化工設(shè)備中奧氏體不銹鋼的焊接性能缺陷及管控措施

馬杰

（安徽泰格生物技術(shù)股份有限公司，安徽 蚌埠 233000）

奧氏體不銹鋼是指在常溫下其金相具有奧氏體組織形態(tài)的一類不銹鋼。奧氏體不銹鋼屬高合金鋼，其中18-8CrNi 型不銹鋼是典型、最具代表性的奧氏體不銹鋼。由于奧氏體不銹鋼具有良好的物理、化學(xué)及機(jī)械加工等綜合性能，因而在石油化工、無機(jī)化工、生物化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中有非常廣泛的應(yīng)用。

奧氏體不銹鋼在應(yīng)用過程中，焊接是必不可少的加工環(huán)節(jié)，特別是很多化工設(shè)備在使用過程中，工況復(fù)雜多變，在合理選擇設(shè)備母材的前提下，焊接是關(guān)系到設(shè)備制造質(zhì)量和使用壽命的最直接因素。

奧氏體不銹鋼的焊接接頭雖然在焊接時(shí)的熱態(tài)下具有良好的塑性和韌性，但由于奧氏體不銹鋼是多元素高合金鋼，相較碳鋼而言，其存在導(dǎo)熱系數(shù)?。ㄌ间摰?/3 左右）、熔點(diǎn)低、線膨脹系數(shù)大（碳鋼的1.4 倍左右）等主要特點(diǎn)。焊接時(shí)會(huì)由于焊縫散熱慢，焊縫熔池在高溫狀態(tài)下滯留時(shí)間過長(zhǎng)，而導(dǎo)致焊縫金屬冷卻結(jié)晶過程中發(fā)生復(fù)雜相變和應(yīng)力變形，產(chǎn)生熱裂紋、晶間腐蝕以及應(yīng)力腐蝕等焊接缺陷[1]，導(dǎo)致設(shè)備的焊接質(zhì)量和使用壽命下降。

本文以18-8CrNi 型奧氏體不銹鋼為例，論述化工設(shè)備中奧氏體不銹鋼的焊接性能缺陷及管控措施。

1 焊接接頭的熱裂紋及管控措施

1.1 焊接接頭熱裂紋的主要特征

奧氏體不銹鋼焊接接頭的熱裂紋敏感性較強(qiáng)，這是奧氏體不銹鋼主要的焊接性能缺陷。焊接時(shí)，在焊接接頭的三個(gè)區(qū)（焊縫區(qū)、融合區(qū)、熱影響區(qū)）都有可能產(chǎn)生熱裂紋，焊縫上最常出現(xiàn)的是凝固態(tài)的結(jié)晶裂紋，而熱影響區(qū)大多出現(xiàn)的是液化裂紋[1]。對(duì)于化工設(shè)備等大型容器焊接時(shí)，往往采取多層焊，前一道焊縫就是后一道焊縫的融合區(qū)和熱影響區(qū)，所以有時(shí)也會(huì)在焊縫下產(chǎn)生固體結(jié)晶裂紋或液化裂紋。奧氏體不銹鋼熱裂紋形態(tài)有縱向、橫向、弧坑狀等多種表現(xiàn)形式。

1.2 產(chǎn)生熱裂紋的主要原因

1.2.1 結(jié)晶裂紋

焊縫中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋主要有兩個(gè)方面的因素：一個(gè)是冶金因素，另一個(gè)是應(yīng)力因素，兩個(gè)因素緊密關(guān)聯(lián)，既相互作用，又相互影響。

冶金因素。奧氏體不銹鋼屬高合金鋼，其母材和焊材合金成分復(fù)雜多樣，主要合金元素含量多，焊縫結(jié)晶溫度范圍寬、時(shí)間長(zhǎng)，易產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的粗大柱狀結(jié)晶組織，并在晶界處形成低熔點(diǎn)的共晶物。這些低熔點(diǎn)的共晶物進(jìn)一步拉大了合金有效結(jié)晶溫度范圍，同時(shí)還會(huì)降低液固兩相的界面能，因而能形成沿晶界和亞晶界連續(xù)分布的低熔點(diǎn)薄膜層，從而削弱了晶粒之間的結(jié)合力[2]。晶粒越粗大，越容易產(chǎn)生連續(xù)的低熔點(diǎn)薄膜層，危害就越大。

應(yīng)力因素。奧氏體不銹鋼在焊接及焊縫冷卻結(jié)晶過程中，由于奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)小等因素，焊接接頭部位熱量不易快速散去，焊縫結(jié)晶時(shí)間長(zhǎng)，雜質(zhì)元素偏析嚴(yán)重，在持續(xù)高溫狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變。當(dāng)拉應(yīng)力超過晶粒之間的承受能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[3]。

1.2.2 液化裂紋

液化裂紋也是由低熔點(diǎn)的合金元素及S、P 等雜質(zhì)在晶界間產(chǎn)生偏析富集形成液態(tài)薄膜并在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。與結(jié)晶裂紋不同的是，液化裂紋多數(shù)出現(xiàn)在焊接接頭的熱影響區(qū)，焊接時(shí)熱影響區(qū)的金屬受熱至敏化溫度范圍（600℃～1 000℃）內(nèi)，造成該區(qū)域金屬晶界產(chǎn)生元素偏析，并在晶界處形成低熔點(diǎn)液態(tài)夾層，從而削弱了晶粒之間的結(jié)合力，當(dāng)焊接時(shí)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力大于晶粒之間的結(jié)合力時(shí)，就產(chǎn)生了液化裂紋[4]。一般來說，液化裂紋的產(chǎn)生主要與母材的特性有關(guān)，添加穩(wěn)定化元素Ti 或Nb 的18-8CrNi 型鋼的近縫區(qū)看不到液化裂紋。另外，如果奧氏體不銹鋼采取多層焊時(shí)，根據(jù)焊縫金屬的受熱溫度和受熱時(shí)長(zhǎng)，液化裂紋也有可能會(huì)在焊縫層間金屬中產(chǎn)生[5]。

1.3 防止產(chǎn)生熱裂紋的管控措施

（1）選用冶金質(zhì)量合格的母材和焊材。嚴(yán)格控制焊縫中C、S、P 等雜質(zhì)含量。采用低氫型焊材可以使焊縫晶粒細(xì)化，減少雜質(zhì)偏析，提高抗裂性[6]；另外，在焊材中適當(dāng)加入一些能細(xì)化焊縫晶粒的元素（如Cr、Mn、Mo、Si 等）促進(jìn)焊縫組織形成奧氏體+鐵素體的雙相組織。實(shí)踐表明，焊縫結(jié)晶過程中，少量鐵素體相（5%左右）即可阻礙奧氏體相的枝晶發(fā)展，起到細(xì)化晶粒和打亂結(jié)晶方向的作用，同時(shí)少量鐵素體能溶解部分雜質(zhì)以減少雜質(zhì)偏析，可以減少熱裂紋的產(chǎn)生[7-8]。鐵素體在奧氏體基體上分布模型如圖1所示。

圖1 鐵素體在奧氏體基底上的分布模型

（2）設(shè)計(jì)合理焊接工藝。采用小電流、快速焊、窄道焊，盡量降低接頭處過熱，減小熔池體積，縮短焊縫結(jié)晶時(shí)間，必要時(shí)用銅墊板散熱或水冷等方式進(jìn)行快速降溫[9]，一方面可以避免焊縫結(jié)晶形成粗大柱狀結(jié)晶組織，減少雜質(zhì)向晶界偏析，減小冷卻收縮時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力；另一方面可以減小敏化區(qū)范圍，并縮短敏化區(qū)在敏化溫度范圍（600℃～1 000℃）內(nèi)停留時(shí)間，減少雜質(zhì)向晶界偏析，從而提高接頭的抗裂性。另外，對(duì)于多層焊，要控制好焊接時(shí)的層間溫度，通常要求前道焊縫溫度冷卻到90℃以下后再進(jìn)行后道焊接[1，10]。

（3）熱處理。對(duì)于制造化工設(shè)備所使用的板材，應(yīng)使用經(jīng)過固溶處理的熱軋板；對(duì)于加工小型工件，若使用冷軋板，應(yīng)首先對(duì)冷軋態(tài)的板材進(jìn)行固溶處理；對(duì)雖經(jīng)固溶處理但其后又經(jīng)沖壓、成形加工的工件應(yīng)進(jìn)行工序間退火，這樣可以避免因加工硬化而導(dǎo)致在焊接時(shí)產(chǎn)生更大的拘束應(yīng)力[9]。

（4）改進(jìn)焊接接頭設(shè)計(jì)，使焊接接頭的拘束度盡可能減小。

2 焊接接頭的晶間腐蝕及管控措施

2.1 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕的機(jī)理是基于貧鉻理論[1]：不銹鋼因?yàn)楹t而具有很高的耐蝕性，其鉻含量必須超過12.5%，否則其耐蝕性能和碳鋼幾無差別[11]。在敏化溫度范圍內(nèi)，奧氏體中過飽和固溶的C 和Cr 形成Cr 的碳化物Cr23C6，向晶界富集沉淀析出。C 是間隙原子，擴(kuò)散速度比較快，可以不斷地由晶內(nèi)向晶界補(bǔ)充，和晶界區(qū)域的Cr 形成Cr23C6，而晶內(nèi)的Cr 擴(kuò)散速度比較慢，來不及向晶界補(bǔ)充，因而就會(huì)在晶界能形成一個(gè)薄的貧鉻層，當(dāng)晶界區(qū)域Cr 含量低于12.5%，就會(huì)造成晶間腐蝕[12]。18-8CrNi型奧氏體不銹鋼晶界形成Cr23C6沉淀與晶間腐蝕之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 奧氏體不銹鋼晶界沉淀與晶間腐蝕之間的關(guān)系

奧氏體不銹鋼在焊接過程中，如果沒有采用正確的焊接材料和嚴(yán)格的焊接工藝，在焊接接頭的三個(gè)部位都會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕，即：焊縫區(qū)晶間腐蝕、熔合區(qū)刀狀晶間腐蝕、熱影響區(qū)的敏化區(qū)的晶間腐蝕，如圖3所示。

圖3 焊接接頭的晶間腐蝕

（1）焊縫區(qū)的晶間腐蝕。其主要發(fā)生在不含穩(wěn)定化元素Ti或Nb的18-8CrNi型不銹鋼焊接中，特別是采取多層焊的焊接過程中。經(jīng)過固溶處理的奧氏體鋼中C是以過飽和的狀態(tài)溶于奧氏體中，但不是一種穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)焊接時(shí)金屬受到敏化溫度（600℃～1 000℃）的熱作用時(shí)，過飽和的C 就向晶界擴(kuò)散，與Cr 形成Cr23C6沉淀于晶界，在晶界處形成一個(gè)薄的貧鉻層，使之喪失耐腐蝕能力，在腐蝕介質(zhì)的作用下，就會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕[1，12]。

對(duì)于含穩(wěn)定化元素Ti或Nb的18-8CrNi不銹鋼，由于 Ti 和 Nb 與 C 的親和力比 Cr 強(qiáng)，優(yōu)先與 C 結(jié)合形成穩(wěn)定的TiC 或NbC，避免了C 向晶界處偏聚形成Cr23C6沉淀而造成晶界貧鉻。

（2）熔合區(qū)的刀狀晶間腐蝕。其發(fā)生在焊接接頭加熱溫度超過1 250℃的部位，TiC或NbC將全部或大部分固溶于奧氏體相即γ相晶粒內(nèi)，冷卻時(shí)則會(huì)有部分固溶的碳原子擴(kuò)散并偏聚在γ 相晶界處[12]。如果后續(xù)進(jìn)行多層焊時(shí)，熔合區(qū)域處于600℃～1 000℃敏化溫度區(qū)間的情況下，γ 相晶界偏聚的碳原子濃度持續(xù)增大，并在晶界處形成Cr23C6型碳化物沉淀，產(chǎn)生貧鉻區(qū)。當(dāng)遇到腐蝕性介質(zhì)后，會(huì)從表面開始向縱深發(fā)生晶間腐蝕，形成刀口狀的腐蝕破壞。刀狀腐蝕需要經(jīng)歷“高溫過熱”（1 250℃以上）和“中溫敏化”（600℃～1 000℃）這樣兩個(gè)過程[13]。刀狀腐蝕發(fā)生的部位是緊靠熔合線的熱影響區(qū)上，呈刀刃狀，故稱刀狀腐蝕。刀狀腐蝕的寬度與晶界處的Cr23C6含量有關(guān)，一般在1～1.5 mm。

（3）熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕。熱影響區(qū)不會(huì)出現(xiàn)“高溫過熱”現(xiàn)象，對(duì)于含穩(wěn)定化元素如Ti、Nb 等的18-8CrNi型不銹鋼，由于NbC或TiC能起到很好的固碳作用，不會(huì)出現(xiàn)碳原子向晶界處偏聚形成Cr23C6沉淀而形成貧鉻區(qū)。因此，對(duì)于18-8CrNi型鋼，如果含穩(wěn)定化元素如Ti、Nb等而且又是超低碳（C含量小于0.03%）的情況下，就不會(huì)產(chǎn)生敏化區(qū)的晶間腐蝕[1，6]。

2.2 焊接接頭晶間腐蝕的管控措施

（1）含C量控制。鋼中C的含量是影響奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的最主要因素，因此要嚴(yán)格控制母材和焊材的含C 量在0.08%以下；另外，在母材和焊材中添加Ti、Nb 等穩(wěn)定化元素，可有效防止焊縫區(qū)的晶間腐蝕和熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕。

（2）雙相組織。雙相組織會(huì)大大提高抗晶間腐蝕的能力。采用含有少量鐵素體（一般要求鐵素體含量為4%～12%）的焊接材料，促使焊縫形成雙相組織，可有效提高焊接接頭的抗蝕能力[13]。

（3）焊接工藝。和控制焊接接頭熱裂紋的焊接工藝一樣，應(yīng)使焊縫快速冷卻，減少焊縫結(jié)晶時(shí)間，可有效提高焊接接頭的耐腐蝕能力；采用小電流、高焊速、短弧、多道焊等方法，減小焊接線能量，讓接頭溫度快速通過敏化溫度區(qū)間；接觸腐蝕性介質(zhì)面的焊縫最后焊接，避免接觸介質(zhì)的焊縫表面不再受到加熱敏化。

（4）熱處理。條件允許的話，焊后可進(jìn)行熱處理。采取固溶處理，在1 050℃～1 100℃溫度范圍內(nèi)保溫0.5 h以上，然后快速冷卻，使晶界區(qū)域析出的碳化鉻重新溶解分散進(jìn)奧氏體組織；或者采取穩(wěn)定化退火處理，重新加熱至850℃～900℃，保溫2 h后空冷，進(jìn)行均勻化處理，以消除貧鉻區(qū)[1]。

3 焊接接頭的應(yīng)力腐蝕及管控措施

3.1 焊接接頭的應(yīng)力腐蝕

奧氏體不銹鋼另一個(gè)突出的性能缺陷就是其存在應(yīng)力腐蝕開裂問題?；ぴO(shè)備的應(yīng)力除了有設(shè)備工作載荷產(chǎn)生的工作應(yīng)力外，更主要的是來自制造過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力及其他應(yīng)力，大多是由冷加工（如板材的剪、折、卷等）、焊接、熱處理以及裝配等工序引起的。大量事故案例表明，焊接接頭的應(yīng)力腐蝕破壞占所有應(yīng)力腐蝕破壞的80%左右[14]。應(yīng)力腐蝕是一種無塑性變形的脆性破壞，一般肉眼很難發(fā)現(xiàn)，所以隱蔽性強(qiáng)，危害大。焊接接頭的應(yīng)力開裂腐蝕大多開始發(fā)生在焊縫的表面，在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的共同作用下，裂紋會(huì)逐漸深入到焊縫金屬的內(nèi)部，裂紋尖部多有分枝，呈枯樹枝狀，可以穿過奧氏體晶粒，也有少量裂紋穿過晶界處的鐵素體晶粒[15]。

3.2 防止焊接接頭應(yīng)力腐蝕的管控措施

（1）合理選擇母材。根據(jù)腐蝕介質(zhì)的具體化學(xué)性質(zhì)及設(shè)備具體的工況條件合理選擇母材材質(zhì)。

（2）合理選擇焊材。奧氏體不銹鋼焊接一般按照“等成分原則”選擇焊材，但為了提高焊縫抗應(yīng)力腐蝕性能，通常采用超合金化的焊接材料，即焊材中的耐蝕性合金元素Cr、Ni、Mu 等的含量略高于母材，并降低焊材含碳量[16]，這是提高焊接接頭抗應(yīng)力腐蝕的重要手段之一。

（3）合理設(shè)計(jì)焊接接頭。焊接接頭布局要規(guī)范合理，避免十字交叉接頭，減少焊縫金屬重復(fù)受熱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要避免腐蝕介質(zhì)在焊縫接頭處出現(xiàn)局部濃縮、沉積或附著情況；焊接接頭部位要平滑潔凈，避免焊縫的錯(cuò)邊、咬邊、氣孔、夾渣以及焊縫附近的焊接飛濺物、電弧擦傷等情況[5，17]。

（4）制訂合理焊接工藝。要合理布置焊接順序，采用點(diǎn)焊固定、區(qū)域焊、分段焊、對(duì)稱焊等手段可有效控制焊接應(yīng)力變形；采用小電流、快速焊以及快速冷卻的處理措施，快速降低接頭的受熱溫度，縮短接頭的受熱時(shí)間，可減少晶界碳化物析出，降低焊接接頭的拉伸應(yīng)力。

（5）降低或消除殘余應(yīng)力的其他措施。根據(jù)具體情況可在焊后進(jìn)行消除應(yīng)力的退火處理，盡可能減小焊接接頭的拘束度；對(duì)于外形尺寸較大，無法進(jìn)行熱處理的化工設(shè)備，可對(duì)敏化側(cè)表面進(jìn)行噴丸處理以形成壓應(yīng)力，降低或抵消因焊接或冷加工造成的拉伸應(yīng)力[18]；也可對(duì)敏化表面采取噴涂、電鍍或拋光處理，進(jìn)一步提高設(shè)備的抗蝕性能。

4 結(jié)束語

化工設(shè)備中奧氏體不銹鋼的焊接性能缺陷主要包括焊接接頭的熱裂紋、晶間腐蝕以及應(yīng)力腐蝕，在充分掌握上述缺陷產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，應(yīng)主要從以下四個(gè)方面做好相應(yīng)的管控措施：

（1）根據(jù)設(shè)備使用的具體工況（溫度、壓力、腐蝕條件等）及設(shè)備制造的施工條件，合理選擇母材和焊材。

（2）科學(xué)合理設(shè)計(jì)焊接接頭，盡可能減小焊接接頭的拘束度。

（3）設(shè)計(jì)規(guī)范合理的焊接工藝，盡量降低接頭處過熱，縮短焊縫結(jié)晶時(shí)間。

（4）設(shè)備制造過程中，可根據(jù)具體施工條件和質(zhì)量要求，采取工序間退火處理、焊后固溶處理以及其他必要的輔助性管控措施。