奥氏体不锈钢焊缝表面检测

基础知识

一、不锈钢的基本定义

原义型：仅指在无污染的大环境中能够不生锈的钢。

习惯型：指原型含有不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称。

广义性：泛指耐蚀钢和耐热钢，统称不锈钢。

二、不锈钢的分类

三、铬、镍、碳对不锈钢组织和性能的影响

铬是不锈钢获得耐腐蚀性能的主要合金元素。铬能在钢的表面生成一种与其体组织牢固结合的致密的氧化膜，使钢的化学稳定性提高。因此，不锈钢多为高铬钢，含铬量都在13%以上。

镍在不锈钢中与铬配合，使钢具有更好的耐蚀性和良好的成形性能及焊接性能。在低碳高铬不锈钢中，加入质量分数为9%的镍，可提高钢的耐腐蚀性，还能提高钢的高温强度和抗氧化性能。

碳对提高奥氏体钢耐热强性有益，但碳对不锈钢的耐蚀性不利。这是因为碳能与铬形成多种碳化物，减少晶粒边界铬的有效含量，导致钢的耐腐蚀性能降低。

四、奥氏体不锈钢的焊接特点

奥氏体不锈钢是石油化工生产中应用最为广泛的金属材料之一，其焊接性能良好，但在焊接过程中也容易产生不少问题，主要表现为以下几种：

1.晶间腐蚀

奥氏体不锈钢焊接件容易在焊接接头处发生晶间腐蚀，如图9-6所示，根据贫铬理论，其原因是焊接时焊缝和热影响区在加热到450℃～850℃温度范围停留一定时间的接头部位，在晶界处析出高铬碳化物（Cr23C6），引起晶粒表层含铬量降低，形成贫铬区，在腐蚀介质的作用下，晶粒表层的贫铬区受到腐蚀而形成晶间腐蚀。这时被腐蚀的焊接接头表面无明显变化，受力时则会沿晶界断裂，几乎完全失去强度。

图9-6  晶间腐蚀

为防止和减少焊接接头处的晶间腐蚀，一般采取的防止措施有：

（1）采用低碳或超低碳的焊材，如A002等，或采用含钛、铌等稳定化学元素的焊条，如A137、A132等。

（2）由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体形成元素，使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织（铁素体一般控制4%～12%）。

（3）减少焊接熔池过热，选用较小的焊接电流和较快的焊接速度，加快冷却速度。

（4）对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件进行焊后稳定化退火处理。

2.焊接热裂纹

热裂纹产生的主要原因是焊缝中的树枝晶方向性强，有利于S、P等元素的低熔点共晶产物的形成和聚集。此类钢的导热系数小（约为低碳钢的1/3），线胀系数大（比低碳钢大50%），所以焊接应力也大，加剧了热裂纹的产生。如图9-7所示。

图9-7  不锈钢焊接热裂纹

其防止的办法是：

（1）选用含碳量低的焊接材料，采用含适量Mo、Si等铁素体形成元素的焊接材料，使焊缝形成奥氏体加铁素体的双相组织，减少偏析。

（2）尽量选用碱性药皮的优质焊条，以限制焊缝金属中S、P、C等的含量。

3.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。如图9-8所示，奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。

应力腐蚀开裂防止措施：

（1）采取合适的焊接工艺，保证焊缝成形良好，不产生任何应力集中或点蚀的缺陷，如咬边等；采取合理的焊接顺序，降低焊接残余应力水平；

（2）合理选择焊材，焊缝与母材应有良好的匹配，不产生任何不良组织，如晶粒粗化及硬脆马氏体等；

（3）消除应力处理：焊后热处理，如焊后完全退火或退火；在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。

图9-8  焊趾处的应力腐蚀裂纹迟开裂现象

4.焊缝金属的低温脆化

奥氏体不锈钢焊接接头，在低温使用时，焊缝金属的塑性、韧性是关键问题。此时，焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。一般可以通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝的方法来防止焊缝金属的低温催化。

5.焊接接头的σ相脆化

焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相，导致整个接头脆化，塑性和韧性显著下降。σ相的析出温度范围650℃～850℃。在高温加热过程中，σ相主要由铁素体转变而成，加热时间越长，σ相析出越多。

防止措施：

（1）限制焊缝金属中的铁素体含量（小于15%），采用超合金化焊接材料，即高镍焊材；

（2）采用小规范，以减小焊缝金属在高温下的停留时间；

（3）对已析出的σ相在条件允许时进行固溶处理，使σ相溶入奥氏体。

任务实施

由于奥氏体钢热导率小、线胀系数大，自由状态焊接时易产生较大的焊接变形。通常选用焊接线能量集中、快速焊接的方法。奥氏体钢热导率小，与结构钢相比，在相同的焊接电流时熔深较大。为了防止过热，保证获得一定尺寸的焊缝，比低合金钢所用的电流一般要小10%～20%；在实际焊接时应尽量采用细直径焊丝。

由于不锈钢的电阻率较大，热导率小，焊接时要防止焊条发红，通常奥氏体焊条长度要短，埋弧自动焊丝外伸长度要短些。焊丝直径为2～3 mm时，外伸长度应小于20～30 mm。

采用电弧焊时，如果焊丝或焊芯中含有亲氧合金元素钛、铌、铬、铝等，应采用短电弧焊接，并尽量不做摆动而以直线运条，其目的是防止合金元素烧损。

一、焊前准备

1.下料方法的选择

奥氏体可以选用机械切割、等离子弧切割及碳弧气割等，最好是等离子弧切割。

2.坡口的制备

奥氏体不锈钢线性膨胀系数大，会加剧焊接接头的变形，所以适当减小V形坡口角度。当板厚大于10 mm时，应尽量选用焊缝截面较小的U形坡口。

3.焊前清理

将坡口两侧20～30 mm范围内的焊件表面清理干净，如有油污，可用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭。对表面质量要求特别高的焊件，应在适当范围内涂上用白垩调制的糊浆，以防飞溅金属损伤表面。

二、焊接方法及工艺

焊接奥氏体不锈钢时，应控制焊接热输入和层间温度，以防止热影响区晶粒长大及碳化物析出，应根据具体焊接性和使用要求选择焊接方法及工艺。

1.焊条电弧焊

同样直径的焊条，焊接电流值应比低碳钢焊条降低20%左右；焊条长度应比碳素钢焊条短；采用直流反接施焊；多层焊时，待上一层焊道冷却到60℃以下再焊下一层焊道，以防晶间腐蚀；在焊接过程中，应注意提高焊接速度，同时，焊条不作横向摆动。不锈钢焊接工艺参数见表9-11。

表9-11 不锈钢焊条电弧焊焊接工艺参数

2.熔化极惰性气体保护焊

一般采用直流反接法，焊接电流为相同直径的碳钢焊丝的80%；保护气体可用纯Ar， Ar+O2（CO2）或Ar+He+CO2混合气；板厚δ＝6～25 mm用喷射过渡，δ＜6mm用短路过渡。不锈钢熔化极氩弧焊焊接参数见表9-12。

表9-12 不锈钢熔化极氩弧焊焊接参数

3.钨极氩弧焊

焊缝成形好，线能量很低，特别适合焊接对过热敏感的各种奥氏体钢；一般采用直流正接，以防止因电极过热而造成焊缝中渗钨的现象；但因生产效率较低、成本高，一般只用于焊接6 mm以下的薄板。工艺参数见表9-13。

表9-13 钨极氩弧焊焊接薄板的焊接参数

4.埋弧焊

埋弧焊具有热输入量高、熔池尺寸大、冷却和凝固速度较低等特点，加剧了合金元素的偏析，使热裂纹倾向加大；同时，在冷却过程中还可能因在敏化温度区间停留时间较长，导致耐晶间腐蚀能力下降。应用不如在低合金钢焊接中那样普遍。

埋弧焊时，焊剂应具有较低的氧化性（目前主要用HJ260），用直流反接，抗气孔能力强、成形好。但由于Si O2含量多，氧化性较强，对合金元素有烧损，在焊缝表面容易引起粘渣。参数见表9-14。

表9-14 奥氏体不锈钢双面埋弧焊焊接参数

5.等离子弧焊

等离子弧焊已用于奥氏体型不锈钢的焊接。对于厚度在10～2 mm以下的奥氏体不锈钢，采用小孔效应时，热量集中，可不开坡口单面焊一次成形，尤其适用于不锈钢管的焊接。微束等离子弧焊对厚度小于0.5 mm的薄件尤为适宜。

三、焊接材料

奥氏体不锈钢焊接材料的选用原则是使焊缝的合金成分与母材的成分基本相同，并尽量降低焊缝金属中碳的含量和硫、磷杂质的含量。奥氏体不锈钢焊接性比较好，可以采用焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、MAG焊及等离子弧焊等焊接方法。奥氏体不锈钢焊接材料见表9-15。

表9-15 奥氏体不锈钢常用焊接方法及焊接材料

拓展提高

超薄不锈钢的焊接

近年来，厚度小于0.2 mm的超薄不锈钢片、带等材料在医疗器械、工业品及日用器皿中的使用越来越广泛。对于这些超薄不锈钢材料的焊接，也提出了更加苛刻的要求。由于材料的厚度太薄，焊接的难度显著增大，目前，通常采用电阻焊方法（主要有点焊和缝焊）。但由于电阻焊时热输入大．很容易导致材料产生变形。在很多情况下会影响器件的使用和外观的美观。钨极氩弧焊虽然是焊接不锈钢的合适方法，但是该焊接方法对于厚度小于0.2 mm的不锈钢片难度很大。与传统焊接相比，小功率脉冲激光缝焊具有功率密度高、能量集中、热输入小、焊缝窄和变形小等优点，而且激光束聚焦后可获得很小的光斑，能精密定位，这些特点使得激光缝焊比其他焊接方法更适合于小尺寸工件的焊接。对于超薄不锈钢材料的激光焊接，由于材料很薄，很容易汽化穿孔，要想得到一条连续的、无烧穿的焊缝。关键是对参数的精确控制。

影响激光焊接质量的主要参数有焊接电流、脉冲宽度、脉冲频率等，其影响效果主要如下：

（1）随着电流的增大，焊缝的宽度增大，焊接过程逐渐出现飞溅，焊缝表面出现氧化现象，并有粗糙感。

（2）随脉冲宽度的增大，焊缝的宽度也在增大。脉宽的变化对不锈钢超薄板激光焊接的效果影响。

（3）随脉冲频率的增加，焊点重叠率增大，焊缝宽度先增大，后基本保持不变。在显微镜下观察，焊缝越来越光滑美观。但脉冲频率增加到一定值时，焊接过程飞溅严重，焊缝变得粗糙，并且焊接件的上下表面都出现氧化现象。

（4）超薄板材料的激光焊接适宜采用正离焦，在相同离焦量的情况下，正离焦激光焊得到的焊缝表面比负离焦时要光滑美观。