普通純鐵素體不鏽鋼焊接工藝

一，普通純鐵素體不鏽鋼焊接性

1.焊接接頭的晶間腐蝕

普通純鐵素體型不鏽鋼焊接接頭,在焊接熱循環的作用下被加熱到950℃以上的溫度區域冷卻下來後,會顯現晶間腐蝕的傾向,然後在700~850℃進行短時間保溫退火處理，又可恢復其耐蝕性。所以,焊接接頭產生晶間腐蝕的位置是緊挨著焊縫的高溫區。而奧氏體型不鏽鋼焊接接頭的晶間腐蝕是在最高溫度為600~1000℃的區域,即晶間腐蝕的部位稍稍離開焊縫的區域。

普通純鐵素體型不鏽鋼焊接接頭的晶間腐蝕機理與奧氏體型不鏽鋼焊接接頭晶間腐蝕的機理相同,均認為符合貧鉻理論。鐵素體型不鏽鋼一般在退火狀態下焊接,其組織為固溶微量碳和氮的鐵素體及少量均勻分布的碳和氮的化合物,組織穩定、耐蝕性較好。在受熱溫度高於950℃的金屬中,碳、氮的化合物逐步溶解到鐵素體相之中,得到碳、氮過飽和固溶體。由於碳、氮在鐵素體中的擴散速度比在奧氏體中快得多,在焊後冷卻過程中,甚至在淬火冷卻過程中,都來得及擴散到晶界區,加之晶界的碳、氮的濃度較高於晶內,故在晶界上沉澱出(Cr.Fe)23C6碳化物和Cr2N氮化物。

由於鉻的擴散速度慢,導致在晶界上出現貧鉻固溶區。在腐蝕介質的作用下即會出現間腐蝕。由於鉻在鐵素體中的擴散比在奧氏體中快,故為了克服焊縫高溫區的貧鉻帶,只需在700~900℃短時間保溫,即可使過飽和的碳和氮完全結合為碳、氮化物析出,而且晶體內的固溶鉻又來得及擴散補充到貧鉻區,從而恢復到原來的耐蝕性能。同理,在600℃較長時間保溫或焊接接頭自900℃以上緩慢冷卻,使碳、氮化物充分析出,達到或接近鋼材退火狀態下固溶的碳和氮含量的平衡值時,即能保持其耐蝕性。

2.焊接接頭的脆化

普通純度鐵素體不鏽鋼在焊接過程中,焊接接頭在焊接熱循環的作用下,如果在950℃以上停留時間過久,便會引起熱影響區晶粒急劇長大和碳、氮化合物沿晶界偏聚,可導致焊接接頭的塑性和韌性下降。在室溫條件下就可能出現脆裂,即為焊接接頭的脆化現象。這種粗大組織不能經過熱處理進行細化因此控制高溫停留時間是選定焊接參數的基本原則。

焊接接頭的脆化有下列幾種形式:

(1)高溫加熱引起的脆化

焊接接頭從1100℃以上溫度冷卻後,焊接熱影響區的室溫韌性變低,其脆化程度與合金元素碳和氮的含量有關。碳、氮含量越高,焊接熱影響區脆化程度就越嚴重。焊接接頭冷卻速度越快,其韌性下降值越多;如果空冷或緩冷,塑性將提高。

(2)σ相脆化

普通純度鐵素體型不鏽鋼(不論母材或焊縫)中w(Cr)>21%時，若在520-820℃長期加熱,會出現一種又硬又脆的鐵與鉻的金屬間化合物FenCrm(HV高達800~1000)叫σ相。σ相形成與焊縫金屬中的化學成分、組織、加熱溫度、保溫時間以及預先冷形變諸因素有關。預先冷形變可促進σ相形成的速度,且使σ相形成的溫度降低,同時還能降低鋼中形成σ相的最低臨界鉻含量[w(Cr)

由於σ相的形成有賴於Cr、Fe等原子的擴散遷移,故形成速度較慢,所以對多數鋼材來說,焊接熱過程本身甚至通常的焊後熱處理,都不易造成明顯的σ相化。然而,對於長期工作於σ相形成溫度區的鐵素體型耐熱鋼的焊接高溫構件而言,則是必須重視的問題。一般認為800℃高溫時,σ相形成速度可能達到最高值,低於此溫度形成σ相速度減慢,且需要較長的時間。

(3)475℃脆性

當(Cr)≥15.5%的普通純鐵素體型不鏽鋼在溫度400~500℃長期加熱後,常常會出現強度升高、韌性下降的現象,稱之為475℃脆性。一般隨含鉻量提高而脆化的傾向嚴重。焊接接頭在焊接熱循環作用下,不可避免地要經過該溫度區,特別當焊縫金屬和熱影響區在此溫度區停留時間較長時,均有產生475℃脆性的可能。該475℃脆性可通過700-800℃短時間加熱,緊接著進行水冷的處理來消除。

(4)局部馬氏體引起的脆化

大多數鐵素體型不鏽鋼在室溫下能形成穩定的鐵素體組織，但是，如果鋼或焊縫金屬中含鉻量偏於鐵素體區的下限或者碳和氮含量在允許範圍的上限時，可導致晶界在高溫時形成一些奧氏體， 冷卻後轉變為馬氏體組織，產生輕度脆化。退火處理可使馬氏體轉變為鐵素體組織。

二，普通純度鐵素體不鏽鋼的焊接工藝

1.要求低溫預熱

普通純度鐵索體不鏽鋼在室溫時韌性較低，焊接時焊接接頭易出現高溫脆化，在一定條件下可能產生裂紋。通過預熱，使被焊鋼材處於富有韌性的狀態下施焊，能有效地防止裂紋的產生。但是，焊接時的熱循環又會使焊接接頭近縫區的晶粒急劇長大粗化，而引起脆化。為此，預熱溫度的選擇要慎重，一般控制在 100 - 200℃，隨著母材金屬中含銘量的提高，預熱溫度可相應提高。但預熱溫度過高，又會使焊接接頭過熱而脆硬。

2.焊接材料的選擇

可以焊前預熱或焊後進行熱處理的焊接構件，可選用與母材金屬相同化學成分的焊接材料;對於不允許預熱或焊後不能進行熱處理的焊接構件，應選用奧氏體不鏽鋼焊接

材料，以保證焊縫具有良好的塑性和韌性。

當採用同質的焊接材料時，焊縫金屬呈粗大的鐵素體組織，韌性很差。通過焊後熱處理，焊接接頭的塑性可以得到改善，韌性略有提高。

3.475℃脆性的防止

475℃脆性是普通純度高鉻鐵素體不鏽鋼焊接時的主要問題之--。雜質對475C脆性有促進作用。因此，需要提高母材金屬和熔敷金屬的純度，縮短鐵素體不鏽鋼焊接接頭在這個溫度區間的停留時間，以防止475C脆性的產生。一旦出現475℃脆性，可以在600℃以上溫度短時間加熱，再以較快的速度冷卻，給予消除。

4.焊後熱處理

對於同質材料焊成的鐵素體不鏽鋼焊接接頭，熱處理的目的是使焊接接頭組織均勻化，從而提高其塑性及耐蝕性。焊後熱處理溫度為750 - 800℃，是一般回火溫度， 實際上是空冷的退火處理。

三，普通純度鐵索體不鏽鋼的施焊方法

普通純度鐵索體不鏽鋼的焊接，通常採用焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊和埋弧焊等，這裡主要講述焊條電弧焊。

1，焊條電弧焊

填充金屬主要分兩類:一類同質的鐵索體型焊條: 另類為異質的奧氏體型 (或鎳基合金)焊條。

用同質如條焊成的焊縫的優點是:焊縫與母材金屬有一樣顏色和形貌， 相同的線脹係數和大體相似的的蝕性，但抗裂性不高。用奧氏體焊條所焊成的異質焊縫具有很好的塑性:應用較多，不過要控制好母材對奧氏體焊縫的稀釋。但是，用異質焊條施焊，不能防止熱影響區的晶粒長大和焊縫形成馬氏體組織，而且焊縫與母材金屬的色澤也不相同。

焊接普通純度鐵索體不鏽鋼的常用焊條見圖1。

普通純度鐵素體不鏽鋼用焊條電弧焊進行對接平焊時，採用的是小的熱輸人，目的是抑制焊接區的鐵素體晶粒過分長大。施焊時儘量減小焊縫截面，不要連續多道施焊，要待前一道焊縫冷卻到預熱溫度時，再焊下一道焊縫。

焊條電弧焊焊接普通純度不鏽鋼對接平焊的參數見圖2。

用同類材質焊條焊接了10Cr17 008Cr30Mo2鋼對接接頭。其焊接接頭力學性能見圖3。

2，其它焊接方法

埋弧焊 ER26-1是一種純度很高的埋弧焊焊絲，但在埋弧焊施焊過程中，由於焊劑的影響，其焊縫金屬的純度可能會降低

氣保焊 ER430為美國的氣體保護焊焊絲，相當我國氣體保護焊絲H10Cr17。

脈衝MAC焊工藝是一種低熱輸人的焊接方法，由於熱輸人脈衝作用，焊接熔池各點都經歷二、三次加熱和冷卻的過程，高溫停留時間比恆流焊接時短，對母材熱影響區的作用減弱，這樣就減少了熱影響區粗晶粒寬度，提高了該區金屬的衝擊韌度。這種焊接方法不僅適用於普通純度鐵素體不鏽鋼的焊接，同樣也適用於超高純度鐵索體不鏽鋼的焊接。

3.操作要點

焊接過程中，儘量減少焊接接頭在高溫時的停留時間，有助於防止焊接接頭熱影響區鐵素體組織的晶粒很快長大，從而提高焊接接頭塑性。可採取焊後強制冷卻的方法來減少高溫脆化和475℃脆性，防止裂紋的形成。

1)無論採用何種焊接方法，都應採用小的熱輸人的焊接參數，選用小直徑的焊接材料。

2)採用窄焊縫技術和快的焊接速度進行多層多道焊。焊接時，焊接材料不允許進行擺動施焊。

3)多層焊時，要嚴格控制層間溫度在150℃左右，不宜連續施焊。

4)採用強制冷卻焊縫的方法，以減少焊接接頭的高溫脆化和4759C脆化，同時還可以減少焊接接頭的熱影區過熱，其方法是通氬氣冷卻或通水冷卻銅墊板等辦法。