奥氏体不锈钢的焊接问题及处理措施

  奥氏体不锈钢的焊接特点：焊接过程中的弹、塑性应力和应变量很大，却极少出现冷裂纹。焊接接头不存在淬火硬化区及晶粒粗大化，故焊缝抗拉强度较高。

    奥氏体不锈钢焊接主要问题：焊接变形较大；因其晶界特性和对某些微量杂质（S、P）敏感，易产生热裂纹。


01

晶间腐蚀
    碳化铬的形成，降低了焊接接头抗晶间腐蚀能力。
    晶间腐蚀：根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到450～850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，不足以抵抗腐蚀的程度。
  （1）针对焊缝晶间腐蚀和目材上敏化温度区腐蚀，可采用下列措施加以限制：
    a．减少母材及焊缝的含碳量，母材中添加稳定化元素Ti、Nb等元素使之优先形成MC，以避免Cr23C6形成。
    b．使焊缝形成奥氏体加少量铁素体的双相组织。焊缝中存在一定数量的铁素体时，可细化晶粒，增加晶粒面积，使晶界单位面积上的碳化铬析出量减少。
    铬在铁素体中溶解度较大，Cr23C6优先在铁素体中形成，而不致使奥氏体晶界贫铬；散步在奥氏体之间的铁素体，可防止腐蚀沿晶界向内部扩散。
    c．控制在敏化温度区间的停留时间。调整焊接热循环，尽可能缩短600～1000℃的停留时间，可选择能量密度高的焊接方法（如等离子氩弧焊），
    选用较小的焊接线能量，焊缝背面通氩气或采用铜垫增加焊接接头的冷却速度，减少起弧、收弧次数以避免重复加热，多层焊时与腐蚀介质的接触面尽可能最后施焊等。
    d．焊后进行固溶处理或稳定化退火（850～900℃）保温后空冷，以使碳化物充分析出，并使铬加速扩散 ）。
  （2）焊接接头的刀状腐蚀，为此，可采取如下预防措施：
    由于碳的扩散能力较强，在冷却过程中将偏聚在晶界形成过饱和状态，而Ti、Nb则因扩散能力低而留于晶体内。当焊接接头在敏化温度区间再次加热时，过饱和碳将在晶间以Cr23C6形式析出。
    a．降低含碳量。对于含有稳定化元素的不锈钢，含碳量不应超过0.06％。
    b．采用合理的焊接工艺。选择较小的焊接线能量，以减少过热区在高温停留时间，注意避免在焊接过程中产生“中温敏化”效果。
    双面焊时，与腐蚀介质接触的焊缝应最后施焊（这是大直径厚壁焊管内焊在外焊之后进行的原因所在），如不能实施则应调整焊接规范及焊缝形状，尽量避免与腐蚀介质接触的过热区再次受到敏化加热。
    c．焊后热处理。焊后进行固溶或稳定化处理。

02

应力腐蚀开裂
    可采用下列措施防止应力腐蚀开裂的发生：
    a．正确选择材料及合理调整焊缝成分。高纯铬-镍奥氏体不锈钢、高硅铬-镍奥氏体不锈钢、铁素体-奥氏体不锈钢、高铬铁素体不锈钢等具有较好的抗应力腐蚀性能，焊缝金属为奥氏体-铁素体双相钢组织时抗应力腐蚀性良好。
    b．消除或减小残余应力。进行焊后消除应力热处理，采用抛光、喷丸和锤击等机械方法降低表面残余应力。
    c．合理的结构设计。以避免产生较大的应力集中。

03

焊接热裂纹（焊缝结晶裂纹、热影响区液化裂纹）
    热裂纹敏感性主要取决于材料的化学成分、组织与性能。Ni易与S、P等杂质形成低熔点化合物或共晶，硼、硅等的偏析，将促使产生热裂纹。
    焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质和元素的偏析。从而促使形成连续的晶间液膜，提高了热裂纹的敏感性。若焊接不均匀加热，则易形成较大的拉应力，促进焊接热裂纹的产生。
    防止措施：
     a．严格控制有害杂质S、P的含量。
    b．调整焊缝金属的组织。双相组织焊缝具有良好的抗裂性能，焊缝中的δ相可细化晶粒，消除单相奥氏体的方向性，减少有害杂质在晶界的偏析，且δ相能溶解较多的S、P，并能降低界面能，组织晶间液膜的形成。
    c．调整焊缝金属合金成分。在单相奥氏体钢中适当增加Mn、C、N的含量，加入少量的铈、镐、钽等微量元素（可细化焊缝组织、净化晶界），可减少热裂纹敏感性。
   d．工艺措施。尽量减小熔池过热，以防止形成粗大的柱状晶，采用小线能量及小截面焊道。
    例如25-20型奥氏体钢易出现液化裂纹。可通过严格限制母材的杂质含量及晶粒度，采用高能量密度的焊接方法、小线能量和提高接头的冷却速度等措施。

04

焊接接头的脆化
    热强钢应保证焊接接头的塑性，防止高温脆化；低温用钢要求具有良好的低温韧性，防止焊接接头发生低温脆断。

05

焊接变形较大
    因导热率低、膨胀系数大，故焊接变形较大，可采用夹具防止变形。奥氏体不锈钢的焊接方法和焊接材料的选择:
    奥氏体不锈钢可用钨极氩弧焊（TIG）、熔化极氩弧焊（MIG）、等离子氩弧焊（PAW）及埋弧焊（SAW）等方法进行焊接。
    奥氏体不锈钢因其熔点低、导热系数小、电阻系数大，故焊接电流较小。应采用窄焊缝、窄焊道，减少高温停留时间，防止碳化物析出，减少焊缝收缩应力，降低热裂纹敏感性。
    焊材成分尤其是Cr、Ni合金元素要高于母材。采用含有少量（4%～12％）铁素体的焊接材料，以保证焊缝良好的抗裂（冷裂、热裂、应力腐蚀开裂）性能。
    焊缝中不允许或不可能存在铁素体相时，焊材应选用含Mo、Mn等合金元素的焊接材料。
    焊材中的C、S、P、Si、Nb应尽可能低，Nb在纯奥氏体焊缝中会引起凝固裂纹，但焊缝中有少量铁素体可有效避免。
    焊后需进行稳定化或消除应力处理的焊接结构，通常选用含Nb的焊接材料。埋弧焊用于焊接中板，Cr、Ni的烧损可通过焊剂和焊丝中合金元素的过渡得到补充；
    由于熔深大，应注意防止焊缝中心区热裂纹的产生和热影响区耐腐蚀性的降低。应注意选择较细的焊丝和较小的焊接线能量，焊丝需低Si、S、P。
    耐热不锈钢焊缝中铁素体含量应不大于5％。Cr、Ni含量大于20％的奥氏体不锈钢，需选用高Mn（6%～8％）焊丝，焊剂选用碱性或中性焊剂，以防止向焊缝中增Si，以提高其抗裂性能。
    奥氏体不锈钢专用焊剂增Si极少，可向焊缝过渡合金，补偿合金元素的烧损，以满足焊缝性能和化学成分的要求。

奥氏体不锈钢焊接的主要问题与处理措施主要包括：

1. 晶间腐蚀：为降低这种问题，可以通过减少母材和焊缝的碳含量、添加稳定化元素、尽可能缩短在敏化温度区间的停留时间等方法来解决；
2. 应力腐蚀开裂：预防应力腐蚀开裂的措施包括正确选择材料、消除或减小残余应力、合理的结构设计等；
3. 焊接热裂纹：防止热裂纹的方法主要有严格控制有害杂质的含量、调整焊缝金属的组织和合金成分、采用小线能量及小截面焊道等；
4. 焊接接头的脆化：为了防止焊接接头脆化，应保证焊接接头的塑性和良好的低温韧性；
5. 焊接变形较大：由于导热率低、膨胀系数大，焊接时变形较大，可以通过使用夹具来控制变形。

奥氏体不锈钢的焊接方法和焊接材料的选择也非常关键。此类钢材可以采用钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子氩弧焊及埋弧焊等焊接方法。焊材的成分应比母材中的Cr、Ni合金元素高，且焊材中的C、S、P、Si、Nb等应尽可能低。同时，还需注意焊后的稳定化或消除应力处理。
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焊接不锈钢重要一点：小电流，多道焊，控制层间温度等

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