304不锈钢及其焊接简介
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304不锈钢及其焊接简介
一、概述
304不锈钢 (0Cr18Ni9，AISI304，SUS304)是在最初发明的18-8型铬镍奥氏体不锈钢的基础上发展演变的钢种，是不锈钢的主体钢种，其产量占不锈钢总产量的30%以上。它具有良好的冷、热加工性能、无磁性和好的低温性能；耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650℃。304型不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。对氧化性酸，在实验中得出：浓度≤65%的沸腾温度以下的硝酸中，304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。对碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力，以及大气、水、蒸汽中耐蚀性亦佳。
304不锈钢的良好性能，使其成为应用量最大、使用范围最广的不锈钢牌号，此钢适于制造深冲成型的部件以及输送腐蚀介质管道、容器，结构件等；亦可用于制造无磁、低温设备和部件。但在易产生应力腐蚀环境和产生点蚀和缝隙腐蚀的条件下，在选用时应慎重。
二、用途
家庭用品（1、2类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸），汽车配件（风挡雨刷、消声器、模制品），医疗器具，建材，化学，食品工业，农业，船舶部件，核能、电力工业等。
三、化学成份及性能
304不锈钢国内外牌号对照表
中国 日本 美国 德国
GB JIS AISI/SATM UNS代号 DIN17006 DIN17007
0Cr18Ni9 (06Cr19Ni10) SUS 304 S30400，304 S30400 X5CrNi18-10 1.4301
00Cr19Ni10(022Cr19Ni10) SUS 304L S30403，304L S30400L X2CrNi19-11 1.4306
GB20878-2007，304、304L不锈钢化学成分
钢号 C≤
Si≤ Mn≤ P≤ S≤ Ni Cr Mo Ti N≤
0Cr18Ni9(304)*
0.08 1 2 0.045 0.03 8.00~11.00 18.00~20.00
06Cr19Ni10
00Cr19Ni10(304L)
0.03 1 2 0.045 0.03 8.00~12.00 18.00~20.00 022Cr19Ni10
带*号为耐热钢或可作耐热钢使用
304不锈钢力学性能
牌号 固溶处理 拉伸试验 硬度试验
屈服强度（MPa） 抗拉强度/（MPa） 伸长率（%） HBW HRB
HV
0Cr18Ni9
(304) 1010-1150℃快冷 ≥205 ≥520 ≥40 ≤187HB ≤90 ≤200
00Cr19Ni10(304L) 1010-1150℃快冷 ≥177 ≥480 ≥40 ≤187HB ≤90 ≤200
四、 焊接性能
总体讲，该类不锈钢具有较好的可焊性。但如焊接工艺及所处环境介质条件不当，易产生晶间腐蚀，焊件对焊接热裂纹敏感性较高，易析出脆性σ相；结构件易产生焊接变形。在工艺适当的条件下，其焊接件有较好的综合性能，在碱液、大部分无机酸和有机酸及大气、水、蒸汽中均有好的耐蚀性，故获得了广范应用。
五、晶间腐蚀及防止晶间腐蚀的焊接工艺要点（为大部分奥氏体不锈钢的共同特点）
晶间腐蚀：
不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。
产生晶间腐蚀的不锈钢，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失，这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶间腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区(HAZ)、焊缝或熔合线上，在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀线腐蚀(KLA)。
通常用贫铬理论来解释：
不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于10~12%。当温度升高时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。因为室温时碳在奥氏体中的溶解度很小，约为0.02%～0.03%，而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值，故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合，在晶间形成碳化铬的化合物，如（CrFe）23C6等。数据表明，铬沿晶界扩散的活化能力162～252KJ/mol，而铬由晶粒内扩散活化能约540KJ/mol，即:铬由晶粒内扩散速度比铬沿晶界扩散速度小，内部的铬来不及向晶界扩散，所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少，当晶界的铬的质量分数低到小于12%时，就形成所谓的“贫铬区”，在腐蚀介质作用下，贫铬区就会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀。
检验某种钢材是否有晶间腐蚀倾向，一般采用敏化处理工艺。钢材加热到晶间腐蚀最敏感的，恒温处理一定时间，这种处理工艺称为敏化处理，产生晶间腐蚀最敏感的温度叫敏化温度。18-8 不锈钢最敏感温度为650-700℃（奥氏体不锈钢敏化温度一般
为450～850℃），产生晶间腐蚀倾向所需要的最短时间为1-2小时。
防止焊缝晶间腐蚀的焊接工艺要点：
1、调整焊缝的化学成份，加入稳定化元素减少形成碳化铬的可能性，如加入钛或铌等；
2 减少焊缝中的含碳量，可以减少和避免形成铬的碳化物，从而降低形成晶界腐蚀的倾向。含碳量在0．03%以下，就可以避免铬的碳化物生成；
3、工艺措施，控制在危险温度区的停留时间，防止过热，快焊快冷，使碳来不及析出。
如：采用小电流，并严格控制层间温度在150℃以下，减少焊缝及热影响区金属在温度敏化区间停留的时间。这样可以降低焊接接头在不锈钢温度敏化区间停留的时间，从而减少碳化铬的析出。
未尽之处请可参见《焊接手册》材料的焊接第3版，中国机械工程学会焊接学会编，第九章相关内容以及本文第十部分、《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012，附录 E等相关内容。
六、焊接热裂纹及防止热裂纹的焊接工艺要点（为大部分奥氏体不锈钢的共同特点）
焊接热裂纹：
焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的裂纹。最常见的是焊缝凝固裂纹，又称结晶裂纹。
裂纹产生的原因：1、奥氏体不锈钢导热系数小，而线膨胀系数大，焊接过程中易于产生拉应力2、奥氏体不锈钢在结晶时晶粒间存在很薄的液相层，塑性低。
防止热裂纹产生的焊接工艺要点 ：
1、 采用含S,P量少的焊材；
2、 焊缝冷却速度合适；
3、采用小电流快速焊；
4、收弧时填满弧坑。
七、应力腐蚀及防止应力腐蚀开裂的工艺要点（为大部分奥氏体不锈钢的共同特点）
应力腐蚀开裂：
应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。
防止应力腐蚀开裂的工艺要点：
1、 采用合理的焊接顺序，避免产生较大的焊接拉应力；
2、 避免焊缝产生明显咬边等缺陷，保证焊缝外观质量及表面光滑洁净。
3、 避免焊缝与腐蚀介质直接接触（如GB50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》中6.4.2之3明确规定：对于不锈钢罐，试验用水中氯离子含量不得超过25mg/L；否则在此类环境中应更换为其它钢种）。
八、焊缝脆化和防止方法（为大部分奥氏体不锈钢的共同特点）
焊缝脆化：
焊缝接头在工作时，其韧性和塑性没有达到要求，导致发生脆断的现象。低温状态下尤为
明显。
产生原因：
一般为焊接时过大残余应力，使得奥氏体焊缝产生“自生硬化”现象，降低了焊缝的塑性和韧性；焊缝中铁素体的存在。
防止方法：
采用限制热输入的办法，可以有效防止焊缝脆化；可采用纯奥氏体焊条。
九、焊接变形及防止焊接变形的焊接工艺要点（为大部分奥氏体不锈钢的共同特点）
奥氏体不锈钢的焊接变形：
奥氏体不锈钢的导热系数较小，而线性膨胀系数较大，导致焊缝冷却过程中产生较大拉应力，宏观表现为较大的焊接变形。
焊接变形的防止方法：
1、 选用较小的焊接电流，并多层多道焊；
2、 对结构件可采用专用夹具，以机械约束力减小变形倾向；
3、结构件分段焊，减小局部变形倾向。
十、不锈钢管道焊口焊接操作要领（内容来自：SEPCO2异地复制样板项目标准手册-焊接专业）
1、不锈钢管道焊接一般采用全氩焊接工艺；
2、焊接前检查焊口间隙是否合适，对口间隙必须保证内填丝的要求。焊缝采用摇摆焊法。
3、焊接开始前确保充氩良好，充氩流量可根据管道大小、长短灵活调节，可用火机等在焊缝处测试充氩流量是否能够满足焊接要求。
4、打底时采用内填丝断续送丝法，以保证焊口根部熔透，仰焊处不出现凹陷，使根部焊缝成型均匀。中间停止或收弧时，要把熔池引到坡口上缓慢熄弧，禁止原地熄弧。
5、第一遍填充时管道内要保留有氩气，必须采用断续送丝，防止出现层间未熔合。电流不宜过大，焊层要薄，避免烧穿，防止背面氧化。
6、填充操作时要注意控制层间温度，一般不超过150℃，采用断续送丝，焊层要薄，每层厚度不超过焊丝直径。坡口两侧熔合良好，焊缝均匀。
7、焊缝较宽时采用多道焊。水平固定焊口（全氩）宽度大于12mm时进行分道焊接，垂直固定焊口宽度大于10mm时进行分道焊接，且每道宽度不大于焊丝（焊条）直径的3倍。
8、焊接外表前，应把焊口填平，两边留出坡口边即可；外表焊接采用摇摆焊，焊道要均匀平直，两侧至母材圆滑过渡，避免出现咬边。。
9、焊缝完成后，仔细检查焊缝有无外表焊接缺陷；有缺陷处及时处理，确认无焊接缺陷后，将焊缝表面的飞溅及药皮等清理干净，进行焊工代号标注。
十一、预热、后热、焊后热处理
对于一般的奥氏体不锈钢焊接，国内焊接标准（如：《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012，见5.4.5条；《焊接手册》材料的焊接第3版，中国机械工程学会焊接学会编）一般都不推荐进行预热、后热、焊后热处理。只有在所焊结构有应力腐蚀和结构稳定性等特殊要求时才对奥氏体不锈钢焊接接头
进行焊后热处理，具体工艺可参照《焊接手册》材料的焊接第3版表9-13，中国机械工程学会焊接学会编。
十二、综述
国内外304不锈钢数十年的应用证明：304不锈钢的焊接，只要工艺适当和合理使用，是可以防止晶间腐蚀等各类缺陷/危害的；在电力工程的实践应用中也证明了这一点。
例证：1、《奥氏体不锈钢304的TIG焊接》 兰州理工大学石油化工学院郭富永 丁雪兴，兰州兰石机械设备有限责任公司李永红 张建晓；
2、《奥氏体不锈钢的焊接性 Weldability for Austenite Stainless Steel》 Alltech Medical
Systems, LLC，2010.02.05；
3、《焊接手册》 材料的焊接，第3版，中国机械工程学会焊接学会编，第九章）；
4、《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012等。
十三、附录
1、《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012附录 E（规范性附录）
奥氏体不锈钢及镍基合金焊接特殊技术要求
E.1 焊接奥氏体不锈钢及镍基合金宜采用钨极氩弧焊、 焊条电弧焊、 熔化极气保焊、 埋弧焊等方法。
E.2 坡口加工宜采用机械方式。当采用等离子切割进行下料和坡口加工时，应预留不少于 5mm的加
工余量。
E.3 应采取措施避免母材与碳钢或其他合金钢接触，以防止铁离子污染。测量坡口和焊缝尺寸应采
用不锈钢材料或其他防止铁离子污染的专用焊口检测工具。
