不锈钢焊接

一、不锈钢及耐热钢的分类§4不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢：耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀性介质腐蚀的钢；在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内；耐酸钢：耐酸、碱、盐等强腐蚀性介质腐蚀的钢。在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内。耐热钢：包括抗氧化钢和热强钢。wCr12%1、按化学成分（1）铬不锈钢：wCr=12-30%，主要为Cr13型（2）铬镍不锈钢：wCr=12-30%，wNi=6-12%，如Crl8Ni9钢（3）铬锰氮不锈钢：用锰代替镍含量，如1Crl8Mn6Ni5N2、按用途：（1）不锈钢：要求耐浸蚀性的化学介质腐蚀，对强度要求不高，工作温度低于500℃；（2）抗氧化钢（不起皮钢）：要求在高温下抗氧化或耐气体介质的腐蚀，工作温度可高达900-1100℃；（3）热强钢：高温下有较好的抗氧化性和耐腐蚀能力，并具有较高的强度，工作温度可高达600-800℃。3、按正火后的组织分（1）马氏体钢：热处理强化钢；牌号主要为1Cr13～4Cr13；用于力学性能要求高，耐蚀性要求低，如：气轮机叶片，医疗器械等。一般在调质状态下使用。焊后淬硬倾向大，易出现冷裂纹（2）铁素体钢：含Cr为17～30%的高铬钢属此类，主要用做热稳定钢，也可作耐蚀钢用（随Cr含量增加，耐蚀性增加）；Wc=0.1%左右；不能进行热处理强化；如1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。合成氨生产装置热影响区中的铁素体晶粒易过热粗化，所以：焊前预热温度应在150℃以下；采用小电流、快速焊等工艺，以降低晶粒粗大倾向。加入Mo可提高耐酸和抗应力腐蚀的能力。（3）奥氏体钢：用途最广，占不锈钢及耐热钢总量的70％化学成分特点:Wc=0.08～0.14%WCr=17～19%WNi=8～11%Cu、Ti、Mo等。加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。热处理特点:固溶处理;稳定化处理;消除应力退火。牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti用途:化工容器、管道等。固溶处理：焊后把接头加热到单一A区（1050-1150℃），得到成分均匀的单一A组织，然后快冷，使高温过饱和的固溶体组织保持到室温。均匀化处理：焊后把接头加热到850-900℃，保温2h，使Cr有充分时间扩散，使晶界含Cr量恢复到12%以上，消灭贫铬区的过程。大型化工储罐(304)管板换热器(304)焊接性良好，焊接时一般不需要采取工艺措施。焊条、焊丝和焊剂的选用应保证焊缝金属与母材成分类型相同。（4）铁素体-奥氏体双相钢：钢中铁素体占60％-40％，奥氏体占40％-60％；抗点蚀及抗应力腐蚀开裂的能力强，主要用于含氯离子的环境，如石油、化工、化肥、造纸等设备。如00Crl8Ni5Mo3Si2、00Cr22Ni5Mo3N、0Cr25Ni5Mo3N等。（5）沉淀硬化型不锈钢：在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理得到高强度、高韧性、良好耐蚀性的一类不锈钢。如0Crl7Ni7Al、0Crl7Ni4Cu4Nb等二、不锈钢及耐热钢的性能2、耐蚀性金属腐蚀的机理：（1）化学腐蚀:金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。特点：无电流产生（2）电化学腐蚀:金属与介质(电解质溶液，即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀。特点：有电流产生。1、物理性能：热导率小、线膨胀系数大、电阻率大电化学腐蚀过程示意图珠光体电化学腐蚀示意图不锈钢腐蚀形式：（1）均匀腐蚀接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。（2）点蚀在金属材料表面产生尺寸小于1.0mm的穿孔性或蚀坑性宏观腐蚀；原因：材料表面钝化膜局部破坏引起；预防措施：A、降低cl-浓度；B、减少夹杂物，增加均匀性；C、降低含碳量，增加Cr、Mo、Ni含量。（3）缝隙腐蚀金属构件中发生的斑点状宏观蚀坑；原因：间隙中溶液流动发生迟滞，致使溶液中局部cl-浓化，不锈钢表面钝化膜吸附cl-被局部破坏。（4）晶间腐蚀在晶粒边界附近发生的有选择性腐蚀现象；原因：贫铬理论A不锈钢加热到450-850℃（敏化温度）区间发生高铬F不锈钢从高温急冷发生，经650-850℃加热缓冷可消除（5）应力腐蚀在特定腐蚀介质和拉应力共同作用下而引起的断裂；产生条件：A、拉应力下产生，压应力不产生；B、材料与介质之间有选择性；C、纯金属一般不产生，合金中易产生。金属的防腐措施:（1）覆盖层保护:涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。（2）形成氧化层:加入合金元素Cr、Al、Si等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。（3）提高金属的电极电位:加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位。（4）使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素Mn、Ni、Co等能扩大γ区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等能扩大α区,可在室温获得铁素体钢。（5）减少与消除钢中的各种不均匀现象:偏析、应力、组织等。（6）牺牲阳极保护阴极:镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块。3、高温性能（1）高温抗氧化性（热稳定性）指钢在高温下对各类介质化学腐蚀的抗力；提高高温抗氧化性途径：A、在钢中加入可以形成稳定而致密氧化膜的合金元素，所加合金元素的离子半径应小于铁，且比铁更容易氧化。如Cr、Al、Si等；B、在耐热钢中加入微量稀土元素，也可显著提高钢的抗氧化性能，特别是在1000℃以上的高温极为有效。（2）高温强度（热强性）钢在高温下的保持强度性能。包括短时高温强度（高温屈服强度和抗拉强度）、长时高温强度（蠕变极限和持久强度极限、高温疲劳极限）。最重要的是蠕变极限和持久强度极限。提高热强性的途径：A、基体固溶强化：加入一定量的合金元素来加强基体原子间的结合力；如加入合金元素钼（Mo）、钨（W）、钴（Co）等，因增大了原子间的结合力，还减慢了固溶体中的扩散过程。B、减少晶界和晶界强化：如加入适量的硼（B）、锆（Zr）等元素，在晶界形成难熔化合物和填充空位等作用而提高晶界的抗蠕变能力。C、沉淀强化：从过饱和固溶体中析出强化相，强化相的熔点越高，点阵结构越复杂，提高热强性的效果越好，耐热钢中的强化相多为碳化物、氮化物、硼化物等难熔化合物和一些金属间化合物。如MC、M23C6。高温变形不单由晶内滑移引起，还有扩散和晶界滑移作用，扩散能促使位错引起变形，同时本身也导致变形；高温时晶界强度低，晶界容易滑动产生变形。（3）高温脆化Cr13在550℃附近有回火脆性；高铬F钢晶粒长大脆化；A钢沿晶界析出碳化物造成脆化；475℃脆性：Cr含量超过15%的F钢中，在430-480℃之间长期加热并缓冷，导致在常温或负温时出现强度升高而韧性下降的现象。钢中杂质促进475℃脆性发生。消除：在600-700℃加热保温1h空冷。σ相脆化：σ相是一种硬脆而无磁性的铁铬金属间化合物。其硬度达68HRC，且分布于晶界，显著降低韧性。Cr含量超过21%的F钢中，在850-650℃之间长期加热，F向σ相转化导致脆化含Ni不高，当含有3-5%δ（抗裂），在850-650℃之间长期服役，δ向σ相转化导致脆化；双相钢中因δ存在，也会产生δ向σ相转化导致脆化。三、A不锈钢的焊接1、焊接性分析显微组织：奥氏体成分：高铬不锈钢+适量的Ni典型钢种：18-8钢0Cr18Ni91Cr18Ni9Ti25-20钢2Cr25Ni20Si24Cr25Ni2025-35钢0Cr21Ni324Cr25Ni35变形能力强、含碳量低，焊接性良好；问题：腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量的控制、脆化等（1）焊接接头的晶间腐蚀焊接接头的晶间腐蚀区A、焊缝区腐蚀①焊态下已有Cr23C6析出，如多层焊的重复加热区域②接头在焊态下无贫铬层，焊后经敏化处理，有发生倾向理论最敏感温度：400-800℃，原因：①低于400℃，C活动能力弱，Cr23C6析出困难②高于800℃，铬的活动能力增强，使贫铬层消失实际由于接头处于焊接的快速连续冷却过程中，Cr23C6析出需更高的温度，接头的敏化温度为：600-1000℃。预防措施：①降低母材和焊缝中的含碳量：将钢中的碳降低到小于或等于其室温时在γ相中的溶解度，这样在加热时就不会有或很少有Cr23C6析出，从而从根本上避免了贫铬层的形成。如00Crl9Ni10、00Crl8Nil0N及焊丝H00Crl9Nil2Mo2②在钢中加入稳定的碳化物形成元素（钛、铌、钽等）：如0Crl8Ni11Ti、0Crl8Ni11Nb及焊丝H0Cr20Ni10Ti、H0Cr20Ni10Nb等（3）焊后进行固溶处理：固溶处理可使已经析出的Cr23C6重溶于奥氏体中。固溶处理：T＝1050-1150℃此方法对大型复杂零部件有一定的困难，处理后再次在敏化温度范围加热，仍然会形成贫铬层。（4）改变焊缝的组织状态：使焊缝由单一的γ相改变为γ+δ双相。原因：δ相可以打乱粗大的柱状树枝晶，使面积较小而直的晶界变为曲折的晶界，从而破坏腐蚀通道；铬在δ相中溶解度大，有良好的供铬条件，从而减少贫铬层形成。δ相量：4％-12％，最好5％左右。δ相过多：①有脆化倾向，过量δ存在多层焊时易形成σ相；②因δ相与γ相之电极电位不同，还会引起选择性腐蚀。（5）均匀化处理（6）操作上：尽量采用窄焊缝，多道多层焊，焊接区快速冷却，焊缝背面可用纯铜垫B、HAZ敏化区在焊接热影响区峰值温度处于敏化温度区间的部位所发生的腐蚀温度范围：600-1000℃普通的18-8钢才有敏化区，含Ti、Nb的和超低碳的18-8钢不易出现防治措施：采用含钛、铌或低碳18-8钢选用较低线能量、快速冷却的工艺采用固溶处理或稳定化退火C、刀状腐蚀发生部位：在熔合区产生的晶间腐蚀发生材质：含有铌、钛的18-8钢的过热区，如0Cr18Ni11Ti、0Cr18Ni11Nb等，超低碳时也不容易发生。产生原因：焊接时，过热区的峰值温度高达1200℃以上，钢中的TiC溶人奥氏体，分解出的碳在冷却过程中偏聚在晶界形成过饱和状态，而钛则因扩散能力远比碳低而留于晶内。当接头在敏化温度区间（450-850℃）再次加热，过饱和的碳在晶间以Cr23C6形式析出，在晶界形成贫铬层，使耐腐蚀能力降低。产生条件：高温加热+中温敏化相继作用防治措施：（1）降低含碳量：一般要求WC0.06%（2）减少近缝区的过热:选用小线能量（3）避免在敏化温度下工作（4）焊后热处理：固溶处理、稳定化处理。（5）合理安排焊接顺序：与腐蚀介质接触的焊缝应尽可能最后焊接。与腐蚀介质接触的焊缝无法最后焊接时．应调整焊接参数，使后焊焊缝的敏化区不要与第一面焊缝表面的过热区重合。（2）应力腐蚀开裂导热性差、线胀系数大，焊接残余应力大介质：氯化物、氟化物防止措施A、选择合适的材料B、消除产品残余应力C、改进结构设计和加工工艺D、进行防腐蚀处理，保护奥氏体不锈钢表面的钝化膜（3）点腐蚀点蚀指数：PI=wCr+3.3wMo+（13-16）wN（PI越小，点蚀倾向越大）PI35-40含Mo钢耐点蚀能力强；TIG自熔焊接所形成焊缝易形成点蚀。产生部位：焊缝中的不完全混合区预防措施：A、不进行自熔焊接；B、焊接材料与母材“超合金化”匹配，减少Cr、Mo的偏析；C、考虑母材的稀释作用，以保证足够的合金含量；D、提高Ni含量，必要时用Ni基合金焊材。（4）热裂纹焊缝中主要是结晶裂纹，热影响区及多层焊层间金属，则多为高温液化裂纹。产生原因：A、奥氏体钢是单相组织，焊缝从凝固冷却到室温不发生相变．很容易形成方向性很强的粗大柱状晶组织B、奥氏体钢中合金元素的品种多，数量大，不仅硫、磷等杂质会与铁形成低熔点共晶，合金元素之间或与杂质间作用也可形成低熔点化合物或共晶。C、热导率低，热膨胀系数大，局部加热时温度分布不均匀，收缩量大等都将使接头在冷却过程中产生较大的内应力。防止措施：A、控制钢材中的硫磷含量，含镍量越高，控制越严；B、合理进行合金化：如在单相稳定奥氏体钢中适当增加Mn、C、N的含量，可以改善抗裂性（合金中有Cu时，Mn与Cu共存将促进偏析而使裂纹增加，此时不能提高含Mn量）；对18-8不