材料焊接性之不锈钢及耐热钢的焊接

第4章不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr（wCr≥12%）、Ni、Mn、Mo等元素，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备不锈钢焊接接头的宏观照片YAG-MAG激光电弧复合焊

4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性

4.1.1不锈钢的基本定义

不锈钢的定义原义型习惯型广义型仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢

指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称

泛指耐蚀钢和耐热钢，统称为不锈钢StainlessSteels

4.1.2不锈钢及耐热钢的分类

按主要化学成分分类

铬锰氮不锈钢铬镍不锈钢

铬不锈钢指Cr的质量分数介于12%～30%之间的不锈钢，其基本类型为Cr13型

Cr的质量分数介于12%～30%，Ni的质量分数介于6%～12%和含其他少量元素的钢种，基本类型为Cr18Ni9钢

属于节镍型奥氏体不锈钢，化学成分中部分镍被锰、氮替代，可减少镍的含量如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N

按用途分类

超低碳Cr-Ni钢(如00Cr25Ni22Mo2、00Cr22Ni5Mo3N)等低碳Cr-Ni钢（如0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti）高Cr钢（如1Cr13、2Cr13）不锈钢

抗氧化钢热强钢

高Cr钢（如1Cr17、1Cr25Si2）

如1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6、4Cr25Ni20、4Cr25Ni34等

Cr-Ni钢（如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）

以Cr12为基的多元合金化高Cr钢（如1Cr12MoWV）

按组织分类

奥氏体钢铁素体钢

马氏体钢铁素体－奥氏体双相钢0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti(18-8Ti)2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni200Cr21Ni32、4Cr25Ni35沉淀硬化钢1Cr17、1Cr25Si2000Cr30Mo2

Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12、

1Cr12MoWV00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr25Ni5Mo3N、00Cr22Ni5Mo3N

0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH0Cr17Ni7Al，简称17-7PH

4.1.3不锈钢及耐热钢的特性

表4-1不锈钢及耐热钢的物理性能不锈钢的耐蚀性能

应力腐蚀（SCC):不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。晶间腐蚀：在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。

缝隙腐蚀：在电解液中，如在氯离子环境中，不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时，缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl－而被局部破坏的现象。点腐蚀（孔蚀或坑蚀）：金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生的局部腐蚀

均匀腐蚀：接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象σ相脆化：是Cr的质量分数约45%的典型FeCr金属间化合物，无磁性，硬而脆。475℃脆性：主要出现在Cr＞15%的铁素体钢中。430～480℃之间长期加热并缓冷，导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象。热强性：在高温下长时间工作时对断裂的抗力（持久强度），或在高温下长时间工作时抗塑性变形的能力（蠕变抗力）。数据：刘会杰书186表7-3耐热性能：耐热性能是指高温下，既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性，同时又有足够的强度即热强性。不锈钢及耐热钢的高温性能

4.1.4Fe-Cr，Fe-Ni相图及合金元素的影响

图4-1Fe-Cr二元合金状态图

图4-2Fe-Ni二元合金状态图合金元素对相图的影响

碳的影响氮的影响

锰的影响

钼的影响

碳是强奥氏体化元素，会使γ相区增大，而δ相区减小氮是强奥氏体化元素Mo也是铁素体形成元素Mo对γ相区有强烈的缩小作用

Mn是奥氏体形成元素，与Ni相似，会扩大γ相区，使γ-α的转变向低温移动

4.2奥氏体不锈钢的焊接

4.2.1奥氏体不锈钢的类型类型

18-8型奥氏体不锈钢

18-12Mo型奥氏体不锈钢为克服晶间腐蚀倾开发了1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni11Nb等主要牌号有1Cr18Ni9和0Cr18Ni925-20型奥氏体不锈钢超低碳18-8型不锈钢，如00Cr19Ni10等0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti等牌号有0Cr25Ni20等4.2.2奥氏体不锈钢焊接性分析

奥氏体不锈钢焊接性分析奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性热裂纹析出现象低温脆化

晶间腐蚀应力腐蚀开裂（SCC）

热影响区敏化区晶间腐蚀

焊缝区晶间腐蚀

点蚀刀状腐蚀腐蚀介质的影响

焊接应力的作用

合金元素的作用

奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向，双相钢有时也会有点蚀产生。

焊接接头的耐蚀性

焊缝区晶间腐蚀

防止途径选择超低碳焊接材料

调整焊缝成分获得一定δ相图4-50Cr18Ni9不锈钢HAZ晶间腐蚀

图4-318-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位1—HAZ敏化区2—焊缝区3—熔合区图4-4舍夫勒焊缝组织图铬当量镍当量奥氏体不锈钢焊接热影响区可划分为过热区、σ相脆化区和敏化区三个区。铁素体不锈钢的热影响区可分为过热区、σ相脆化区、475℃脆性区。图2—9为不锈钢热影响区的划分示意图。

(一)过热区

加热温度在Tks～Tm。

(二)σ相脆化区

加热温度在650～850℃。

(三)敏化区

加热温度在450～850℃。

(四)475℃脆性区

加热温度在400～600℃HAZ晶间腐蚀

晶间腐蚀怎的机理是危什么呢？贫铬区：不锈钢表面或内部课局部铬含量低弦于平均含量的区域。贫铬区的出现，递通常是碳化铬析出的结果层。由于逗铬是保暴证不锈盯钢耐腐蚀禾性的元素，贫铬垮区往往杆优先发辈生腐蚀。例如不锈蜡钢中沿晶界析出碳化特铬后导致衣晶界附近贫铬华，从而容肚易发生晶间腐去蚀。什么是寄敏化区挤？18-8续钢型奥氏芝体不锈钢蛙在450航-850℃温度范围内寻加热后陵对晶间捉腐蚀最闷为敏感寺，通常把这一温俱度区间成昆为敏化温兔度区间，胃在此区间内加送热的过程叨称为敏化告过程。超著低碳以及含T岔i或Nb国的奥氏体妖不锈钢不崭易有敏化区验出现。图4-醒6C态r23C6、Ti醉C的析宰出温度Cr23C6的析出温度：6谅00-8俘50℃；TiC杀的析出温度：1陷100穿℃刀状腐欺蚀定义：在熔合区赵产生的晶婶间腐蚀，加如刀削切倒口形式，故称为排刀状腐付蚀。发生部圣位：只发生在眼含或的1踢8-8和纹18-8柱钢的熔合提区。实质：与M23C6沉淀形成含贫铬层有强关。必要条件睛：高温过热昂和中温敏祖化的相继畅作用。图4-8雨18-还8Ti钢合热影响区赶中碳化物侧的分布特族征WM—焊沉缝还WI—焊亏缝边界图4-7挑不命锈钢刀库状腐蚀烈形貌500贩×图4-1绞0刑0Cr竭17N娃i12迫Mo2氏不锈钢良焊趾拍处的应完力腐蚀走裂纹10×应力腐蚀皆开裂1）腐理蚀介质致的影响守腐蚀介群质与材塌料组合针上的选塑择性，铺在此特浆定组合类之外不绳会产生度应力腐矛蚀。2）焊喊接应力草的作用昏应力腐营蚀开裂机是应力目和腐蚀闷介质共动同作用亏的结果载。由于旺低热导但率及高落热膨胀难系数，严不锈钢练焊后常久常产生提较大的日残余应迟力。合金元摸素的作稼用雾在晶纸界上的哑合金元愁素偏析渔引起合盾金晶间魔开裂是熄应力腐曾蚀的主分要因素揭之一。三个条疑件：环境选择性的求腐蚀介质拉应力点蚀奥氏体惜钢焊接滥接头有储点蚀倾氧向，点怖蚀指数乳PI越袜小的钢墓，点蚀萝倾向越旬大。易产生森部位：恰焊缝中秩的不完殿全混合啦区焊接材料桌选择不当爪时，焊缝刮中心部位抢也会有点垮蚀产生，为主要原因奋：耐点蚀衡成分Cr壶与Mo的川偏析。TIG自学熔焊易形衔成点蚀，堪甚至填送遥同质焊丝非时也是如漏此，仍不闹如母材。为提高掀耐点蚀遭性能：一方面须拢减少Cr王、Mo的扁偏析；一方面甘采用较臭母材更薪高Cr侍、Mo爱含量的泻所谓“蒙超合金贝化”焊棍接材料丘（Ov安era判llo已yed计Fi尾lle师rM辜eta芳l）。提高N渡i含量尊，晶轴毒中Cr芝、Mo盗的负偏炼析显著贝减少。凝固模毅式对热骨裂纹的碰影响凝固裂疫纹最易鸣产生于建单相奥太氏体（唐γ）组选织的焊项缝中，散如果为凭γ＋δ刻双相组沾织，则牢不易于肉产生凝洁固裂纹层。所谓凝固清模式，首岔先是指以比何种初生司相（γ或针δ）开始驱结晶进行忧凝固过程愁，其次是局指以何种给相完成凝迅固过程。笼可有四种哗凝固模式胀：F伏AF享FA则A奥氏体钢山焊接热裂夏纹的原因矛：1.奥氏众体钢的热谁导率小和嗽线膨胀系胖数大，较巡寿大拉应力2.奥梁氏体钢肿易于联陷生结晶羡形成方秀向性强久的柱状纤晶的焊纳缝组织蔽，有利偏于有害券杂质偏拌析3.奥氏肥体钢合金辛组成较复绢杂，易溶阅共晶多热裂纹化学成取分对热习裂纹的串影响任何钢种鲁都是一个堂复杂的合吊金系统，梦某一元素孔单独作用首和其他元政素共存时衔发生的作堵用，往往丈不尽相同倒，甚至可院能相反。MnSPSiNbTiCB焊接工艺末对热裂纹角的影响有一定影冈响图4-1居3样凝固模式词对热裂纹无的影响图4-1县4Fe-圣Cr-菠Ni三阳元合金能一个7富0%F给e的伪剩二元相爽图图4-岗17缺热裂支倾向关键是C仿req/绕Nieq障比值，而狂并非室温床δ相数量墨。18-8唯系列奥氏蛛体钢，因毫Creq粗/Nie下q处于1臭.5～2楚.0之间兄，一般不肌会轻易发培生热裂。而25-振20系列浩奥氏体钢岛，因Cr领eq/N视ieq＜紫1.5，仙Ni含量豆越高，其块比值越小锈，所以具核有明显的卡热裂敏感齐性。析出现象低温脆栗化σ相通前常只有析在铬的烈质量分蜡数大于红16%浅时才会臂析出，造由于铬香有很高供的扩散梅性，σ扮相在铁送素体中闲的析出凝比奥氏群体中的姿快。泡σ相的厘析出使痰材料的拾韧性降盒低，硬遵度增加柄。有时善还增加昆了材料彼的腐蚀闲敏感性狂。σ相迷的产生璃，是δ琴→σ或找是γ→国σ。为了满足淋低温韧性常要求，有拍时采用1植8-8钢佳，焊缝组绝织希望是勒单一γ相机，成为完趋全面心立避方结构，为尽量避免贷出现δ相撞。δ相怜的存在，锐总是恶化位低温韧性4.2.习3奥氏耀体不锈钢逝的焊接工炎艺特点焊接材料选择应注意的问题应坚持辛“适用爱性原则春”根据所怒选各焊虹接材料医的具体成分低来确定是青否适用考虑具际体应用铅的焊接迁方法和借工艺参数可槽能造成的烘熔合比大乏小根据技肆术条件馆规定的来全面焊接性舌要求来奥确定合杜金化程脖度不仅要澡重视焊宪缝金属筒合金系丑统，而且要注纽奉意具体合倾金成分在斗该合金系统稻中的作用驱；不仅考况虑使用性盼能要求贪，也要缓考虑防摆止焊接缺渴陷的工永艺焊接靠性的要时求焊接工艺要点合理选择档焊接方法控制焊接额参数，避肿免接头产模生过热盒现象接头设计塔的合理性应给以默足够的煤重视尽可能控赴制焊接工锦艺稳定以保证最焊缝金属蒜成分稳定控制焊缝斥成形防止焊搏件工作缝表面的守污染4.3铁素体及表马氏体不杯锈钢的焊仇接4.3.决1铁素叙体不锈钢最焊接性分雅析铁素体不锈钢的类型普通铁素体钢高纯度铁素体这钢低Cr总（wCr=1羽2％～1遗4％）钢如00昌Cr1薯2、0裤Cr1羽3、0皮Cr1磨3Al榜等中Cr（wCr=界16％豪～18受％）钢如0C兵r17窄Ti、瓣1Cr挖17M亭o等高Cr（wCr=袭25％～3材0％）犁钢，如1Cr饺25Ti忙、1Cr强28等wC＋wN≤0.鸟035％～0.喜045％如00何Cr1稍8Mo悉2等wC＋wN≤0.0资3%，如00辽Cr1梳8Mo被2Ti坊等wC＋wN≤0.0樱1%～0莲.015％如00絮0Cr治18M杠o2T谊i、0阅00C赢r26岂Mo1笼等焊接性分析焊接接候头的晶间蕉腐蚀焊接接铸头的脆化高温脆性σ相脆化475件℃脆化从铁素体希组织的塑绍性、韧性械以及线膨称胀系数分孟析，其焊仅接热裂纹束和冷裂纹忽的问题并围不突出。但是焊接歪接头耐蚀郑性和高温鄙下长期服黄役可能出只现的脆化猜脆化问题通需要引起卷重视。高纯铁素例体钢比普矿通铁素体另钢的焊接巾性要好得运多。焊接接陡头的晶肾间腐蚀发生腐咐蚀的条只件稍有哨不同。厨从90纪0C以上快先速冷却，缎铁素体铬念不锈钢对点腐蚀很敏恰感，但经笑过650~800C的回舟火后，身又可恢壳复其耐脉蚀性。爽所以，而焊接接吩头产生栗晶间腐厘蚀的位偶置是紧肾挨焊缝守的高温追区。高温脆性σ相脆化475℃脆化焊接接馋头的脆并化铁素体嫌不锈钢架焊接接宅头加热予至95偷0～1邀000桌℃以上熄后急冷吸至室温企，焊接研热影响燃区的塑否性和韧澡性显著屯降低，尿称为“寇高温脆厅性”。革其脆化膛程度与推合金元爱素碳和另氮的含淹量有关雷。普通纯这度铁素省体不锈垫钢中wCr>欺21%英时，若感在52舅0～8射20℃黄之间长弟时间加章热，可汁析出σ筐相。σ缠相的形疯成与焊慌缝金属唐中的化徒学成分查、组织臣、加热盾温度、滚保温时烂间以及快预先冷隔变形等抚因素有渴关。wCr>扁15%的奏普通纯度僚铁素体不托锈钢在4屯00～5走00℃长狐期加热后储，即可出匀现475奔℃脆性。摩475叫℃脆化可吊通过焊后太热处理消涌除。4.3疼.2库铁素体葡不锈钢严的焊接知工艺特泛点焊接方法焊接材料的选择低温预章热及焊后热处理可采用免焊条电竞弧焊、太药芯焊余丝电弧焊、姓熔化极气井体保护焊畏、钨极氩弧领焊和埋弧南焊同质铁素痕体型、奥氏体姓型和镍鹿基合金预热在1戒00～2燃00℃600-间700℃拔焊后热处刚理4.3.见3马氏称体不锈钢胞焊接性分就析马氏体不锈钢的类型Cr1显3系钢1Cr1傲3、2C旷r13、创3Cr1扣3、4C柜r13热强马序氏体钢2Cr1全2WMo违V、2C庆r12M住oV、超低碳僵复相马视氏体钢0.0圣1C-秤13C你r-7则Ni-舱3Si晚、0.0排3C-翼12.助5Cr酒-4N蔬i-0呀.3T筒i焊接性分析焊接接续头的冷裂拼纹焊接接惯头的硬化艺现象超低碳复元相马氏体烘钢无淬硬仙倾向，并戴具有较高促的塑性和辆韧性。常瞒见马氏体魄钢均有脆阴硬倾向，姨含碳量越排高，脆硬匪倾向越大车。因此，窃首先遇到锋的问题是亦含碳量较土高的马氏旦体钢淬硬梨性导致的插冷裂纹的傍问题和脆妹化问题。焊接接头姿的冷裂纹马氏体型子不锈钢C好r≥12病%，增访加钢的规奥氏体赚稳定性饥,适量嚷的碳和耀镍，淬签硬性和李淬透性内高，经见固溶再靠空冷也机会发生恼马氏体缩慧转变。马氏体型拨不锈钢焊钉缝和热影申响区焊后追状态的组蠢织为硬脆冒的马氏体唱组织。马氏体赢型不锈踩钢导热盯性较碳朋钢差，扭焊后残追余应力弦较大，席如果焊惜接接头信刚度又扰大或焊禽接过程轮中含氢恨量又较稿高，当倾从高温颠直接冷系至12所0～1顾00℃牺以下时邻，很容弦易产生暴冷裂纹戒。焊接接头您的硬化现派象Cr13恩类马氏体虚不锈钢以耀及Cr1芝2系列的滴热强钢，雨可以在退洒火状态或讨淬火状态话下进行焊舍接。无论焊蛾前原始另状态如蜓何，冷接却速度谢较快时形，近缝未区必会斤出现硬伞化现象先，形成由粗大马滤氏体的子硬化区泡。在冷却教速度较予小时，私近缝区猪会出现询粗大的损铁素体负，塑性瞒和韧性够也明显轨下降。所以，堡焊接时煤冷却速揉度的控搭制是一农个难题页。图4-2新1思高强度赴马氏体亩钢TI金G焊后石的硬度1—1大Cr1爱3存2点—2C悠r13罢3—谋00C旗r13赠Ni7般Si34.3.电4马氏寄体不锈钢刊的焊接工顾艺特点同质焊缝法焊接时，按宜预热。省预热温度里与材料厚他度、填充单金属种类负、焊接方念法和构件呈的拘束度展有关，与市碳含量关献系最大。焊接构和件不能馋进行预届热或不疲便进行都热处理斩时，可知采用奥佩氏体不丈锈钢焊糟接材料虎。对于热强梨型马氏体答钢，最希居望焊缝成陶分接近母蚂材。焊接材攻料的选烘择+预俗热及焊喝后热处在理最好采用刻同质填充羞金属来焊换接马氏体愤钢，同时酒应考虑合结理的合金桂化，加少表量Ti、鉴Al、N搬、Nb等础以细化晶膝粒，降低欣淬硬性。马氏体型树不锈钢的删预热温度娇不宜过高应，否则将恐使奥氏体显晶粒粗大打，并且随暑冷却速度贤降低，还留会形成粗茄大铁素体爹加晶界碳缩慧化物组织觉，使焊接斥接头塑性百和强度均栽有所下降贸。图4-22男正确幸的焊后热忠处理工艺图4-2苹3痰不正确泡的焊后刻热处理驳工艺4.4岩奥氏链体-铁狭素体双勺相不锈轨钢的焊残接4.4.纯1奥氏保体-铁素体双真相不锈钢惩的类型中合金型双相不锈宝钢低合金罗型双相不锈累钢高合金双相不千锈钢超级双相不锈羞钢00Cr焦25Ni仅6Mo2便N00Cr仙25Ni摇7Mo3浑WcuN0Cr2英1Ni5见Ti、1兽Cr21刺Ni5T驴i00Cr裳18Ni擦5Mo3菜Si200Cr握23Ni泛4N钢00Cr仿22NI寄5Mo3色N00C煎r25独Ni7洪Mo4驳N00C蜘r25垂Ni6游.5M趋o3.驱5Cu场N4.4猪.2联双相不拒锈钢的裤耐蚀性双相不锈钢的耐蚀性耐应力棵腐蚀性安能耐晶间腐岭蚀性能耐点蚀性羞能4.4.栗3奥氏斯体-铁素盛体双相不卖锈钢的焊中接性分析双相不锈豪钢焊接的跳冶金特性双相不锈录钢焊接接腾头的析出现象焊缝金属的组织距转变焊接热影宝响区的组织转冻变铬的氮化游物（如C疮r2N躬、Cr罗N）、二次奥氏记体（γ2钥）及金属间山相（如σ短相等）图4-匀25拔γ相区邮域宽度图4-尽26巩峰值温守度对热与影响区各的影响双相不刊锈钢焊怜接的析拴出现象有可能隆发生三转种类型闭的析出科，即铬屿的氮化钳物（如棵Cr2N、Cr耀N）、二渔次奥氏体羽（γ2）及金属蜡间相（如例σ相等）侍。当焊缝胞金属铁桃素体数逢量过多吼或为纯身铁素体斑组织时屈，很容修易有氮炒化物的泄析出，烫这与在拦高温时姜，氮在跳铁素体部中的溶抱解度高销，而快僻速冷时忌溶解度饿又下降赴有关。球尤其是佣在焊缝推近表面辉，由于地氮的损背失，使们铁素体谊量增加碍，氮化助物更易落析出。侧焊缝若生是健全象的两相会组织，在氮化物剑的析出及量很少咳。因此斧，为了柴增加焊初缝金属汗的奥氏希体数量乏，可在屡填充金励属中提木高镍、士氮元素石的含量颤。另外介，若采的用大的谢热输入痛焊接，抱也可防撞止纯铁柳素体晶划粒的生译成而引茄起的氮然化物的洋析出。在含氮量太高的超级烟双相不锈雷钢多层焊尘时会出现亭二次奥氏鹊体的析出天。特别是驰前道焊缝狮采用低热睡输入而后吴续焊缝采柄用大热输较入焊接时酒，部分会板转变成细及小分散的刑二次奥氏葵体γ2，敌这种γ2也也和氮化写物一样会吹降低焊缝尖的耐腐蚀址性能，尤割其以表面慕析出影响蛛更大。一般来说晃，采用较引高的热输盾入和较低旷的冷却速榜度有利于槽奥氏体的拢转变，减座少焊缝金闹属的铁素吸体量，但迎是热输入叉过高或冷访却速度过互慢又会带玩来金属间译相的析出府问题。通倡常双相不劝锈钢焊缝佣金属不会月发