一、焊接特点

一、焊接特点

不锈钢具有优良的化学稳定性和一定的抗腐蚀性能。一般来说，不锈钢包括不锈钢和耐酸钢两类。能抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢，能抵抗强烈浸蚀性介质的钢叫耐酸钢。1Cr18Ni9Ti是一种常用的不锈钢，它既可作为不锈钢使用，又可作为耐酸钢使用，还可以作为耐热钢使用。

合金中铬是提高抗腐蚀性能的最主要的一种元素，钢中含铬量只有在大于12%时才具有抗腐蚀性能。故不锈钢中铬含量必须大于12%。

不锈钢可以按化学成分和组织状态进行分类。按化学成分分为铬不锈钢和铬镍不锈钢。按组织状态可分为三类：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢。

1.奥氏体不锈钢

当钢中含铬量在18%左右，含镍8%～10%时，便有稳定的奥氏体组织产生，称为奥氏体不锈钢。这种钢无磁性，不能通过热处理方法提高其强度和硬度，如经淬火也不能硬化，而用加工硬化方法，可使奥氏体不锈钢强化。但它比其他不锈钢具有更优良的耐腐蚀性能、耐热性和塑性，可焊性良好，是不锈钢中得到最广泛应用的一个钢种。属于这类钢的牌号有：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr25Ni20等。

奥氏体钢的焊接性比马氏体钢和铁素体钢都好。但是，当焊接工艺制订不当时也会出现一些问题。主要问题如下。

（1）焊接热裂纹问题。焊缝和近缝区均可能产生热裂纹。最常见的是在焊缝金属中产生结晶裂纹，有时在近缝区也会产生液化裂纹。钢中的含镍量越高，产生热裂纹的倾向越大。

（2）焊接接头腐蚀问题。焊接接头有可能产生两种腐蚀问题。

①晶间腐蚀。焊接接头有三个部位有可能产生晶间腐蚀：a.焊缝晶间腐蚀；b.敏化区腐蚀；c.近缝区刀状腐蚀（图4-1）。这三种晶间腐蚀不会在同一接头上同时出现。其中，焊缝晶间腐蚀发生在采用单纯的18-8型焊接材料焊接18-8型钢以后，焊缝又经受了600～1000℃加热的情况下，或多层焊时前层焊缝受到后层焊缝600～1000℃加热的区域；敏化区腐蚀发生在不含稳定化元素（如Ti、Nb等）而又不是超低碳的18-8型钢的热影响区中加热温度达到600～1000℃的区域；近缝区刀状腐蚀只发生在含有Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体钢接头的近缝区。

图4-1　奥氏体钢接头的晶间腐蚀

1—焊缝晶间腐蚀；2—敏化区腐蚀；3—刀状腐蚀

②应力腐蚀。由于奥氏体钢的导热系数小、线膨胀系数大，在焊接不均匀加热的情况下，接头处很容易产生较大的焊接残余拉伸应力，因而在与钢材匹配的介质共同作用下容易产生应力腐蚀。例如，MgCl₂、CaCl₂等对奥氏体钢并无腐蚀作用，但对有焊接残余拉伸应力的接头却有腐蚀开裂作用。有资料表明，焊接接头过热区对应力腐蚀开裂最为敏感。

（3）焊接接头脆化问题。奥氏体钢在生产中用途很广，可以用在耐蚀、耐热、耐低温等各种工作条件下，但在不同的工作条件下对焊接接头性能的要求不同。如果用做工作在室温或350℃以下的不锈钢，主要要求其具有耐蚀性；如果用做热强钢，则要求其在高温下有足够强度的同时，有足够的塑性和韧性；如果作为低温钢，则主要要求接头有良好的低温韧性。但是，如果焊接工艺制订不当，则可能产生高温脆化问题和低温脆化问题。

①高温脆化。高温下进行短时拉伸试验和持久强度试验表明，当奥氏体钢焊缝中含有较多铁素体化元素或较多的σ相时，都会发生显著的脆化现象。一般认为与铁素体化元素促使析出σ相和由δ相能直接转变成σ相有关。铁素体δ越多，影响越严重，因此要求长期工作在高温的焊缝中所含的δ相数量应当小于5%。

②低温脆化。试验表明，奥氏体钢焊缝中一次铁素体δ相不仅能引起高温脆化，而且也能引起低温脆化，δ相数量越多，低温脆化越严重。因此，为了满足低温韧性的要求，最好不采用γ+δ双相组织，而应取得单相奥氏体组织。实际上即使采用单相奥氏体组织，其低温韧性也低于经固溶处理的母材。

焊接奥氏体不锈钢时，产生热裂纹的因素如下。

a.铬镍奥氏体不锈钢成分复杂，含有较多的能够形成低熔点共晶体的合金元素和杂质；

b.奥氏体结晶的枝晶方向性强，容易造成偏析聚集；

c.奥氏体的线膨胀系数大，冷却时焊缝收缩应力大。

为防止产生热裂纹，应采取以下措施。

a.控制焊缝组织。焊缝为奥氏体加少量铁素体双相组织，不仅能防止晶间腐蚀，也有利于减少钢中低熔点杂质偏析，阻碍奥氏体晶粒长大，防止热裂纹；

b.控制化学成分。对18-8型不锈钢，应减少焊缝中镍、碳、磷、硫元素的含量和增加铬、钼、硅、锰等元素的含量；

c.选用小功率焊接参数和冷却速度快的工艺方法，避免过热，提高抗裂性。

2.马氏体不锈钢

这类钢主要特点是含有较高的铬和较高的碳，所以具有淬硬性。当温度不超过30℃时，在弱腐蚀介质中，有良好的耐腐蚀性（如盐水溶液、硝酸及某些浓度不高的有机酸等）；在热处理与抛光后，具有良好的机械性能。这类钢的牌号有2Cr13、3Cr13、9Cr18等。

马氏体钢淬硬倾向很大。在冷却的条件下就能产生高硬度的马氏体组织，在所有的不锈钢和高合金耐热钢中其焊接性最差，焊接时容易产生以下问题。

（1）焊接冷裂纹是马氏体钢很突出的问题。这一方面与其淬硬性大有关，另一方面也与马氏体导热性差，能引起较大的焊接内应力有关，特别是含碳量比较高的钢和刚性比较大的焊接结构很容易产生焊接冷裂纹，因此，一般都需要采取预热和焊后热处理等措施。

（2）焊接接头处近缝区过热脆化和回火脆化：当冷却速度较大时，近缝区能产生粗大的马氏体组织，使接头塑性下降；当冷却速度较小时，则产生粗大的块状铁素体和碳化物组织，使接头的塑性更显著下降，因此焊接时应注意控制冷却速度，避免近缝区过热脆化。而且马氏体钢及其焊接接头在375～575℃的范围内加热并逐渐冷却时，能产生比较明显的断裂韧性降低现象。这是由回火脆化引起的，因此热处理时应避开回火脆化温度区。

3.铁素体不锈钢

铁素体不锈钢以铬为主要合金元素，铬含量一般是13%～30%。含碳量较低，均在0.25%以下。这类钢具有良好的热加工性和一定的冷加工性，经淬火也不会硬化，在400～600℃温度区间停留时，易出现脆化现象。属于这类钢的牌号有：Cr17、Cr17Ti、Cr17Mo2Ti、Cr25、Cr25Mo3Ti、Cr28等。

铁素体钢中铁素体形成元素铬的含量很高，有些钢中还加入了一些铅、钼和硅等铁素体形成元素，大多数钢在高温下完全失去了转变成奥氏体的可能性。这种钢没有淬硬性，焊接性比马氏体钢好，但比奥氏体钢差。铁素体钢焊接时主要有以下两方面问题。

（1）焊接接头脆化问题主要有三种方式。

①高温过热引起的脆化。铁素体钢焊缝和热影响区中的过热区的晶粒粗化倾向比较大。当接头严重过热时，晶粒剧烈地长大，使常温下的冲击韧度显著地降低，而且，如果焊接内应力比较大，还容易产生裂纹。这种脆化无法用焊后热处理来改善。过热脆化的主要原因与这种钢没有重结晶过程有关。

②475℃脆化。铁素体钢由于含铬量很高，475℃脆化问题比较突出。在热影响区被加热到350～550℃的部位很容易产生475℃脆化，因此应尽量缩短在这个温度区停留的时间，同时，在预热、焊后热处理时都应避开这个温度范围。

③σ相脆化。这也是铁素体钢焊接时比较突出的问题，在焊接接头被加热到520～820℃的部位和当焊接接头整体在520～820℃的范围内加热时，都容易产生σ相脆化。

（2）焊接接头晶间腐蚀问题。铁素体钢比奥氏体钢有更大的晶间腐蚀敏感性，腐蚀部位在热影响区中被加热至925℃到熔合线之间。铁素体钢一般是退火状态供货，金相组织是铁素体加少量碳化物和少量金属间化合物，此时，碳化物分布比较均匀。焊接时，当金属被加热到925℃以上时，碳化物溶解到铁素体中。在随后冷却时，由于碳在铁素体中的溶解度下降，碳要从铁素体中析出，而碳在铁素体中的扩散速度大，因此能扩散到晶界与铬形成碳化铬。而铬在铁素体中的扩散速度相对较慢，不能及时向晶界补充自由态的铬，因而在晶界会造成贫铬，使晶间的耐蚀性大大下降。但是这种腐蚀倾向在经过650～815℃短时加热而使铬加速向晶界扩散后可消失。

当铁素体含铬量高，或加入一些能固定碳的元素时，可提高抗晶间腐蚀的能力，例如1Cr28、1Cr17Ti型钢具有良好的抗晶间腐蚀能力。