奥氏体钢的焊接性

一、奥氏体钢的焊接性奥氏体不锈钢与奥氏体耐热钢具有基本相似的焊接特点。

这类钢由于具有较高的变形能力并不可淬硬，所以总的来说焊接性好。

但是，为了全面保证焊接接头的质量，往往需要解决一些特殊的问题，如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量的控制及α相脆化等。

1.焊接接头的晶间腐蚀问题在腐蚀介质作用下，起源于金属表面沿晶界深入到金属内部的腐蚀就是晶间腐蚀。

晶间腐蚀是一种局部性的腐蚀，它会导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，这是一种必须重视的危险的腐蚀现象。

奥氏体钢产生晶间腐蚀的原因，目前比较一致的看法是，奥氏体钢在固溶状态下碳以过饱和形式溶解于γ固溶体，加热时过饱和的碳以Cr23C6的形式沿晶界析出。

Cr23C6的析出消耗了大量的铬，因而使晶界附近WCr降到低于钝化所需的最低量，形成贫铬层。

贫铬层的电极电位比晶粒内低得多。

当金属与腐蚀介质接触时，就形成了为电池。

电极电位低的晶界成为阳极，被腐蚀溶解形成晶间腐蚀。

奥氏体钢在加热到400~800℃时，对晶间腐蚀最为敏感。

这是因为当温度低于400℃时，碳原子活动能力很弱，Cr23C6析出困难而不会形成贫铬层，当温度高于800℃时，晶粒内部的铬获得了足够的动能，扩散到晶界，从而使已形成的贫铬区消失。

在400℃~800℃之间，既有利于Cr23C6的析出，晶内的铬原子又不能扩散到晶界，最容易形成贫铬层，对晶间腐蚀也最敏感。

一般称400℃~800℃温度范围为敏化温度区间。

当然，若在400℃~800℃之间长时间加热，晶内的铬原子有足够的时间扩散，也能使贫铬层消失，但这需要的时间过长，生产中没有使用价值。

根据奥氏体钢产生晶间腐蚀的规律，焊接接头在冷却过程中，若在敏化温度区停留一定时间，接头的耐晶间腐蚀能力降低。

整个接头中以焊缝和峰值温度在600℃~1000℃的热影响区两个部位，对晶间腐蚀最为敏感，后者成为敏化区。

提高焊接接头耐晶间腐蚀的措施，一般可以从下面几个方面考虑：（1）降低母材和焊缝中的含碳量（2）在钢中加入稳定的碳化物形成元素（3）焊后进行固溶处理（4）改变焊缝的组织状态为了防止母材敏化区抗晶间腐蚀能力下降，关键在于正确的选材。

当母材成分一定时，正确的选择焊接参数，以防止敏化区在敏化区间停留较长时间，则是至关重要的。

为了提高18-8钢的耐晶间腐蚀能力。

母材的选用不外乎采用18-8Ti、18-8Nb或低碳、超低碳不锈钢两种方案。

近年来，由于精练技术的推广使用，可以炼出低成本的低碳、超低碳不锈钢，而逐步取代高碳级稳定化奥氏体不锈钢。

2.焊接接头的刀口腐蚀刀口腐蚀是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，只发生于含有稳定剂钛、铌的奥氏体钢的焊接接头上。

腐蚀部位在热影响区的过热区，开始宽度只有3~5个晶粒，逐渐可扩大到1.0~1.5mm。

腐蚀一直深入到金属内部，因形状似刀刃而得名。

刀状腐蚀一般发生在焊后再次在敏化温度区间加热时，即高温过热与中温敏化连续作用的条件下，产生的原因也和Cr23C6析出后形成的贫铬层有关。

含有稳定剂的不锈钢，为了充分发挥稳定剂的作用，一般固溶处理的温度高于Cr23C6的溶解温度而低于稳定剂碳化物的溶解温度。

焊接时，过热区的峰值温度高达1200℃以上，钢中的TiC融入奥氏体，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。

防止刀口腐蚀的措施有以下几点：（1）降低含碳量（2）减少近缝区过热（3）合理安排焊接顺序（4）焊后进行稳定化处理3.应力腐蚀开裂问题金属在应力和腐蚀性介质共同作用下，所发生的腐蚀破坏叫应力腐蚀开裂。

自从不锈钢的晶间腐蚀问题在理论与实践上得到较好地解决后，应力腐蚀开裂逐渐成为不锈钢腐蚀破坏中最突出的问题。

如在化工设备的破坏事故中，由于不锈钢的应力腐蚀开裂造成的事故占50％。

破坏设计几乎所有的耐蚀材料，开裂是没有任何的变形，因而事故往往是突发性的，后果严重。

纯金属一般没有应力腐蚀开裂倾向，而在不锈钢中，奥氏体钢比铁素体钢或马氏体钢对应力腐蚀更要敏感。

根据对破坏实例的大量统计，在铬-镍奥氏体不锈钢中，产生应力腐蚀开裂的钢种主要是近多年来大量应用的超低碳不锈钢。

这些钢经常出现应力腐蚀开裂，不仅与晶体结构和容易产生滑移等原因有关，而且与这些钢种产量大、用途广也有密切联系。

到目前为止，对应力腐蚀开裂的机理还有待进一步研究，但对导致应力腐蚀开裂的基本因素及某些规律，已取得了一致的看法。

拉应力的存在时产生应力腐蚀开裂的必要条件。

表8-10列出了造成应力腐蚀开裂主要应力来源，可以看出，应力主要来至于制造过程，因而焊接应力造成事故占到30％以上。

表8-10引起不锈钢应力腐蚀开裂的主要应力来源应力来源事故数占事故的百分比塑性加工的残余应力55 48.7焊接的残余应力35 31.0设备操作的热应力17 15.0设备操作的工作应力 4 3.5设备固定、连接的残余应力 2 1.8合计113 100应力腐蚀开裂的又一特征是，腐蚀介质与材料的组合上有选择性。

对一定材料来说，存在着最容易引起应力腐蚀开裂的介质。

如将强制成形弯曲后的18-8钢放在不同介质中进行试验，发现在几乎不腐蚀的MgCl2、CaCl2和ZnCl2等介质中，却容易发生应力腐蚀。

反之，在一些容易引起腐蚀的介质中，多数情况下却不会发生应力腐蚀开裂。

引起奥氏体不锈钢发生应力腐蚀开裂的介质，主要有氯化物水溶液、海水、水蒸气等。

铬镍奥氏体不锈钢引力腐蚀开裂产生的温度范围。

在50℃一下和300℃以上，铬镍奥氏体钢很少出现引力腐蚀开裂。

而在50~300℃，特别是在50~200℃范围内产生应力腐蚀开裂的比例最大。

不锈钢在使用条件下产生引力腐蚀开裂的影响因素很多，包括钢的成分、组织和状态，介质种类、温度、浓度，应力的性质、大小及结构特点等。

防止应力腐蚀开裂往往要从多方面采取措施，主要有：（1）正确的选材根据介质特性，选用对应力腐蚀开裂敏感性低的材料是防止应力腐蚀开裂最根本的措施。

（2）消除产品的残余应力可以可以认为，消除或减少结构或部件中的残余应力，是降低奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂敏感性的重要措施。

（3）对材料进行防腐处理通过电镀、喷镀等方法，用金属或非金属覆盖层将金属与腐蚀介质隔离。

（4）改进部件结构及接头设计由于设计不合理，往往会形成较大的应力集中或在制造中产生较大的残余应力。

4.焊接接头热裂纹问题奥氏体不锈钢焊接时产生的裂纹时热裂纹，在焊缝和热影响区都可能出现。

寒风中主要是结晶裂纹；热影响区及多层焊层间金属，则多为高温液化裂纹。

二者都与由于偏析而导致的晶间液化有关。

（1）裂纹产生的原因奥氏体钢对热裂纹比较敏感，主要是由于冶金因素决定的，即由钢的化学成分、组织与性能决定的。

1）由于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，为低熔点物质的偏析与集中创造了条件。

2）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以形成低熔点化合物或共晶。

3）奥氏体钢的热物理性能对裂纹敏感性以后亦有着直接的影响。

由于热导率低，热膨胀系数大，局部加热时温度分布不均匀，收缩量大等都将是接头在冷清过程中产生较大的内应力。

（2）防止焊缝结晶裂纹的途径主要有以下几点:1）严格控制有害杂质，主要是硫、磷的数量。

2）调整焊缝金属为双相组织。

3）合理进行合金化。

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。

考虑合金化时还必须尽可能在提高焊缝抗裂能力的同时保证焊缝的使用性能，力求工艺性能与使用性能统一。

4）工艺上的措施。

为降低焊缝的热裂倾向，制定焊接工艺时尽可能减少熔池过热和街头的残余应力。

减少电流是有益的。

●（3）近缝区的液化裂纹液化裂纹主要出现在25-20钢中。

根据25-20钢快速加热模拟实验，发现晶粒长大趋势明显。

平均晶粒尺寸比相同条件下的18-8钢要高出50℃~60℃。

而且在过热晶粒的边界发生明显的偏析，并产生晶间液膜，Cr、Ni、Si、Mn等元素都要高于平均量。

晶间液膜的熔点大约在1355~1360℃，比基体熔点低60~65℃。

加热速度越快，距离平衡状态越远，则偏析程度越高。

可见低熔点晶间液膜的存在，是产生液化裂纹的主要原因。

为了防止25-20钢液化裂纹，主要在焊接工艺方面采取措施，以减少母材过热，抑制晶粒长大。

严格限制母材中有害杂质的含量，也有利于提高抗液化裂纹性能。

5.铁素体含量控制问题奥氏体耐热钢焊缝金属铁素体含量的多少。

直接关系到抗热裂性等。

对于各种不同成分的铬镍系焊缝金属，在焊后状态的铁素体含量可按德龙焊缝组织图来确定。

注意在根据焊缝成分计算焊缝金属的铬、镍当量时，要考虑不同焊接条件下熔合比的变化对焊缝成分的影响。

焊接金属的力学性能与铁素体含量存在一定的关系，随着铁素体含量的增加，奥氏体铬镍钢焊缝金属的常温抗拉强度提高，变形能力下降。

然而，高温抗拉强度、高温持久强度及低温韧性均明显降低。

因此，对于高温强度要求较高的焊接接头，必须严格控制铁素体含量，在某些场合下必须采用全奥氏体的焊缝金属。