奧氏體不銹鋼的焊接特點及焊條選用

張超

引言

不銹鋼在航空、石油、化工和原子能等工業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用，不銹鋼按化學(xué)成分分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼，按組織分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。在不銹鋼中，奧氏體不銹鋼（18-8型不銹鋼）比其他不銹鋼具有更優(yōu)良的耐腐蝕性；強度較低，而塑性、韌性極好；焊接性能良好，其主要用作化工容器、設(shè)備和零件等，它是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣的不銹鋼。雖然奧氏體不銹鋼有諸多優(yōu)點但是若焊接工藝不正確或焊接材料選用不當(dāng)，會產(chǎn)生很多缺陷，最終影響使用性能。

一、奧氏體不銹鋼的焊接特點

（一）容易出現(xiàn)熱裂紋

奧氏體不銹鋼在焊接時熱裂紋是比較容易產(chǎn)生的缺陷，包括焊縫的縱向和橫向裂紋、火口裂紋、打底焊的根部裂紋和多層焊的層間裂紋等，特別是含鎳量較高的奧氏體不銹鋼更容易產(chǎn)生。

1. 產(chǎn)生原因

（1）奧氏體不銹鋼的液、固相線的區(qū)間較大，結(jié)晶時間較長，且單相奧氏體結(jié)晶方向性強，所以雜質(zhì)偏析比較嚴(yán)重。

（2）導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時會產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力（一般是焊縫和熱影響區(qū)受拉應(yīng)力）。

（3）奧氏體不銹鋼中的成分如C、S、P、Ni等，會在熔池中形成低熔點共晶。例如，S與Ni形成的Ni3S2熔點為645℃，而Ni- Ni3S2共晶體的熔點只有625℃。

2. 防止措施

（1）采用雙相組織的焊縫 盡量使焊縫金屬呈奧氏體和鐵素體雙相組織，鐵素體的含量控制在3～5%以下，可擾亂奧氏體柱狀晶的方向，細化晶粒。并且鐵素體可以比奧氏體溶解更多的雜質(zhì)，從而減少了低熔點共晶物在奧氏體晶界的偏析。

（2）焊接工藝措施 在焊接工藝上盡量選用堿性藥皮的優(yōu)質(zhì)焊條、采用小線能量，小電流、快速不擺動焊，收尾時盡量填滿弧坑及采用氬弧焊打底等，可減小焊接應(yīng)力和弧坑裂。

（3）控制化學(xué)成分 嚴(yán)格限制焊縫中 S、P等雜質(zhì)含量，以減少低熔點共晶。

（二）晶間腐蝕

產(chǎn)生在晶粒之間的腐蝕，其導(dǎo)致晶粒間的結(jié)合力喪失，強度幾乎完全消失，當(dāng)受到應(yīng)力作用時，即會沿晶界斷裂。

1.產(chǎn)生原因

根據(jù)貧鉻理論，焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450～850℃敏化溫度（危險溫度區(qū)）時，由于 Cr原子半徑較大，擴散速度較小，過飽和的碳向奧氏體晶粒邊界擴散，并與晶界的鉻化合物在晶界形成Cr23C6，造成貧鉻的晶界，不足以抵抗腐蝕的程度。

2. 防止措施

（1）控制含碳量 采用低碳或超低碳（W（C）≤0.03%）不銹鋼焊接焊材。如A002等。

（2）添加穩(wěn)定劑 在鋼材和焊接材料中加入Ti、Nb等與C親和力比Cr強的元素，能夠與C結(jié)合成穩(wěn)定碳化物，從而避免在奧氏體晶界造成貧鉻。常用的不銹鋼材和焊接材料都含有Ti、Nb，如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12MO2Ti鋼材、E347-15焊條、H0Cr19Ni9Ti焊絲等。

（3）采用雙向組織 由焊絲或焊條向焊縫中熔入一定量的鐵素體形成元素，如 Cr、Si、AL、MO等，以使焊縫形成為奧氏體+鐵素體的雙相組織，因為Cr在鐵素體內(nèi)擴散速度比在奧氏體中快，因此Cr在鐵素體內(nèi)較快的向晶界擴散，減輕了奧氏體晶界的貧鉻現(xiàn)象。一般控制焊縫金屬中鐵素體含量為5%～10%，如鐵素體過多，會使焊縫變脆。

（4）快速冷卻 因為奧氏體不銹鋼不會產(chǎn)生淬硬現(xiàn)象，所以在焊接過程中，可以設(shè)法增加焊接接頭的冷卻速度，如焊件下面用銅墊板或直接澆水冷卻。在焊接工藝上，可以采用小電流、大焊速、短弧、多道焊等措施，縮短焊接接頭在危險溫度區(qū)停留的時間，以免形成貧鉻區(qū)。

（5）進行固溶處理或均勻化熱處理 焊后把焊接接頭加熱到1050～1100℃，使碳化物又重新溶解到奧氏體中，然后迅速冷卻，形成穩(wěn)定的單相奧氏體組織。另外，也可以進行850～900℃保溫2h的均勻化熱處理，此時奧氏體晶粒內(nèi)部的Cr擴散到晶界，晶界處Cr量又重新達到了大于12%，這樣就不會產(chǎn)生晶間腐蝕了。

（三）應(yīng)力腐蝕開裂

金屬在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下，發(fā)生的腐蝕破壞。根據(jù)不銹鋼設(shè)備與制件的應(yīng)力腐蝕斷裂事例和試驗研究，可以認(rèn)為：在一定靜拉伸應(yīng)力和在一定溫度條件下的特定電化學(xué)介質(zhì)共同作用下，現(xiàn)有的不銹鋼均有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能。應(yīng)力腐蝕最大特點之一是腐蝕介質(zhì)與材料的組合上有選擇性。容易引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕主要是鹽酸和氯化物含有氯離子的介質(zhì)，還有硫酸、硝酸、氫氧化物（堿）、海水、水蒸氣、H2S水溶液、濃NaHCO3+NH3+NaCl水溶液等介質(zhì)等。

1.產(chǎn)生原因

應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭在特定腐蝕環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時所產(chǎn)生的延遲開裂現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴(yán)重的失效形式，表現(xiàn)為無塑性變形的脆性破壞。

2.防止措施

（1）合理制定成形加工和組裝工藝 盡可能減小冷作變形度，避免強制組裝，防止組裝過程中造成各種傷痕（各種組裝傷痕及電弧灼痕都會成為SCC的裂源，易造成腐蝕坑。

（2）合理選擇焊材 焊縫與母材應(yīng)有良好的匹配，不產(chǎn)生任何不良組織，如晶粒粗化及硬脆馬氏體。

（3）采取合適的焊接工藝 保證焊縫成形良好，不產(chǎn)生任何應(yīng)力集中或點蝕的缺陷，如咬邊等采取合理的焊接順序，降低焊接殘余應(yīng)力水平。例如，避免十字交叉焊縫，Y形坡口改為X形坡口、適當(dāng)減小坡口角度、采用短焊焊道、采用小線能量。

（4）消除應(yīng)力處理 焊后熱處理，如焊后完全退火或退火；在難以實施熱處理時采用焊后錘擊或噴丸等。

（5）生產(chǎn)管理措施 介質(zhì)中雜質(zhì)的控制，如液氨介質(zhì)中的O2、N2、H2O等、液化石油氣中的H2S、氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等、防蝕處理：如涂層、襯里或陰極保護等、添加緩蝕劑。

（四）焊接接頭的脆化

奧氏體不銹鋼的焊縫在高溫加熱一段時間后，就會出現(xiàn)沖擊韌度下降的現(xiàn)象，稱為脆化。

1.焊縫金屬的低溫脆化（475℃脆化）

（1）產(chǎn)生原因

含有較多鐵素體的相（超過15%～20%）的雙相焊縫組織，經(jīng)過350～500℃加熱后，塑性和韌性會顯著下降，由于475℃時脆化速度最快，故稱為475℃脆化。對于奧氏體不銹鋼焊接接頭，耐蝕性或抗氧化性并不總是最為關(guān)鍵的性能，在低溫使用時，焊縫金屬的塑韌性就成為關(guān)鍵性能。為了滿足低溫韌性的要求，焊縫組織通常希望獲得單一的奧氏體組織，避免δ鐵素體的存在。δ鐵素體的存在，總是惡化低溫韌性，而且含量越多，這種脆化越嚴(yán)重。

（2）防治措施

① 在保證焊縫金屬抗裂性能和抗腐蝕性能的前提下，應(yīng)將鐵素體相控制在較低的水平，約5%左右。

② 已產(chǎn)生475℃脆化的焊縫，可經(jīng)900℃淬火消除。

2.焊接接頭的σ相脆化

（1）產(chǎn)生原因

奧氏體不銹鋼焊接接頭在375～875℃溫度范圍內(nèi)長期使用，會產(chǎn)生一種FeCr間化合物，稱為σ相。σ相硬而脆（HRC>68）。由于σ相析出的結(jié)果，使焊縫沖擊韌度急劇下降，這種現(xiàn)象稱為σ相脆化。σ相一般僅在雙相組織焊縫內(nèi)出現(xiàn)；當(dāng)使用溫度超過800～850℃時，在單相奧氏體焊縫中也會析出σ相。

（2）防止措施

①限制焊縫金屬中的鐵素體含量（小于15%）；采用超合金化焊接材料，即高鎳焊材，并嚴(yán)格控制Cr、Mo、Ti、Nb等元素的含量。

②采用小規(guī)范，以減小焊縫金屬在高溫下的停留時間。

③對已析出的σ相在條件允許時進行固溶處理，使σ相溶入奧氏體。

④把焊接接頭加熱到1000～1050℃，然后快速冷卻。σ相一般在1Cr18Ni9Ti鋼中一般不產(chǎn)生。

3.熔合線脆斷

（1）產(chǎn)生原因

奧氏體不銹鋼在高溫下長期使用，在沿熔合線外幾個晶粒的地方，會發(fā)生脆斷現(xiàn)象。

（2）防治措施

在鋼中加入 Mo能提高鋼材抗高溫脆斷的能力。

通過以上的分析，只有合理選擇以上的焊接工藝措施或焊接材料都可以避免以上焊接缺陷的產(chǎn)生。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性，幾乎所有的焊接方法都可用于奧氏體不銹鋼的焊接。在各種焊接方法中焊條電弧焊具有適應(yīng)各種位置與不同板厚的優(yōu)點、應(yīng)用非常廣泛。下面著重分析一下奧氏體不銹鋼焊條在不同用途下的選用原則和方法。

（作者單位：中國石油哈爾濱石化公司）