不锈钢、耐热钢焊接

不锈钢、耐热钢的焊接不锈钢及耐热钢的类型按用途分：不锈钢：包括高铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢。用以有侵蚀性的化学介质，对强度要求不高。热稳定钢：用于高温下要求抗氧化或耐气体介质腐蚀的一类钢，也称为抗氧化不起皮钢。铬镍钢、高铬钢。热强钢：高温下抗氧化或耐腐蚀，具有一定的高温强度。高铬镍钢，马氏体钢。按组织分：奥氏体钢：应用最广，高铬镍钢、高铬锰钢均属此类钢。Cr18Ni8(18-8)用于耐腐蚀；Cr25Ni20(25-20)用做热稳定钢，提高C含量用做热强钢。双相钢：奥氏体、铁素体双相钢，Cr21Ni5Ti，具有优异的耐蚀性。铁素体钢：Cr17～28％的高铬钢，主要用做热稳定钢，也可做耐蚀钢。马氏体钢：Cr13以及Cr12多元合金化的钢沉淀硬化型不锈钢：将18-8钢的Ni量适当降低并调节成分可获得一种经沉淀强化处理的不锈钢，具有好的耐蚀性，且强度很高。00Cr17Ni17Al不锈钢的耐腐蚀性不锈钢的耐蚀性：是基于其主要元素Cr在钢表面形成致密的氧化膜对钢的钝化作用。腐蚀：金属受介质的化学及电化学作用而被破坏的现象称为腐蚀。①均匀腐蚀：金属整个表面产生腐蚀的现象，又称整体腐蚀，是一种表面腐蚀。不锈钢的均匀腐蚀量不大。②晶间腐蚀：奥氏体钢在450～850℃加热时，会由于沿晶界沉淀出Cr的碳化物致使晶粒周边形成贫Cr区，在腐蚀介质作用下沿晶粒边界深入金属内部，产生在晶粒之间的一种腐蚀称为晶间腐蚀。含C量越高，晶间腐蚀越大。③点状腐蚀：腐蚀集中于金属表面的局部范围，并迅速向内部发展，最后穿透。表面缺陷是引起点状腐蚀的重要原因之一。④应力腐蚀开裂：金属在腐蚀介质和表面拉应力联合作用下产生的脆性开裂现象。奥氏体钢焊接接头最易出现这一问题。⑤接触腐蚀、缝隙腐蚀、选择性腐蚀和腐蚀疲劳开裂等耐热钢的高温性能抗氧化性：耐热钢中含有Cr、AlorSi，可形成致密的氧化膜，因而均可具有很好的抗氧化性能。热强性：高温下长时工作时对断裂的抗力(即持久强度)，或在高温下长期工作时抗塑性变形的能力(即蠕变抗力)。提高热强性措施：①利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力；②形成稳定的第二相，主要是碳化物相。适当提高含C量并同时加入碳化物形成元素Nb、V可有效提高热强性。③减少晶界和强化晶界，可控制晶粒度并加入微量硼、稀土等。高温脆化：耐热钢在热加工或长期高温工作中，可能产生脆化现象。除了Cr13在550℃附近的回火脆性、高铬铁素体钢的晶粒长大脆化以及奥氏体钢沿晶析出碳化物脆化，还有475℃脆性和相脆化，奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢晶间腐蚀问题(一)晶间腐蚀的形成条件及机理晶间腐蚀和钢的成分(碳和碳化物形成元素)有关，还与加热条件有关。①碳显著增大晶间腐蚀敏感性，钢中含有强碳化物形成元素Ti、Nb时，碳的有害作用会降低。“贫铬理论”：碳与Cr形成碳化物导致近晶界的晶粒表面严重缺Cr，产生明显腐蚀，即晶间腐蚀。Ti、Nb可优先与碳结合而防止碳与Cr结合，从而避免Cr缺少。超低碳有利于防止晶间腐蚀。②加热温度低or加热时间短，不利于形成铬的碳化物，不致产生缺Cr；加热温度较高，Cr扩散增加，不致形成贫铬，在450～850℃间短时加热促使晶间腐蚀倾向（敏化处理）。在850～900℃短时加热可消除晶间腐蚀倾向（稳定化处理）。(二)焊接接头的晶间腐蚀区及控制焊缝区腐蚀：与焊接材料和工艺有关，控制焊缝金属的成分，主要是采用超低碳焊材和添加足够量的Ti、Nb；控制焊缝的组织状态，使之还与适当数量的铁素体(5%最好)。敏化区腐蚀：焊接热影响区中峰值稳定处于敏化稳定区间的部位所发生的腐蚀。发生在不含Ti或Nb的普通Cr18Ni8不锈钢中，超低碳时也不会有敏化区腐蚀。采用含Ti或Nb的18－8钢，也可采用超低碳不锈钢来防止敏化区腐蚀。焊接工艺应能减少热影响区处于敏化温度时间。刀状腐蚀：只出现含Ti或Nb这类元素的不锈钢焊接接头中，且一定发生在紧邻焊缝过热区中，由于这种沿晶破坏呈深而窄的形状，类似刀削切口形式，故称为刀状腐蚀。刀蚀是一种特殊形式的晶间腐蚀。产生原因高温过热加中温敏化。为防止产生刀蚀，最好采用超低碳不锈钢，含强碳化物形成元素Ti或Nb的钢。工艺上，合理布局和合理的工艺流程。不锈钢接头的应力腐蚀开裂问题奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹的形成拉应力的存在是应力腐蚀开裂的不可缺少的重要条件，而其中焊接残余应力所引起的应力腐蚀开裂比重大，奥氏体钢由于热导性差，线膨胀系数大，在约束焊接变形时可残留较大的焊接应力。焊接接头应力腐蚀开裂的控制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尽量降低残余应力：处理设计及施工中尽量消除应力集中源和减少焊接应力外，焊后消除应力处理也极为重要。焊接接头热裂问题奥氏体钢焊接时在焊缝及近缝区均可看见热裂纹，最常见的是焊缝凝固裂纹，有时也有近缝区液化裂纹。含Ni量越高，产生裂纹的倾向越大，且越不易控制。奥氏体钢焊接时易于热裂的原因①奥氏体钢的导热系数小和线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却条件下，接头在冷却过程中可形成较大的拉应力。焊缝金属凝固期间存在较大拉应力是产生凝固裂纹的必要条件。②奥氏体钢易形成方向性强的柱状晶的焊缝组织，有利于有害杂质的偏析而促使形成晶间液态夹层，显然易于促使产生焊缝凝固裂纹。③奥氏体钢及其焊缝的合金组织较复杂，一些合金元素因溶解度有限，会生成NiS、NiP、FeO也形成低熔共晶，C大大增加了S、P杂质的敏感性。奥氏体钢焊缝结晶裂纹防止措施①严格限制有害杂质：采用同质填充金属焊接奥氏体钢。②尽可能避免形成单相奥氏体组织：对于常温下工作的焊缝采用＋双相组织（量5％～12％），其原因中可溶解较多的S、P等杂质，可以有效消除单相组织的方向性而使之细化，有利于减少晶间偏析，降低界面能，减少液态共晶薄膜，对于高温下使用的焊缝采用＋一次碳化物组织来防止产生结晶裂纹。③适当调整合金成分：适当提高奥氏体化元素Mn、C、N的含量，可以显著改善单相奥氏体焊缝的抗裂性。Mn、Cu共存将加强偏析而促成焊缝产生裂纹倾向加大。④尽量减小焊缝的过热：工艺上减小熔池过热，形成粗大柱状晶，采用小线能量。近缝区液化裂纹问题液化裂纹可以出现在母材的HAZ上，也见于多层焊缝层间区域上，也是晶间偏析而形成的低熔点共晶液膜所造成的。防止措施：首先工艺上设法防止过热，减小晶粒粗化程度，其次严格控制杂质含量。奥氏体钢焊接接头力学性能问题焊缝低温脆化：最好不采取＋双相组织，而应取单相组织。焊缝高温脆化：焊缝中含有较多相时（在高温时变为），都会发生显著脆化现象。为了保证韧性，长期高温工作的焊缝相数量小于5％或奥氏体加一次碳化物。单相焊缝也可产生相，引起脆化，与合金系统有关。可采取加热到1050～1100℃保温1小时后水淬，可使相重溶，性能恢复。奥氏体钢的焊接工艺特点导热系数小而线膨胀系数大，焊接后易产生较大变形，应采用能量集中的焊接方法。采用同质填充金属，为避免Cr的碳化物沉淀，一般不预热并保证层间温度低于250℃，加快焊接接头的冷却。焊接材料的选择保证抗晶间腐蚀和抗热裂。电阻率大，导热系数小，奥氏体钢焊丝的熔化系数比结构钢大。导热系数小，在同样的焊接参数下可获得较大熔深。为防止过热，可采用比普通低合金钢电流小10～20％。奥氏体钢焊丝易与铜导电嘴发生磨擦，磨损。保证焊缝成分稳定，保证稳定的熔合比。马氏体钢及铁素体钢的焊接马氏体钢分类：Cr13系马氏体钢(不锈钢)、Cr12系多元合金化马氏体(热强钢)马氏体钢的焊接性：主要问题冷裂纹、脆化现象和晶间腐蚀冷裂纹：淬硬性是产生冷裂纹的根本原因，含C量越大，冷裂纹倾向越大，马氏体钢导热性差，焊接残余应力大，再有氢的作业，冷裂倾向更明显。晶粒粗化倾向：马氏体钢具有较大的晶粒粗化倾向，在小冷却速度时，近缝区会出现粗大的铁素体和碳化物组织，塑韧性下降，冷却速度很大时，产生粗大的马氏体组织，塑韧性下降，所以，焊接时冷却速度的控制很重要。脆化现象：马氏体钢一般有回火脆性（在500～550℃），焊前后应热处理。马氏体钢的焊接工艺特点：①焊缝化学成分的确定：主要决定于焊接材料的选定，为了保证使用要求，焊缝成分应与母材同质。②焊前预热及焊后热处理：钢的淬硬性越大，预热温度越高，一般采用150～400℃预热。焊后热处理是防止延迟裂纹和改善性能的重要措施，通常在700～760℃加热空冷。铁素体钢的焊接工艺特点预热的必要性：铁素体钢焊接时近缝区晶粒易于长大而形成粗大铁素体，造成明显脆化，低温预热使接头处于富有韧性的状态下，防止产生裂纹。采用低温预热100～200℃。焊缝成分的确定：采用同质填充材料，控制杂质含量，提高纯度，进行合理的合金化。475℃脆化问题：475℃脆性是高Cr铁素体钢中的重要问题之一。’相的析出引起材料硬化,是475℃脆性的原因。杂质对475℃脆化有促进作用。晶间腐蚀：加热到950℃快速冷却会产生贫Cr区导致晶间腐蚀。相脆化：在高温时变为焊后热处理：焊后在650～850℃进行热处理很重要，常在700～750℃可促使Cr的扩散均匀，贫Cr层可以消失。且这种焊后热处理还可以改善接头韧性及塑性。双相不锈钢焊接分类：＋、＋等，最常用的双相钢有Cr18、Cr22、Cr23、Cr25双相不锈钢具有高强度，对晶间腐蚀不敏感，较好的抗点蚀能力和优良的耐蚀性，其原因是：①0.2高，表面氧化膜不易破裂，应力腐蚀开裂难以形成；②合金组元特征决定了耐孔蚀与点蚀能力，减少了抗应力腐蚀开裂源；③第二相存在对应力腐蚀开裂具有机械屏障和阻碍作用；例如：Cr21－Cr23双相不锈钢是一种60％＋40％，抗SCC最佳。主要焊接问题：双相不锈钢对热裂、冷裂不敏感，焊接接头通常工作温度<250℃因为在520℃～820℃铁素体变为相，产生脆性，由于双相不锈钢中间含有Mo扩大了相稳定范围使得铁素体更易在高温下变为相；。双相不锈钢含Cr>15％会形成475℃（350～550℃）脆化。粗晶脆化：在焊接加热过程中变为1250～1300变为单相急冷时为单相，缓冷时会析出针状或羽毛状，焊接时线能量大会粗晶脆化，快冷量不足影响抗蚀性。抗蚀性：合金元素的影响：①③④C的影响：当焊缝金属中含有较高的C时，会在焊接冷却过程中(1000℃)，相供碳，相供Cr，在晶界处形成Cr23C6导致SCC敏感性增加，故要求焊缝金属中含碳量≤0.03％。②N的影响：当N≤0.2％时有利于二次奥氏体析出，提高抗SCC能力。Mo、Cu提高双相钢在MgCl2和CaCl2介质中的抗间隙腐蚀能力。Ti、Nb有利于防止HAZ中产生单相，但增加了晶间腐蚀的敏感性。