组织。5）尽量提高焊工的操作技能，维持焊接参数在施焊过程中的高度稳定性，以保证焊缝金属成分，尤其要尽量控制熔合区成分的不均匀性，而且要连续稳定。在可能的条件下尽量提高自动化程度。奥氏体不锈钢与珠光体钢的焊接（1）焊接工艺 1）奥氏体不锈钢与铁素体钢的异种钢焊接。当使用表一给出的填充材料时，可以采用焊条电弧焊、TIG和MIG等方法焊接。焊接时，要有合适的熔合比，以使焊缝金属有良好的抗热裂性能。打底焊时，熔合比较高，可能达到50%以上。TIG焊时，熔合比变化范围较大，可以方便的调节焊缝金属的化学成分。表一 奥氏体不锈钢与普通碳钢和低合金钢的异种钢焊接常用的焊接材料熔化敷金属的化学成分和铁素体含量以及热膨胀系数编号钢的等级AWS 分类化学成分（质量分数，%）铁素体含量20-500的平均热膨胀系数/10-6mm-1K-1CSiMnCrNiMoNb1Cr19Ni9Mo3E308Mo0.050.81.019.09.03.41818.02Cr23Ni12LE309L0.020.91.223.012.01817.53Cr23Ni12Mo3 LE309Mo L0.020.91.023.012.02.72517.44Cr22Ni18Mo50.130.94.522.518.0018.05Cr16Ni70Mn6Nb2EniCrFe30.050.56.016-2070.02.0014.4由于铁素体钢可能需要焊前预热，建议用表一中3号高合金奥氏体焊条在铁素体钢的坡口表面堆焊一层过渡层。但堆焊过渡层时要预热。在堆焊过渡层时要做到以下几点：在堆焊第一道时，母材要预热，用小直径（2.5mm）焊条，小热输入焊接，以降低熔合比。以后的焊道可以用较大直径焊条，较大热输入焊接，和与前道有一定量得重叠。之后与奥氏体不锈钢母材焊接时应采用标准的奥氏体焊条（如E308或316）进行焊接，不需要预热。这种在待焊一侧的坡口表面堆焊一层过渡层的方法是异种材料（不仅是钢）焊接经常使用的一种方法。奥氏体不锈钢与铁素体钢焊接时，要避免在铁素体钢中产生氢致延迟裂纹。其防止的方法与一般低合金铁素体钢相同，即要正确地选择焊接材料和焊接工艺。选择时应考虑铁素体钢的化学成分及Cep。奥氏体不锈钢与铁素体钢焊接时，应做到以下几点： 用尽可能小的热输入焊接。 层间温度不要超过150. 低合金铁素体钢要预热。最好在低合金铁素体钢坡口表面堆焊一层过渡层。之后与奥氏体不锈钢母材焊接时应采用标准的奥氏体焊条（如E308或316）进行焊接，不需要预热，层间温度也要较低。 适当摆动焊条，幅度为焊条直径的两倍。 打底焊后，背面要打磨，打磨后再焊背面。 焊接薄板，也要开坡口或留出间隙，以降低熔合比。2）焊接方法的选择。这两类钢焊接时，通常希望熔合比越小越好，以降低焊缝金属的稀释程度，避免裂纹的产生。用熔焊方法焊接这两类钢时，有非熔化极气体保护焊，埋弧焊和焊条电弧焊等方法。表二列出了上述几种焊接方法的熔合比调节范围。非熔化极钨极氩弧焊的熔合比最宽，可在10%-100%范围内进行调节，而焊条电弧焊熔合比调节范围最窄，只有15%-30%。表8-6告诉我们：采用非熔化物极氩弧焊时，如果不采用填充焊丝进行焊接，其中熔合比最大；而采用填充焊丝施焊时，熔合比可以调节得小些。焊条电弧焊除了熔合比范围小外，它还具有操作方便、灵活，不受工况条件限制的优点，所以在异种钢焊接时，得到广泛的采用。表二几种焊接方法的熔合比调节范围焊接方法熔合比（%）碱性焊条电弧焊20-30酸性焊条电弧焊15-25熔化极气体保护焊20-30埋弧焊30-60带极埋弧焊10-20非熔化极钨极氩弧焊10-1003）焊接接头的形式。异种金属焊接接头的形式，根据被焊金属的焊接性、焊接结构和工作环境条件，可选用下列形式：用焊接材料直接汉城焊缝的形式。这是常用的焊缝形式，即在选用合适的焊接材料和工艺范围的情况下，直接在被焊异种金属的待焊处进行施焊，来获得一个优质的焊接接头。在珠光体钢母材金属一侧先堆焊稳定化的过渡层焊缝的形式。a.在珠光体钢母材金属一侧先堆焊珠光体钢过渡层焊缝。对于钢材较厚的异种金属焊接中，为了减轻异种金属间碳的扩散，在碳化物稳定性较低的珠光体钢待焊处先堆焊一层含铌、钛、钒等强碳化物形成合金元素的珠光体钢焊接材料，作为过渡层，然后将该过渡层与奥氏体不锈钢焊成异种金属的焊接接头。过渡层焊缝中应有比母材金属更多的强碳化物形成元素，这样有利于降低淬硬倾向，还可以减轻碳的扩散迁移。焊前还可不必预热，或降低预热温度，还可减少产生裂纹的倾向。焊接非淬火钢时，过渡层堆焊厚度为5-6mm;焊接淬火钢时，厚度要增加到9mm.焊接厚度大于30mm的刚度大的部件时，推荐采用图8-8c的过渡层焊缝形式。b.在珠光体钢母材金属一侧先堆焊奥氏体不锈钢过渡层焊缝。在珠光体钢母材金属一侧先堆焊奥氏体不锈钢过渡层焊缝也是经常采用的堆焊过渡层的方法，虽然这也是异种钢焊接，但由于是表面堆焊，产生的残余应力较小，且不是堆焊一层，后层堆焊对前层堆焊层有热处理作用，可缓解奥氏体不锈钢焊缝金属与珠光体钢母材之间的弊端。其接头形式仍可如图8-8所示。加中间过渡层的接头形式。采用一般珠光体低合金耐热钢焊接材料焊接奥氏体不锈钢与铬钼耐热钢时，焊缝中难免要出现马氏体组织，焊接时易出现裂纹，常温性能也较差。而且此焊接接头在高温工作时寿命很短，有的只服役几千小时就在焊缝金属发生破坏。通常先将焊接性较好的中间过渡件同不锈钢焊成一个整体，再进行两种不同成分的珠光体钢焊接，最后形成所需要的焊接接头，其中间过渡件多半选用含有铌、钒、钛等强碳化物形成元素的珠光体钢。4）坡口尺寸的选择。以焊条电弧焊为例，不同焊接接头形式和焊缝层数对母材金属熔合比的影响是很大的。表三列出了焊接坡口的角度对母材金属在焊缝中所占比例的估计值。从上述表中不难看出：堆焊时母材金属的熔合比最小，随着堆焊层数的增加，熔合比也随之降低；焊接坡口愈大，熔合比愈小；焊缝宽度愈大，熔合比也愈小；随着焊缝层数的增多，熔合比也下降。通常选用U形坡口来代替V形坡口。多层焊时，根部焊缝的熔合比最大。表三：焊条电弧焊时母材金属在焊缝中所占比例的估计值（%）焊层坡口角度/（）堆焊156090148-5043-4540-4330-35240-4335-4025-3015-20336-3925-3015-208-12435-3720-3512-154-6533-3617-228-122-3632-3615-206-1027-1030-355）焊接材料的选择。异种金属焊接接头的焊缝及熔合区的组织和性能主要取决于焊接材料。以焊条电弧焊焊接珠光体钢Q235+奥氏体不锈钢ICr18Ni9为例，对焊接材料的选择要考虑下列因素：珠光体钢对焊缝金属的稀释作用。确保具有良好的焊缝金属化学成分和组织，是选择焊接材料的基本要求。从防止焊缝金属产生结晶裂纹考虑，应使奥氏体不锈钢焊缝金属中产生5%左右的铁素体。也就是说，要使焊缝金属化学成分落在舍夫勒图组织A+5%铁素体线左右。要保证这一点，就必须将焊接材料的选择与熔合比结合起来考虑。而不同的焊接方法和不同的焊接参数，其熔合比是不同的。因此，不同的焊接方法就可能需要选用不同的焊接材料。从这一点来考虑，选用wNi12%的A302(25-13型)或A402（25-20型）焊条来焊接ICr18Ni9不锈钢和Q235钢，可得到较为满意的焊缝金属组织。部分奥氏体不锈钢焊条熔敷金属的铁素体形成元素F和奥氏体形成元素A的当量见表四：表四：部分奥氏体不锈钢焊条熔敷金属的当量（质量分数）（%）焊条型号CNiMnACrSiNbMoVFE308L0.048-112.508-11.4518-211.0018-22.5E3080.088-112.508-11.4518-211.2018-22.8E3470.088-112.508-14.6518-211.001.002-318-22.0E3160.0810-132.5010-16.6517-201.002-319-24.5E316L0.0411-142.5011-14.4517-201.002-319-24.5E3180.0810-132.5010-16.6518-201.008C-1.202-320-25.1E317 MoCu0.0811-142.5011-17.4518-211.002-320-25.5E317 MoCuL0.0411-142.5011-14.4518-211.002-320-25.5E318V0.0810-132.5010-16.6517-211.003-419.3-26.2E3170.0811-142.5011-17.4518-211.0021-26.5E3190.1211-142.5011-18.8522-261.0022-27.5E3090.1211-142.5011-18.8522-261.002-324-30.5E309 Mo0.2018-212.5018-3024-280.7024-29E310 Mo0.2018-222.5018-3124-280.7024-29E16-25 MoN0.1222-272.5018-31.8514-181.005-719-26奥氏体形成元素当量A和铁素体形成元素当量F分别如下式：A=1wNi+30wc+0.5wMn F=1wcr+1.5wsi+0.5wNb+1wMo+1wv+3.5wTi抑制熔合区中碳的扩散。众所周知，提高焊接材料的含镍量，是抑制熔合区中碳扩散最有效的手段。随着焊接接头使用工作温度的提高，要阻止焊接接头中碳的扩散，镍的含量必须提高。通常根据异种钢焊接接头的工作温度，可有4个含镍量的等级的焊缝。在350以下温度服役，焊缝金属中wNi为10%以上；在350-450温度时，wNi为19%以上；在450-550温度时，wNi为31%以上；而在550温度以上工作，则要求焊缝金属中wNi为47%以上。改变焊接接头的应力分布。在高温下工作的异种钢焊接接头中，如果焊缝金属的线胀系数与奥氏体不锈钢接近，那么热应力就集中在珠光体钢一侧熔合区内内。由于珠光体钢通过塑性变形来吸收应力的能力较差，所以应力集中在奥氏体不锈钢一侧比较有利。国外常用与珠光体钢线胀系数相接近的ICr15Ni70（铬15镍70）镍基材料，作为焊接材料来焊接珠光体钢+奥氏体不锈钢的异种钢。总之，上述异种钢焊接时，若焊接接头工作温度不超过500，选用的焊条A302、A307或A402和A407等几种牌号，他们在一般的熔合比条件下能保证焊缝金属的成分和性能。镍基焊条对抑制熔合区中碳扩散和改变焊接接头应力分布十分有利，适用工作温度大于500或工作温度波动频繁的焊接结构。A402或A407焊条或镍基焊条施焊后，焊缝金属为单相奥氏体组织有热裂纹倾向。用A302或A307焊条焊接后，在焊缝金属中含有一定数量的铁素体组织，只要把熔合比控制在30%以下，就能得到较高的抗裂性能和耐蚀性能的奥氏体加铁素体组织，因而在生产上应用较广。不同奥氏体不锈钢的焊接：在电站或化工、炼油等工业红有许多炉管、按照管路化工流程的工作温度或工作介质、环境变化不同，选用不同钢号的奥氏体不锈钢作为炉管材料，其目的是既要保证不同高温段炉管的高温稳定性（选用耐热奥氏体不锈钢），同时还要保证腐蚀段炉管的耐腐蚀性（选用耐酸奥氏体不锈钢）。这样就出现了不同钢号奥氏体不锈钢的焊接接头。由于这类钢主要的合金元素都是铬和镍，仅仅是数量上的差异，当然还会有其他元素的差异。如主要作耐热用的奥氏体不锈钢含有较高的碳，主要作耐腐蚀用的奥氏体不锈钢含有较少的碳。而与同种奥氏体不锈钢之间的焊接相比，相同的问题是焊缝和近缝区产生结晶裂纹；不同的是要根据焊接接头的工作环境来考虑焊接性，以保证工作性能良好。在腐蚀介质中工作的结构，其主要矛盾是焊缝或近缝区可能产生晶间腐蚀；如果长期在高温条件下服役，则应着重考虑焊接接头的耐热性、热强性，包括焊缝析出相脆化的问题等。为此，要重视焊接材料的选择和焊后热处理。通常所选用的焊接材料，应使焊缝金属中含有一定数量（其体积分数约2.5%-5.0%）的铁素体组织，以有利于克服焊缝结晶裂纹倾向，也有利于减少晶间腐蚀；控制焊缝金属中碳的含量；焊缝中添加碳化物稳定性合金元素或者焊后进行固熔或稳定化处理，可以防止晶间腐蚀的产生；为了避免工作高温下铁素体发生相转变，焊缝金属中铁素体的数量不宜过高。奥氏体不锈钢焊缝尽速的性能主要取决于其化学成分。在施焊过程中焊接参数要基本不变，才能使焊缝金属化学成分和组织稳定，保证焊缝金属性能的稳定。在选择焊接材料时，要严格控制有害元素硫、磷的含量，才能减少焊接接头缺陷的产生。不同钢号奥氏体不锈钢