不锈钢焊接手册

金属材料不锈钢1. 不锈钢1-1 不锈钢的种类和用途不锈钢的合金成分中含有12%以上的Cr，能保持良好不锈性的钢材。【参考】不锈钢：stainless steel不生锈（不易生锈）钢不锈钢按化学组成或金属组织分类、代表物质如下。不锈钢的钢条、钢板、钢带、线材、钢丝、山型刚等很多种类形状的物体都已在JIS规格中进行了规格化详细的内容请参照符合的JIS规格。代表性不锈钢的用途等分 类钢 种概 略 组 成性 质 用 途奥氏体系SUS30117Cr-7Ni由于冷間加工具有高强度。铁道车辆、运送带、螺丝钉、螺母、弹簧SUS301J117Cr-7.5Ni-0.1C比304直加工弯曲加工性好。弹簧、厨房用品、卷轴、建筑、车辆SUS302B18Cr-8Ni-2.5Si-0.1C900以下与310S具有同等的耐酸性强度。车的排气净化装置、高温装置材料比302耐酸性好。SUS30418Cr-8Ni作为不锈钢耐热钢应用最广。食品设备、一般化学设备、原子力SUS304L18Cr-9Ni-低C304的极低碳钢。耐粒界腐食性好、不能进行焊接后热处理的零件SUS31618Cr-12Ni-2.5Mo在海水等各种介质中比304的耐腐蚀性好。主要是耐孔食材料SUS316L18Cr-12Ni-2.5Mo+低C306的极低碳钢、在316的性质中增加了耐粒界腐食性。二相系SUS329J125Cr-4.5Ni-2Mo具有二相组织，耐酸性、耐孔食性好，且高强度。耐海水用等铁素体系SUS410L13Cr-低C比410S低C，焊接部弯曲性、加工性、耐高温酸性好。用于汽车排气装置、锅炉燃烧室、燃烧器等。SUS43018Cr耐腐蚀性很好的汎用钢种。建筑内装用、石油燃烧器零件、家庭用器具、家电零件。SUS430LX18Cr-Ti又Nb-低C在430中添加了Ti或Nb，碳含量低，改良了加工性、焊接性。适用于温水箱、給湯用、卫星器具、家庭用耐久机器等。SUS43418Cr-1Mo430的改良钢。比430盐浓度高。汽车外装用。SUS436L18Cr-1Mo-Ti,Nb,Zr极低(C,N)比434的C和N含量低，单独或复合添加TiNb或Zr，加工性、焊接性良好。适用于建筑内外装、车辆零件、厨房器具、給湯、给水器具。马氏体系SUS40313Cr-低Si适用于涡轮机刀片、高应力零件的良好不锈耐热钢。SUS41013Cr有良好的耐腐蚀性、机械加工性。一般用途用、刀具类。SUS410S13Cr-0.08C把410的耐腐蚀性、成型性提高了的钢种。析出硬化系SUS63017Cr-4Ni-4Cu-Nb由于添加了铜，增加了析出硬化性的钢种。适用于轴类、涡轮机零件。SUS63117Cr-7Ni-1Al由于添加了铝增加了析出硬化性的钢种。适用于弹簧、洗衣机、計器部品1-2 不锈钢的性质1-2-1 物理性质不锈钢中添加了铬(Cr)、镍(Ni)等，因为阻止了金属结晶中的自由电子的运动，比碳钢的热传导率低，电阻高。而且，線膨張係数在Cr体系中和碳钢基本相同，在Cr-Ni体系中较大。代表的不锈钢的物理性质种类钢种类型SUS物 理 的 性 质密度g/cm3电传导度cm磁 性比热cal/g0100平均線膨張係数(10-6)/ 热 传 导 率(10-2)cal/cms01000500100500碳钢7.8615有0.1211.4-11.2-马氏体系4107.7557有0.119.911.75.956.864037.7557有0.119.911.75.956.864207.7555有0.11-5.95-4317.7572有0.1111.7-4.84-铁素体系4057.7560有0.11-6.45-4307.7560有0.1110.411.96.246.28奥氏体系3017.9372无0.1216.918.73.895.133027.9372无0.1217.318.73.895.133047.9372无0.1217.318.73.895.133217.9372无0.1216.719.33.815.293477.9873无0.1216.719.13.815.293167.9874无0.1216.018.53.895.13309S7.9878无0.1214.918.03.394.46310S7.9878无0.1214.417.53.394.46【参考1】热传导率的单位（cal/cms）换算成单位时、上表的值请参照参考表1.1、乘以2.38910-3来计算。1-2-2 机械性质及热处理（）马氏体系不锈钢马氏体系不锈钢根据热处理条件，机械性质有显著变化。一般，为了得到最小的硬度或最大的延展性，进行相变点（Ac1：约1023K750）以上的加热后，慢慢冷却进行完全退火。马氏体系不锈钢退火后的机械性质钢 种特性抗拉强度MPa耐 力MPa伸 展%硬 度HRB退 火 温 度K410483310258010881171815898420655345209211151171842898440A689414209511151171842898440B11151171842898440C11151171842898（）铁素体系不锈钢铁素体系不锈钢的机械性质由热处理来调整很困难。这个系的合金的热处理主要是为了以下目的进行的。加工硬化材料的形变以及由焊接热影响与马氏体相生成的硬化组织的回火和残留目的减低.应注意的是铁素体不锈钢会由于热处理而脆化.铁素体系不锈钢退火处理后的机械性质钢 种特性拉力强度MPa耐 力MPa伸 展%硬 度HRB退 火 温 度K4054482762575100710887348154305173452585103310887608154345313652383106011157878424465323452083106011447878714445513963086122312739501000（）奥氏体系不锈钢奥氏体系不锈钢中使有害碳化物固溶，为了得到最佳的耐腐蚀性，一般采用1273K（1000）以上的温度加热后，进行急速冷却的固溶化热处理。在要求强度的时候，有时采用冷加工等来调整。添加Ti、Nb形成的安定形奥氏体系不锈钢中，为了增强耐腐蚀性在固溶化热处理后，进行11131173K（840900）的24h的安定化热处理，有必要使C固定为TiC、NbC的形式。表7.6总结了奥氏体系不锈钢固溶化热处理后的机械性质。（含一部分2相系）奥氏体系不锈钢固溶化热处理后的机械性质钢 种特性拉 力 强 度MPa耐 力MPa伸 展%硬 度HRB固溶化温度K3017582766085128313931010112030457929055801283139310101120304L55826955791283139310101120304N6213315085128313931010112031657929050791283139310101120316L55829050791283139310101120316N6213314885128313931010112032162124145801226139395311203476552764585128313931010112030962131045851309139310361120309S6213104585130913931036112031065531045851309142310361150310S65531045851309142310361150330552262401336145310631180329J1注74360225C21122313739501100注：奥式体系铁素体系（）相系不锈钢相系不锈钢在进行13231373K（10501100）的加热后、进行水冷却热处理。（）析出硬化系不锈钢结合固溶化热处理和析出时效处理来调整机械性质1-2-3 耐腐蚀性不锈钢可以说是不生锈或不易生锈的钢，但在不同的环境条件会受到腐蚀。不锈钢的腐蚀形态如下。（）全面腐食全面腐蚀是腐蚀全面的均等的进行，可以说起因是化学组成金属组织非金属介在物表面状态加工度等。对于硫酸，添加、Ni、Mo。Cu等和微量的Sn很有效果，2相系不锈钢比奥氏体系不锈钢的耐腐蚀性好。（）孔食不锈钢的表面在电解质溶液中，存在电化学的活性态、不动态、过不动态，活性态以及过不动态进行全面腐蚀，不动态基本不进行腐蚀。但是，同一表面中活行态和过不动态共存时，局部的活性态集中进行腐蚀，其中之一就是孔食，在含有不动态皮膜易破坏的Cl等的卤素离子 的环境下多易发生。孔食的主要原因，在材料因子中有溶液组成、PH、温度、合金元素、热处理、冷加工等，在环境因子中存在Cl浓度温度溶存氧高活性阳离子氧化剂、或PH很低。降低孔食的发生，用以下手段有效。卤素浓度要尽量降低。特别是Cl、Br有害。增加液体酸化能力的极度，或完全去除。使液体流动化、钢表面的酸化能力均等。增高PH。（例：添加NaOH）阴极防腐蚀。（）粒界腐食粒界腐食的生成原因有很多种不同的报告，一般的说法是Cr缺乏，这是热处理过程和焊接时的热影响部，或使用中的敏锐化温度結果，粒界附近的C和Cr结合形成Cr23C6，这说明因为结晶粒界析出，粒界附近的Cr缺乏，在腐蚀环境下沿着缺乏Cr的粒界进行腐蚀。粒界腐食的防止对策有下列方法固溶化热处理1273K（1000）以上的加热后紧急冷却减低C含量通常降到0.03%以下。添加安定化元素（Nb、Ti等）。（）缝隙腐食缝隙腐蚀和孔食一样是在不动态化区域发生的。为了防止缝隙腐蚀，采用和孔食一样的处理是有效的，而且可以采用在设计上不留空隙，使用耐缝隙性材料（2相系不锈钢）等方法。（）应力腐蚀裂纹（SCC）应力腐蚀裂纹在局部腐蚀中发生的比例最高，如果满足发生条件在几十个小时的短时间内就可发生。应力腐蚀的发生条件可以举出主要原因材料应力环境。在材料面，特别是奥氏体系不锈钢对应力腐蚀裂纹最敏感，发生腐蚀事例的报告最多。马氏体系不锈钢显示了在硫化物环境下的腐蚀裂纹感受性。不含Ni的铁素体系不锈钢，除了特殊的环境感受性极低。在应力面上有残留应力外部应力，在环境面上有盐化物硫化物碱高温高压水等的PH电位溶存氧等。由于盐化物的应力腐蚀Cl浓度越高，短时间内越容易发生应力腐蚀裂纹。图4.1表示了Cl浓度和溶存氧对应力腐蚀裂纹的影响。应力腐蚀裂纹的防止对策，没有发现决定性的对策，从材料面就可以知道以下内容。Cr-Ni奥氏体系不锈钢Ni、Mo、Si、Cu等的添加。奥氏体系不锈钢不纯物元素（P、N、S、O等）、约减到50ppm以。2相（奥氏体+铁素体）系不锈钢的使用。Cl浓度和溶存氧对SUS304钢的应力腐蚀裂纹的影响由硫化物引起的应力腐蚀奥氏体系不锈钢被使用在石油精致工厂的脱硫装置反应塔和热交换器等广阔领域，生成粒界形的应力腐蚀裂纹。原因是，装置运转时在高硫化氢的环境下生成的硫化铁由于大气中的水分和氧加水分解了，结果生成酸。腐蚀裂纹防止对策如下。装置休息时为了不接触湿的空气进行的气体清除。或者用碱把酸性洗净中和。材料面使用低碳钢或安定化不锈钢（含有Nb、Ti）、使用铁素体不锈钢（SUS405等）。碱性应力腐蚀不锈钢在碱性溶液中也会发生应力腐蚀裂纹。作为防止这种腐蚀的对策，组成中的Cr、Ni是有效成分。另一方面，、C、S会给SUS304的碱性应力腐蚀裂纹带来不良影响。高温纯水中的应力腐蚀应用在沸腾水形原子炉的配管系等的SUS304会出现应力腐蚀，在HAZ的敏锐化区域发生。考虑是这样的原因，在材料方面形成由Cr碳化物析出引起的Cr缺乏层，或是在环境方面的溶存氧的影响。作为对策，在材料方面可以采用SUS304LN、316LN、347等，在施工方面采用以材料敏锐化及降低残留应力为目的的接缝溶体化处理，内面肉盛内面水冷焊接法，在环境方面以降低溶存氧为目的的注入氮，添加氢很有效。1-3 焊接性不锈钢的焊接法使用电弧焊、电阻焊、电子束焊接等。对应不同的不锈钢种类、板厚、形状等，应注意焊接前处理、焊接前后的热处理、焊接材料的选定和管理、焊接条件的选定等。不锈钢各种焊接法的适用性和焊接条件的例子焊 接 法奥氏体系（Cr-Mo钢）马氏体系（13Cr钢其他）铁素体系（17Cr鋼钢其他）概略适用板厚mm径mm电 流A电 压V速 度cm/min入熱kJ/cm埋弧焊ABBCB0.84.012014022261425715TIGABBB0.532.080200912820318MIGABBCB61.218028022282040623CO2（FCW）ABBCB21.216030024322050528埋弧焊BBB64.0400600283625501440等离子体ABBB2、313301803540401000.710电子束ABBB0.5、200.20.42040K3040630记号A：最适合比较容易得到良好的焊接部，被广阔应用。B：一般适合有几分困难，应用时注意。C：难需要特别注意，很少使用。1-3-1 电弧焊电弧焊被广泛应用在不锈钢的焊接中。电弧焊接时的全部注意点如下。施 工 内 容奥氏体系不锈钢马氏体系不锈钢铁素体系不锈钢焊接准备開先加工机械切削粉末切断电弧气体切断等平滑的開先面去除氧化物表层异物潮气油脂等。 防止焊接变形使用治具固定具等。垫板原则上和母材是同质材。注意防止焊接变形坡口面由于气体切断，热影响部去除3mm。焊条（丝）的选择作为原则，应选定与母材一样的焊条（丝）。焊接材料要选定含一定%的铁素体组织。焊条（丝）的管理焊条（丝：药芯)如带有潮气，会多发飞溅和气孔，所以要使用非常干燥的。焊 接 要 领选定适合的焊接条件焊接法的各注意点请参照各焊接法。预热以及层间温度把预热作为原则执行。多层盛焊接的层间温度是373K(100)以下为好。预热的适合温度一般为473673K(200400)多层盛焊接的层间温度要保持在预热温度以上。根据钢种为了防止焊接部的裂纹进行预热。多层盛焊接的层间温度要控制在预热上限以下。焊接后的热处理后热处理不作为原则进行。高温、高压用化学装置等为了减轻应力腐蚀裂纹进行后热处理。 固溶化热处理焊接时对加热了8701170K的部分，进行12731373K的热处理。 应力去除热处理焊接或加工时有残留应力时，进行1143K以上的后热处理，渐渐冷却。 安定化热处理焊接321钢347钢时，对加热1270K以上的部分进行11201200K的后热处理。但是容易生成后热处理裂纹。为了除去应力、恢复焊接部的延展性，进行后热处理。防止迟缓裂纹焊接稍后进行温度在523573K，时间在3060min间的后热处理。为了恢复延展性、去除焊接残留应力进行973K以上变态点以下的后热处理。为了确保焊接金属以及热影响部的强度、确保弯曲及延展性，恢复韧性、去除应力，根据钢种进行适当的热处理。防止迟缓裂纹焊接稍后进行温度在373473K时间在3060min间的后热处理，但是使用奥氏体系焊丝时不进行后热处理。恢复延展性Cr16%以下的:9731063K的后热处理。超过Cr16%的:10631113K的后热处理，748K左右的迅速冷却。表 面 处 理氧化物表层的去除机械的处理法、化学的处理法机械处理法喷砂、喷丸、珩磨等珩磨以外的时候，处理后，需要不动态处理。化学处理法根据氧化物的厚度来进行处理。氧化物厚的时候，利用机械处理法和熔融碱处理法来去除厚的氧化物，之后进行酸洗。不动态化处理硝酸+沸酸完成酸洗后，表面形成不动态，机械的去除氧化物表面，机械加工或是表面研磨后的物质，根据需要进行不动态化处理。1040%HNO350601530min浸泡后用水洗净。但是如不能浸泡，可用海绵沾着硝酸来进行擦拭，再水洗。奥式体系不锈钢表面进行的不动态化，能改善耐腐蚀性和防止铁粉的残存。完全去除表面的润滑油、附着的铁粒子。其他注意事项高温裂纹在焊接金属从液体凝固成固体稍低的温度区域发生裂纹。为了防止裂纹，使焊接金属中含有数%的铁素体。308309316347系的正常焊接中不发生。310系较容易发生，因此要注意避免减低入热、冷却速度提高、限制大場所等相脆化347系易发生。为了防止，可减少FERRITE量。实施固熔化热处理。迟缓裂纹认为是焊接金属中的氢和残留应力的原因。为了防止裂纹，适当的预热和后热处理很有效。预热处理、后热处理項参照)厚板的拘束大时候，焊接后马上进行热处理，焊接后到热处理要保持373K以上。475(748K)脆性在673823K的温度区域之间缓缓降温，在475发生脆化。为了防止，预热温度不超423K(150)为好。或者发生了475脆化的在进行873K以上的短时间加热则恢复。这时在673823K温度区域的冷却速度要尽量加快。(通常使用通常空冷)（）埋弧焊埋弧焊多使用在不锈钢的焊接中。焊接施工的留意点如下。焊接电源使用交流或直流电弧焊接机。直流焊接机时，极性一般负极(DCSP)。焊接施工根据焊接姿势焊条直径板厚来选定电流。焊接电流过高，会发生飞溅发生焊接金属的酸化等过低会出现熔化不足。尽量缩短电弧长度防止由于铬酸化而消失。进行摆动的时候，焊接金属的幅度在焊条直径的2.5倍以下。为了避免焊接始点终点的缺陷 ，必要时安装引板，处理收弧 （）焊接焊接多使用在不锈钢薄板的焊接、钢管初层的焊接、以及整体的焊接中。焊接施工的留意点如下。焊接电源 使用直流电弧焊接机，极性一般为负极性(DCSP)。薄板焊接、钢管的初层焊接，防止焊穿， 使用脉冲电源的脉冲TIG焊接很有效果。焊接施工需要特别好的保护气时，使用带有气体浓度透镜 的TIG焊枪。或者根据需要使用背面保护。焊接的原则为前进法，使用焊加条时，为了防止焊接缺陷，要去除氧化物表层油脂油漆类。（）MIG焊接使用实芯丝的MIG焊接作为不锈钢的高能率焊接法，使用半自动焊接或者半自动焊接中（包括机器人）焊接施工的留意点如下。焊接电源使用定电压特性或控制脉冲式直流电弧焊接机。一般为负极性(DCRP)为了防止薄板焊穿，也使用负极(DCSP)或者交流式的电源。焊接施工保护气体为了改善电弧的稳定性，通常使用在氩气中添加了15%氧气的混合气体。（）用加入焊药的焊丝来焊接用加入焊药的焊丝来焊接不锈钢中，有不使用保护气的自保护焊接，和只使用二氧化碳（CO2）作为保护气体的焊，还有使用氩气和二氧化碳混合气体的MAG焊接。气体保护焊、作业性好，熔着金属的性质也好，被广泛的使用。自保护焊接一般不怎么使用。这里主要表示了气体保护焊的焊接施工留意点。 气体保护焊一般使用直流定压特性的焊接电源。极性一般为为正极（DCRP）。 焊枪的操作方法分为前进法和后退法，根据焊接对象可以区分使用。在对焊 焊接中，为了防止焊渣先行，一般采用后退法，薄板焊接和角焊接一般为前进法。 使用药芯焊丝的气体保护焊，与使用实芯焊丝的MIG焊接相比，适用焊接条件范围广，焊接作业性好。气体种类不同，适用的焊接条件范围也不同。前进法后退法的特征加入焊药的焊丝的适当焊接条件范围的例子（不锈钢焊接）（）埋弧焊接不锈钢的埋弧焊作为具有熔敷速度快融化深能得到高品质的熔敷金属焊渣覆盖在焊接金属上，能得到光泽的表面。等的特征的自动焊接法来使用。焊接施工的留意点如下。 使用干燥后的焊药。（烧结形特别容易吸湿。） 为了防止焊接终端部的弧坑裂纹、停止焊接机终了焊接板。 要确保焊药的散布高度。（）等离子电弧焊接等离子焊接与TIG溶接、MIG焊接相比熔化部的幅度很窄，熔化很深。因为电弧狭窄，施工时请注意以下内容。 特别是对头焊接中为了提高对头面的精度，在薄板焊接中使用垫板、紧固夹具。 动作气体中使用混合气体时，一定要保持混合比率。 钨电极的头部角度要保持合适的值。1-3-2 阻力焊接不锈钢的电阻焊接性好，所以容易得到高强度的焊接部。点焊缝焊接共同适用，如表4.2所表示的热传导率与碳钢相比，铁素体系中约为/、奥氏体系中约为/，很少，焊接时要特别注意。（）点焊点焊施工时的留意点如下。（主要于碳钢相比的注意点） 一般采用单相交流式的焊接电源。使用加压即应性的有好加压机构的焊接机。根据钢种和板厚也使用整流式、变换器式、继电器式的点焊机。 因为固有电阻大，焊接电流低，在高温中强度低下，所以要提高加压力。 作为使用电极材料，洛氏硬度HRB70（推荐使用维氏硬度HV120以上的）（JIS Z 3234：相当于电阻焊焊铜合金的电极材料的三种） 接触电阻值大，所以不能忽视已焊接点中焊接电流分流的减少。为了防止这一现象，在设计阶段要考虑焊接点的配置。必需的时候，要增加焊接电流来补充电流不足。 根据钢种考虑下面的因素。 奥式体系避免的过度加热。基本为急冷急热的焊接条件。 铁素体系短时间通电。 马式体系含弹在0.15%以上、硬化显著的采用焊接后热处理。关于不锈钢的点焊施工，在（社）日本焊接协会规格中规定了焊接协会规格，请参照。（社）日本焊接协会规格WES 7303-1991点焊作业标准不锈钢（）缝溶接不锈钢的缝焊接，与点焊的留意点相同。 奥式体系不锈钢容易发生焊接裂纹。为了防止出现裂纹，把焊接电流值适当调大，增加焊点重叠，减轻发生热应力的发生的方法很有效。 铁素体系也和奥式体系需要考虑的一样。 马氏体系不锈钢、焊接后淬火硬化的焊接部用极低的力量就能断裂，所以焊接后必须进行回火处理。1-4 异材焊接化学设备和原子力设备等，流程温度和使用环境在流程各部分不同的各种装置，有组合使用各种材料的情况，在各种材料的焊接中，就出现了所谓的异种焊接的问题。表7.9表示了经常使用的异种材料的对头接缝的组合例子。其中被粗线围住的SUS304、304L、321等的奥式体系不锈钢的同类，以及奥式体系不锈钢和铬钼钢的接缝被使用的最多。异材接缝焊接的组合例母 材Incoloy 800HK40SUS316SUS321SUS304LSUS3049.0%Ni钢9.0%Ni钢2.5%Ni钢铝镇静钢高张力钢(HT490级)CrMo钢Cr1/2Mo钢Cr1/2Mo钢1/4 CrMo钢1/4 Cr1/2Mo钢Cr1/2Mo钢1/2Mo钢碳钢1/2Mo钢Cr1/2Mo钢1/4 Cr1/2Mo钢1/4 CrMo钢Cr1/2Mo钢Cr1/2Mo钢CrMo钢高张力钢(HT490级)铝镇静钢2.5%Ni钢9.0%Ni钢9.0%Ni钢SUS304SUS304L母材金属组织相同的（焊接材料也相同）母材金属材料组织不同的（焊接材料也不同）母材金属组织相同的（焊接材料不相同）目材金属组织不相同的（焊接材料相同）SUS321SUS316HK40Incoloy8001-4-1 焊接材料的选定 奥式体系不锈钢焊接材料一律使用与母材成分接近的（选定含有48%的铁素体的焊接材料以及焊接条件） 奥氏体系不锈钢和铬钼钢通常选定309系的焊接材料。热处理温度，或者使用温度超过588K时，多选定铬镍铁合金系。 和奥氏体系不锈钢、碳钢或低合金钢的肉盛焊接通常第一层用309系的焊接材料来肉盛后，第二层对作为目的成分的奥氏体系不锈钢进行堆焊接。 铁素体系不锈钢（405系、410L系等）和碳钢，或低合金钢的肉盛焊接第一层中用430Nb系的焊接材料进行肉盛后，第二层中才对铁素体不锈钢（410Nb等）进行堆焊接。 铁素体系不锈包层钢不锈钢的肉盛焊接中，用309系从初层到最终层进行堆焊接、或者用430Nb410Nb系的组合来进行堆焊接。衬套时也一样。1-4-2 焊接金属的稀释一般焊接焊缝多层