常用金属材料的焊接-下
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5 不锈钢的焊接
1）奥氏体不锈钢的焊接
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熔解度很小，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Cr
23C
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等。
但是由于铬的扩散速度较小，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。
不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关，当加热温度小于450℃或大于850℃时，不会产生晶间腐蚀。
因为温度小于450℃时，由于温度较低，不会形成碳化铬化合物；而当温度超过850℃时 ，晶粒内的铬扩散能力增强，有足够的铬扩散至晶界和碳结合，不会在晶界形成贫铬区。
所以产生晶间腐蚀的加热温度为450～850℃，这个温度区间就称为产生晶间腐蚀的 “危险温度区 ”或称“敏化温度区”，其中尤以650℃为最危险。
焊接时，焊缝两侧热影响区中处于危险温度区的地带最易发生晶间腐蚀，即使是焊缝由于在冷却过程中其温度也要穿过危险温度区，所以也会产生晶间腐蚀。
焊接接头在危险温度区停留的时间越短，接头的耐晶间腐蚀能力越强，所以不锈钢焊接时，快速冷却是提高接头耐腐蚀能力的有效措施。
由于奥氏体不锈钢冷却过程中没有马氏体的转变过程，所以快速冷却不会使接头淬硬。
随着不锈钢中含碳量的增加，在晶界生成的碳化铬随之增多，使得在晶界形成贫铬区的机会增多，在腐蚀介质中产生晶间腐蚀的倾向就会增加。
因此不锈钢焊接时，为提高接头的耐腐蚀能力，必需控制焊缝中的含碳量，采取的措施是：
⑴采用超低碳不锈钢及其焊接材料 奥氏体不锈钢根据含碳量的不同，可分成三个等级：即一般含碳量级，碳的质量分数为≤0.14%；低碳级的为≤0.06%；超低碳级的为≤0.03。
因为室温时，奥氏体中能溶解的最大碳的质量分数为
0.02%～0.03%，所以超低碳奥氏体不锈钢原则上就不会产生晶间腐蚀。
属于超低碳奥氏体不锈钢的钢号有00Cr19Ni10（ANSI 304L）、00Cr17Ni14Mo2等。
焊接这类钢时，应采取超低碳不锈钢焊丝，如H00Cr19Ni9、TFW-308L等。
⑵在母材或焊接材料中添加稳定剂 在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb等与碳的结合能力比铬更强的元素，能够与碳结合成稳定的碳化物，可以避免在奥氏体晶界形成贫铬区。
所以，常用奥氏体不锈钢及焊执着材料中都含有Ti或Nb
元素，如1Cr18Ni9Ti （ANSI 321）、1Cr18Ni11Nb（ANSI 347）钢等。
⑶进行固溶处理 焊后将焊接接头加热到1050～1100℃，此时碳又重新溶入奥氏体中，然后急速冷却，便得到了稳定的奥氏体组织，这种工艺处理称为固溶处理。
⑷进行均匀化处理 将焊接接头加热至850～900℃，保温2h，使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散至晶界，使晶界处铬的质量分数又恢复到大于12%，贫铬区得以消失。
实践证明，焊缝组织中铁素体的质量分数为2%～3%时，就能足以防止产生热裂纹，焊接18-8型不锈钢用焊条都能保证熔敷金属中含有质量分数为3%～8%的铁素体，因此这类焊条都有较强的抗热裂及耐晶间腐蚀的能力，但是，焊缝金属中出现更多的铁素体含量是不必要的，因为过多的铁素体会引起焊缝金属的脆化，尤其是工作在高温下的焊接结构，通常铁素体的质量分数应控制在5%以内。
气体保护焊、奥氏体不锈钢具有良好的焊接性，可采用手弧焊、药芯焊丝CO
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熔化极氩弧焊、钨极氩弧焊、埋弧自动焊等。
2）铁素体不锈钢的焊接工艺
属于铁素体不锈钢的钢号有0Cr13A1、1Cr17、1Cr28、0Cr17Ti、1Cr25Ti、1Cr17Mo2Ti等。
铁素体不锈钢焊接工艺如下：
⑴焊接性 铁素体不锈钢焊接时，由于热影响区晶粒急剧长大、475℃脆性和σ相析出不仅引起接头脆化，而且也使冷裂倾向加大。
在温度高于1000℃的熔合线附近快速冷却时会产生晶间腐蚀，但经650～850℃加热并随后缓冷就可以加以消除。
由于铁素体钢在加热和冷却过程中不发生相变，所以晶粒长大以后，不能通过热处理来细化。
⑵焊接工艺
①焊接时将焊件预热100～150℃，含铬量越高，预热温度越高。
②可分别选用铬不锈钢焊条或铬镍奥氏体焊条。
采用铬镍奥氏体焊条时，可不进行焊前预热和焊后热处理。
③采用小的焊接线能量，不摆动焊接。
多层焊时应控制层间温度低于150℃。
不宜连续施焊。
④焊后进行750～800℃的回火处理，目的是改善塑性，提高耐腐蚀性。
回火后快冷，可防止出现σ相及475℃脆性。
3）马氏体不锈钢的焊接工艺
属于马氏体不锈钢的钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、3Cr13Mo、
1Cr17Ni2、2Cr13Ni2、9Cr18、9Cr18MoV等。
⑴焊接性 有强烈的冷裂倾向，焊缝及热影响区焊后均为硬而脆的马氏体组织，钢中含碳量越高，冷裂倾向越大。
焊接时在温度超过1150℃的热影响区内，晶粒显著长大。
过快或过慢的冷却都可能引起接头脆化。
例如，1Cr13钢焊后冷
却速度小于10℃/s时，在热影响区将得到粗大的铁素体加碳化物组织，使塑性显著降低；当冷却速度大于40℃/s时，则会产生粗大的马氏体组织，同样也使塑性下降。
马氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向很小。
⑵焊接工艺
①焊前预热 焊前预热是防止产生冷裂纹的主要工艺措施。
当C的质量分数为0.1%～0.2%时，预热温度为200～260℃，对高刚性焊件可预热至400～450℃。
②焊后冷却 焊件焊后不应从焊接温度直接升温进行回火处理，因为焊接过程中奥氏体可能未完全转变，如焊后立即升温回火，会出现碳化物沿奥氏体晶界沉淀和奥氏体向珠光体转变，产生晶粒粗大的组织，严重降低韧性。
因此回火前应使焊件冷却，让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解完了。
对于刚性小的焊件，可以冷至室温再回火；对于大厚度的焊件，需采用较复杂的工艺；焊后冷至100～150℃，保温0.5～1h,然后加热至回火温度。
③焊后热处理 目的是降低焊缝和热影响区的硬度，改善塑性和韧性，同时减少焊接残余应力。
焊后热处理分回火和完全退火两种。
回火温度为650～750℃，保温1h，空冷；若焊件焊后需机加工的，为了得到最低硬度，可采用完全退火，退火温度为830～880℃，保温2h炉冷至595℃，然后空冷。
④焊条的选用 焊接马氏体不锈钢用焊条分为铬不锈钢焊条和铬镍奥氏体不锈钢焊条两大类。
常用铬不锈钢焊条有G202、G207；常用铬镍奥氏体不锈钢焊条有A102、A107、A202、A207等。
参考文献:
1.中国材料工程大典 第23卷 材料焊接工程(下)。
