奧氏體不銹鋼焊接特點(diǎn)及工藝

蔡玉清 劉立國 吳春龍

摘要：通過對(duì)奧氏體不銹鋼的可焊性分析，指出晶間腐蝕、熱裂紋、應(yīng)力腐蝕和焊接不良是焊接中常見的問題。奧氏體不銹鋼的焊接質(zhì)量可以通過制定合適的焊接工藝來實(shí)現(xiàn)，包括電極選擇、焊接工藝參數(shù)和后處理。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;焊接特點(diǎn);焊接工藝

分類號(hào)：TG457.11

引言

鉻在鋼中的作用是在鋼表面上形成一層結(jié)實(shí)而致密的Cr2O3薄膜，將鋼本身與空氣或腐蝕介質(zhì)隔離開。為防止腐蝕，薄膜中可加入一定數(shù)量的鎳、鈦、鈮、鎢等元素。不銹鋼的組織結(jié)構(gòu)可分為五種：鐵素體、馬氏體、奧氏體、奧氏體+鐵素體、不銹鋼沉淀物，其中好包括少量奧氏體+鐵素體。奧氏體不銹鋼焊接性能良好，廣泛應(yīng)用于化工、石化等行業(yè)。

一、奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)

1.晶問腐蝕

（1）晶間腐蝕產(chǎn)生原因

在晶界發(fā)生晶間腐蝕，因而稱為晶間腐蝕，這是最危險(xiǎn)的奧氏體不銹鋼失效形式之一。在450℃～850℃的溫度范圍內(nèi)，奧氏體不銹鋼通過腐蝕作用向金屬表面滲入碳，從而使金屬的力學(xué)性能和耐蝕性下降，而鉻則主要來自晶粒表面層。若沒有內(nèi)部補(bǔ)鉻，則可降低晶界表面鉻含量，形成鉻區(qū)。受腐蝕介質(zhì)的影響，不銹鋼晶界貧鉻區(qū)域被腐蝕，形成晶間腐蝕，晶間腐蝕的不銹鋼表面沒有明顯變形，但會(huì)沿晶界斷裂，強(qiáng)度降低。

（2）防止晶間腐蝕的措施

控制含碳量：碳是導(dǎo)致晶間腐蝕的主要因素。隨著含碳量的增加，奧氏角碳化鉻越多。對(duì)于含碳量低于0.03%的焊絲，如果沒有發(fā)生晶間腐蝕，則焊絲鉻變色越嚴(yán)重，腐蝕越嚴(yán)重。固溶處理：焊接后，接頭在1050～1100℃下溶解，碳化物在奧氏體中溶解，然后迅速冷卻，使組織穩(wěn)定。另外，在850～900℃時(shí)，還可以穩(wěn)定地進(jìn)行2小時(shí)的熱處理，使鉻擴(kuò)散到奧氏體晶粒到晶界，晶界含鉻量大于12%，不會(huì)產(chǎn)生交叉晶腐蝕。穩(wěn)定鐵：為形成穩(wěn)定的碳化物，避免將鉻還原到奧氏體邊緣，在鋼和焊接材料中添加鈦、鈮和其它碳的親合力大于鉻的元素。研究發(fā)現(xiàn)，焊縫組織由單相奧氏體向奧氏體兩相轉(zhuǎn)變，鐵素體碳素體比碳素體碳素體擴(kuò)散快，而碳素體鉻向晶界擴(kuò)散迅速是降低晶界鉻礦化的主要原因?？炖洌河捎趭W氏體鋼在焊接過程中不會(huì)發(fā)生硬化，因此應(yīng)加快冷卻速度，減少危險(xiǎn)溫度下焊接接頭的停頓時(shí)間。

2.熱裂紋

（1）熱裂紋產(chǎn)生原因

液體與固體物質(zhì)距離較遠(yuǎn)，凝固過程的溫度范圍較大，造成雜質(zhì)分離嚴(yán)重，熔點(diǎn)較低，在晶界聚集。冷卻收縮的壓力也很大，因?yàn)榕蛎浵禂?shù)高

（2）控制熱裂紋產(chǎn)生的措施

要控制化學(xué)成分，降低焊接金屬中鎳、碳、硫、磷的含量，增加鉻、鉬、硅、錳的含量，以減少熱裂紋的發(fā)生。

選用能滋潤焊縫顆粒、氫消耗較低的焊條涂層類型;酸性電極具有高氧化性，使合金元素燃燒增強(qiáng)，抗裂強(qiáng)度下降。大顆粒也能引起熱裂縫。

焊接規(guī)范及冷卻性能，減少焊接熔池過熱和快速冷卻，減少偏析和提高抗裂性將是小規(guī)模的，這意味著小電流和快焊接速度。多層焊接時(shí)，應(yīng)控制中間儲(chǔ)存溫度，焊接前應(yīng)將先前的溫度量冷卻至60℃[2]。

3.應(yīng)力腐蝕開裂

（1）應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生原因

應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）是焊接材料在一定腐蝕環(huán)境下受拉時(shí)的延遲開裂現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼焊接回路（SCC）是一種嚴(yán)重的故障操作，表示沒有塑性變形的脆性故障。

（2）應(yīng)力腐蝕開裂防治措施

①合理制定裝配工藝，最大限度地減少制冷劑的變形，避免強(qiáng)行裝配，避免在裝配過程中產(chǎn)生不同類型的損傷;②焊接材料的合理選擇。焊縫與母材應(yīng)具有良好的一致性，不應(yīng)有顆粒狀、硬脆馬氏體等不良組織。③合適的焊接方法，保證焊縫處于良好的位置，避免應(yīng)力集中或斷裂缺陷，如內(nèi)衣;選擇合適的焊接順序，降低焊接殘余應(yīng)力。④應(yīng)力熱處理焊后處理，如完全發(fā)輝或焊后發(fā)輝，如有困難，焊接后使用錘子或注射器進(jìn)行熱處理。

4.焊縫成形不良

（1）焊縫成形不良產(chǎn)生原因

在焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，由于焊縫中的合金元素含量高，熔池流動(dòng)性小，焊接面成形不好，所以焊接質(zhì)量較低，主要表現(xiàn)在橫槽的反成形和橫槽表面粗糙度的降低。常溫、高溫、不良的焊接表面對(duì)焊接性能幾乎沒有影響，但低溫下焊縫表面產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)低溫下的焊接性能影響不大。

（2）防止措施

焊接工藝可以解決焊接不良和熱影響區(qū)內(nèi)晶間腐蝕問題。傳感溫度范圍內(nèi)的熱致區(qū)（HAZ）范圍由鎢極氬弧焊（TIG）和小焊接線能量控制。

二、奧氏體不銹鋼的焊接工藝

焊前準(zhǔn)備，有必要清除導(dǎo)致焊接金屬氣化的所有類型的污染物。在使用丙酮或酒精進(jìn)行焊接前，將焊接螺母和表面的油和水清除。用它們布置碳刷，把坡口和焊縫表面清理干凈。用磨盤、不銹鋼絲刷等進(jìn)行清渣除銹。

焊條應(yīng)存放在潔凈的庫房內(nèi)，使用時(shí)應(yīng)放在焊絲內(nèi)，不得用手直接接觸鍍層。

涂層電極可選擇焊接薄板或不銹鋼，不需要焊縫。這種焊條電弧穩(wěn)定，焊縫美觀。垂直和上部焊接位置應(yīng)使用氧化鈣涂層焊條。熔渣會(huì)迅速變厚，從而支撐熔化的焊接金屬。

在不銹鋼中，電阻值較高，受電阻熱的影響，焊絲靠近夾持處略呈紅色。當(dāng)焊接到焊條的后半部分時(shí)，為了減少焊縫的熔化，熔化速度應(yīng)該加快。但如果熔化太快，就會(huì)導(dǎo)致缺乏熔化和熔渣。為確保接頭耐腐蝕性能，還應(yīng)選擇較小的焊接電流，以減少焊接熱輸入，防止焊接熱區(qū)過熱。在焊接過程中，焊絲應(yīng)盡可能不搖擺，焊接速度應(yīng)盡可能快，以確保良好的熔化。

通常情況下，焊接后不需要進(jìn)行鋼焊。盡管不銹鋼焊接的剩余電壓高，但由于焊接后各接頭的塑性和韌性好，剩余電壓損壞是顯而易見的。除此之外，消除應(yīng)力的溫度范圍，也就是說，不銹鋼焊接的熱處理不是為了消除接頭的剩余電壓，而是為了使這些化合物具有良好的耐腐蝕性和穩(wěn)定性。

三、結(jié)束語

通過以上工藝的應(yīng)用，提高了奧氏體不銹鋼的焊接質(zhì)量，提高了奧氏體不銹鋼的焊接性能，使其具備了較高的焊接性能，使其在使用前得到了嚴(yán)格的培訓(xùn)和測試，保證了其抗腐蝕性能。

參考文獻(xiàn)

[1]夏興溪.奧氏體不銹鋼半圓管夾套焊接工藝要點(diǎn)探討[J].百科論壇電子雜志，2019：333.

[2]石南輝，張立志.異種奧氏體不銹鋼焊接材料選擇及工藝措施[J].焊管，2020：32-35.

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000）