中级焊工理论课件5-3 常用金属材料焊接知识-奥氏体不锈钢的焊接性、焊接工艺和焊接方法

中级第五章常用金属材料焊接知识焊工第三节：奥氏体不锈钢的焊接性、焊接工艺和焊接方法焊工·中级3.1不锈钢的分类及性能3.2不锈钢的焊接性3.3奥氏体不锈钢的焊接工艺及方法3.1不锈钢的分类及性能3.1.1分类

不锈钢是指以不锈、耐蚀性为主要特征，且铬的质量分数至少为10.5%，碳的质量分数最大不超于1.2%的钢。

不锈钢按化学成分不同，主要有铬不锈钢即以Cr作为主要合金元素的不锈钢，如12Cr13（1Cr13）10Cr17（1Cr17）等；铬镍不锈钢即以Cr、Ni为主要合金元素的不锈钢，如06

Cr19

Ni10（0Cr18

Ni19）等。

不锈钢按组织不同，主要有铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢以及奥氏体铁素体双相不锈钢。奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni8%~25%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。3.1不锈钢的分类及性能3.1.2性能（1）力学性能和物理性能3.1不锈钢的分类及性能3.1.2性能（2）脆化。不锈钢在一般情况下具有良好的塑性，但在热加工或冷加工不当时，会产生脆化而形成裂纹。475℃脆化。铁素体不锈钢在350～500

℃内长期停留（几个小时到几百个小时），就会使冲击韧性大大下降，此种现象称为脆化。由于475

℃时脆化速度最大，故称为475

℃脆化。在铁素体不锈钢中含铬量越高，脆化越迅速。在奥氏体不锈钢中含有铁素体时，也会产生475

℃脆化。2）σ相脆化。奥氏体或铁素体不锈钢在高温（375～875℃）长时间保温（几个小时到几百个小时）会形成一种Fe—Cr金属间化合物，即σ相。σ相的性能极硬而脆，且分布在晶界处，使不锈钢的冲击韧性大大下降而脆化。3）耐腐性，不锈钢中含有大量的铬，使其表面形成一层很薄、致密而坚固的氧化膜，从而增加了不锈钢的耐腐蚀性。3.2不锈钢的焊接性3.2.1腐蚀焊接接头的主要腐蚀问题包括整体腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀。（1）整体腐蚀。任何不锈钢在腐蚀介质作用下，其工作表面总会有腐蚀现象产生，这种腐蚀叫整体腐蚀。不锈钢焊件整体腐蚀的量不大，并且和焊接也无关。（2）晶间腐蚀。易发生在奥氏体不锈钢中，焊接接头有3个区域可能产生晶间腐蚀：焊缝区、热影响区中的敏化区、熔合区。（3）应力腐蚀。不锈钢在静应力（内应力或外应力）作用下在腐蚀介质中发生的破坏。3.2不锈钢的焊接性3.2.2热裂纹奥氏体不锈钢焊接时容易热裂纹，包括焊缝的纵向和横向裂纹、弧坑裂纹、打底焊的焊根裂纹和多层多道焊的层间裂纹等。防止热裂纹的措施为：

1)严格限制焊缝中硫、磷等杂质元素的质量分数，以减少低熔点共晶杂质。

2)选用双相组织的焊条，使焊缝形成奥氏体和少量铁素体的双相组织，以细化晶粒，打乱柱状晶方向，减少偏析严重程度。

3)选用碱性焊条和焊剂，以降低焊缝中的杂质含量，改善偏析程度。4)控制焊接电流和电弧电压大小，适当提高焊缝成形系数；采用多层多道焊，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹。

5)采用小热输入，小电流快速不摆动焊，可减少焊接应力。

6)填满弧坑，可防止弧坑裂纹。3.2不锈钢的焊接性3.2.3焊接接头的脆化高温脆性：耐热钢长期高温工作产生的脆性（1）475℃脆性Cr>15%含有较多铁素体形成元素的钢在430～480℃范围长期停留或缓冷时出现的负温、低温韧性降低的脆化现象。475℃脆性是金属的负温、常温韧性，其高温仍具有较高的韧性;产生条件与铁素体含量有关，一般出现在含有较多铁素体的奥氏体钢焊缝中，铁素体越多，脆化越严重;产生机理：475℃加热时，铁素体内的Cr原子趋于有序化，形成许多富Cr铁素体α’相，该相在母相{100}晶面或位错处析出，并与母相保持共格关系，产生很大的晶格畸变＆内应力，同时使位错难以滑移，易于产生挛晶，挛晶面成为解理断裂的形核地，从而导致金属脆化。消除：重新加热600～700℃、1h后空冷（2）σ相脆化。铁素体钢或奥氏体钢及其焊缝在520～820°长期加热，析出σ相造成的脆化。3.2不锈钢的焊接性产生条件：含Cr>20％的高Cr铁素体钢及焊缝中、奥氏体钢及焊缝中;含Mn、Si、Mo、W的较低Cr含量的钢种;一般需要较长时间，但是有些钢，如18－8的多层焊如果铁素体含量高，焊后就可能造成脆化.产生机理：

σ相是一种具有复杂六方点阵的金属间化合物FeCr，硬度很高（HRC>68），σ相沿晶析出，同时伴随很大的体积变化，因而导致很大脆性，同时也会增大金属晶间腐蚀的倾向，降低抗氧化性.σ相的产生：γ→σ相、γ→δ→σ相

铁素体的存在有利于形成σ相，因为铁素体富Cr，且有利于Cr的扩散消除：重新加热使σ相溶解，随后冷却

18－8>700℃25-20>980℃（3）熔合线脆断。奥氏体不锈钢在高温下长期使用，在沿焊缝熔合线外几个晶粒的地方会发生脆断现象，此种现场称为熔合线脆断。3.2不锈钢的焊接性3.2.4奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢塑性和韧性很好，具有良好的焊接性，焊接时一般不需要采取特殊的焊接工艺措施。如果焊接材料选用不当或焊接工艺不合理时，会降低焊接接头抗晶间腐蚀能力和产生热裂纹等。（1）晶间腐蚀。晶间腐蚀产生的根本原因是晶间贫Cr，从而沿晶界发生的腐蚀晶间腐蚀的特征：表面腐蚀很轻微，内部因腐蚀造成沿晶的网状裂纹，致使强度大大下降，从而产生脆性破坏，也可能形成应力腐蚀裂纹的起源。3.2不锈钢的焊接性晶间腐蚀的机理经固溶处理的奥氏体钢中C以过饱和状态溶于奥氏体中，（如一般18－8含C为0.08％，而C在奥氏体中的溶解度仅为0.02～0.03％），所以这是一种不稳定的状态。当金属受到敏化温度的热作用时，过饱和的C就向晶界扩散，与Cr形成Cr23C6，C是间隙原子扩散速度快，可以不断从晶内向晶界扩散，而Cr的扩散速度慢，晶界上的Cr来不及补充，因而在晶界上形成一个贫Cr层，丧失耐腐蚀能力，在接触腐蚀介质时造成晶间腐蚀。CCr°°°°°°°°°°°加热CCr°°°°°°°°°°°Cr23C63.2不锈钢的焊接性晶间腐蚀的机理经固溶处理的奥氏体钢中C以过饱和状态溶于奥氏体中，（如一般18－8含C为0.08％，而C在奥氏体中的溶解度仅为0.02～0.03％），所以这是一种不稳定的状态。当金属受到敏化温度的热作用时，过饱和的C就向晶界扩散，与Cr形成Cr23C6，C是间隙原子扩散速度快，可以不断从晶内向晶界扩散，而Cr的扩散速度慢，晶界上的Cr来不及补充，因而在晶界上形成一个贫Cr层，丧失耐腐蚀能力，在接触腐蚀介质时造成晶间腐蚀。晶间腐蚀形成条件晶间腐蚀的产生与温度、保温时间、碳含量有关，在A、C、D、E区不产生晶间腐蚀，B区产生晶间腐蚀A区保温时间短，不足以产生很多Cr23C6，致使产生晶间腐蚀的倾向C区由于保温时间长，晶界上Cr可以得到补充，不会造成贫Cr现象D、E区无晶间腐蚀倾向，与敏化温度有关含碳量低于0.03％，形成Cr23C6少，晶界上Cr不会造成贫Cr现象3.2不锈钢的焊接性Cr23C6的析出温度：600-850℃；TiC的析出温度：1100℃含碳量低于0.03％，形成Cr23C6少，晶界上Cr不会造成贫Cr现象3.2不锈钢的焊接性晶间腐蚀控制措施从三个方面考虑：温度、停留时间、成分。在焊接热循环过程中不可能不经历敏化温度区间关键是缩短在敏化温度区间的停留时间从成分上控制含C量一旦产生晶间腐蚀倾向，可以通过焊后固溶处理、或稳定化处理（在850～900℃加热2h，促进Cr的扩散），消除贫Cr现象。（2）热裂纹。因为奥氏体不锈钢液相线和固相线距离大，使低熔点杂质偏析严重而且集中在晶界处，加之膨胀系数大，冷却时收缩应力大，所以易产生热裂纹。3.3奥氏体不锈钢的焊接工艺及方法3.3.1焊条电弧焊（1）焊前准备。当板厚≥3mm时要开坡口，破口两侧20～30mm内用丙酮擦净清理，并涂飞溅防粘剂或石灰水，防止飞溅损伤金属表面。（2）点固焊。点固焊焊条与焊接焊条型号相同，直径要稍微细些。点固高度不超过工件厚度的2/3。长度不超过30mmm。（3）焊接材料钢种手工电弧焊焊条埋弧自动焊气体保护焊焊丝焊剂焊丝气体0Cr131Cr13E1-13-15E0-19-10-16E0-19-10Nb-16H0Cr14HJ260H0Cr14Ar2Cr13E1-13-15E0-19-10-16E0-19-10Nb-16H1Cr17HJ260H1Cr17Ar0Cr18Ni91Cr18Ni9E0-19-10-16E0-19-10Nb-16H0Cr21Ni10H0Cr20Ni10TiH0Cr20Ni10NbHJ260SJ601H0Cr21Ni10H0Cr20Ni10TiH0Cr20Ni10NbAr0Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9TiE0-19-10Nb-16H0Cr20Ni10TiH0Cr20Ni10NbHJ260SJ601H0Cr20Ni10TiH0Cr20Ni10NbArCr25Ni13E1-23-13-16

Cr20Ni14Si2E1-23-13Mo2-16H0Cr20Ni14Mo3Cr25Ni20E2-26-21-163.2不锈钢的焊接性（4）焊接工艺采用小热输入，小电流快速焊。焊条不应做横向摆动，焊道宜窄不宜宽，最好不超过焊条直径的3倍。同样直径的焊条焊接电流值比低碳钢焊条降低20％左右，一般取焊条直径的25～30倍。焊后可采取强制冷却措施，以减小在敏化温度区停留时问，防止晶间腐蚀。不进行预热和后热工艺。奥氏体不锈钢焊接时，不能采取预热和后热工艺措施，防止降低焊后冷却速度。不锈钢焊后热处理。奥氏体不锈钢制压力容器焊接时，焊接残余应力的焊后热处理。采用适当的焊后处理。为增加奥氏体不锈钢的耐蚀性处理。处理的方法有抛光和钝化。一般不进行消除焊后应进行表面钝化处理的流程为：表面清理和修补——酸洗——水洗和中和——钝化——水洗和吹干3.2不锈钢的焊接性3.3.2氩弧焊奥氏体不锈钢采用氩弧焊时，由于保护作用好，合金元素不易烧损，过渡系数比较高，所得焊缝成形好，没有渣完，表面光洁，因此，焊成的接头具有较高的耐热性和良好的力学性能。（1）钨极氩弧焊。适宜于厚度不超过8mm的板结构，特别适宜于厚度在3mm以下的薄板，直径在60mm以下的管子以及厚件的打底焊。钨极氩弧焊电弧热功率低，所以焊接速度较慢，冷却速度较慢。因此焊缝及热影响区在危险温度区间停留的时间长，所以钨极氩弧焊焊接接头的抗腐性能往往比正常的焊条电弧焊接头差。（2）熔化极混合气体脉冲氩弧焊。如Ar和0.5%～1%O2或Ar和1%～5%CO2，外加脉冲电流，即采用混合气体的熔化极脉冲氩弧焊，这时焊接过程稳定，熔滴呈喷射过渡，焊丝融化速度快，电弧热量集中，特别是采用自动焊时，质量更好。3.3.3等离子弧焊等离子弧焊已成功运用于奥氏体不锈钢的焊接。电弧热量集中，可采用比钨极氩弧焊高得多的焊接速度，从而可提高焊接生产率。3.2