奧氏體不銹鋼焊接技術

王濤

（南京揚子檢維修有限責任公司，江蘇 南京 210048）

不銹鋼是指具有抗腐蝕性能的一類鋼種，是石油、化工等工業部門中廣泛使用的金屬材料。根據其組織特點，不銹鋼分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼等。其中馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼為鉻鋼，其它為鉻鎳鋼。

奧氏體不銹鋼是各類型不銹鋼中應用最廣泛的不銹鋼，品種也最多，產量約占不銹鋼總產量的2/3以上。常用奧氏體不銹鋼有 301、302、303、304、316、321、347等，其中304不銹鋼是目前最常用型號，牌號為0Cr18Ni9；316不銹鋼是繼304不銹鋼之后，第二個得到最廣泛應用的鋼種，牌號為0Cr17Ni12Mo2。

本文從以下幾個方面探討常用奧氏體不銹鋼的焊接技術。

1 奧氏體不銹鋼的化學成分、組織和性能

奧氏體不銹鋼基本成分為18%Cr、8%Ni，簡稱18-8型不銹鋼。為了調整耐腐蝕性、力學性能、工藝性能和降低成本，在奧氏體不銹鋼中還常加入Mn、Cu、N、Mo、Ti、Nb 等合金元素，以此在 18-8 型不銹鋼基礎上發展了許多新鋼種。

奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性、低溫韌性和無磁性等性能，其特點是含碳量低于0.1%，利用Cr、Ni配合獲得單相奧氏體組織，具有良好的冷變形能力、較高的耐蝕性和塑性，可以冷拔成很細的鋼絲、冷拔成很薄的鋼帶或鋼管。與此同時，經過大量變形后，鋼的強度大為提高，這是因為除了冷作硬化效果外，還疊加了形變誘發馬氏體轉變。

2 奧氏體不銹鋼焊接時常見問題

奧氏體不銹鋼具有良好的抗均勻腐蝕能力，但在抗局部腐蝕方面仍存在一些問題。奧氏體不銹鋼焊接的主要問題是：焊接接頭晶間腐蝕、焊接接頭應力腐蝕開裂、焊接接頭熱裂等。

2.1 焊接接頭晶間腐蝕

典型的奧氏體不銹鋼一般是在固溶處理狀態下使用，在常溫下于腐蝕介質中工作通常看不到晶間腐蝕現象，但如果在450～850℃保溫或緩慢冷卻時，往往就會出現晶間腐蝕。這是由于固溶處理后奧氏體為碳過飽和而呈不穩定狀態，若再次加熱（450～850℃），超過溶解度的碳將向晶界擴散，從而與鉻結合并在晶界上析出富鉻的Cr23C6，使其周圍基體產生貧鉻區，繼而形成腐蝕原電池造成晶間腐蝕，含碳量越高，晶間腐蝕傾向性越大。

對于工程施工而言，在焊接件的熱影響區（550～800℃）會出現晶間腐蝕，這就需要用到去應力處理工藝，即消除鋼在焊接后的殘余應力的熱處理工藝（一般加熱到300～350℃回火）。

2.2 焊接接頭應力腐蝕開裂

應力腐蝕是指在靜拉伸應力與電化學介質共同作用下，因陽極溶解過程陰極氫脆引起的斷裂。拉應力的存在是應力腐蝕開裂的必要條件，由于奧氏體鋼導熱性差，線膨脹系數大，在約束焊接變形時就可殘留較大的焊接應力，而消除殘余應力是防止應力腐蝕的有效措施之一。

2.3 焊接接頭熱裂

奧氏體鋼焊接時在焊縫及近縫區均可能見到熱裂紋，但最常見的主要是焊縫凝固裂紋，有時也出現近縫區液化裂紋。Ni含量越高，產生裂紋的傾向越大，而且越不易控制。奧氏體鋼焊接接頭易于熱裂主要與以下幾個因素有關：焊縫金屬結晶期間存在較大拉應力，奧氏體鋼的熱導率小，線膨脹系數大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，接頭在冷卻過程中可形成較大的拉應力；奧氏體鋼易形成方向性強的柱狀晶焊縫組織，有利于S、P、Sn、Sb之類有害雜質的偏析，而促使形成晶間液態夾層，顯然易于促使產生焊縫凝固裂紋及增大焊縫熱裂傾向。

工程焊接施工過程中，為防止產生熱裂，在焊接工藝上一方面盡量選擇雜質較低的焊接材料，盡量減小熔池過熱，避免形成粗大柱狀晶，采用小線能量及小截面焊道是盡量減少焊接接頭熱裂的有效措施。

3 奧氏體不銹鋼焊接方法

奧氏體不銹鋼的焊接方法有很多，例如手工焊、氣體保護焊，埋弧焊、等離子焊等等。最常用的焊接方法是手工焊（MMA），其次是金屬極氣體保護焊（MIG/MAG）和鎢極惰性氣體保護焊（TIG）。本文以石油化工行業管道安裝施工中最常用的手工電弧焊及鎢極氬氣保護焊為例，簡單描述其焊接施工中的注意事項。

（1）手工焊條電弧焊，是焊接厚度在2 mm以上的奧氏體不銹鋼板最常用的焊接方法。因為焊條電弧焊熱量比較集中，熱影響區小，焊接變形小；能適應各種焊接位置與不同板厚工藝要求，所用設備簡單。施工過程中，為控制焊接線能量，防止晶間腐蝕，焊接速度必須控制，在保證焊透的前提下快速焊接。同時，為了減少焊接熔池熱量，提高焊縫金屬的耐腐蝕性能，焊接時不允許焊條橫向擺動，而采用窄焊道技術，以加快冷卻速度，焊縫寬度一般不超過焊條直徑的2倍，多層焊每層焊道厚度不超過3mm，以減少熱輸入并有利于氣體析出，層間溫度不高于150℃。

實際施焊過程中，為提高生產效率，采取加快焊接接頭冷卻速度的辦法，即每焊完一層焊縫后澆水，加快冷卻。如果條件允許，可以在焊縫背面邊澆水邊施焊，但必須注意到焊接熔池及其附近區域不允許有水。

（3）鎢極氬氣保護焊，是焊接奧氏體不銹鋼較為理想的焊接方法。因氬氣保護效果好，合金元素過度系數高，焊縫成分易于控制；由于熱源較集中，焊接時線能量很小，又有氬氣冷卻作用，其焊接熱影響區較窄，焊縫強度和塑韌性都優良，焊后不需要清渣，可以全位置焊接和機械化焊接。

實際施焊過程中，應在保證電弧不短路的情況下，盡量減少弧長，電弧電壓一般控制在9～20V范圍內。為了不破壞氣流對熔池的保護作業，焊接速度一般不宜過快，同時為了提高生產效率，盡可能使焊接接頭在450～850℃危險溫度停留時間相對減少，有利于提高不銹鋼焊接接頭耐腐蝕性能。

4 奧氏體不銹鋼焊接材料

焊接材料通常是指焊條、焊劑、焊絲、保護氣體等，本文簡單介紹一下最常用的奧氏體不銹鋼焊條及焊絲的選擇要求。

4.1 奧氏體不銹鋼焊接用焊條

不銹鋼焊條首先要具有良好的外觀質量，繼而通過焊芯或藥皮過渡各種合金元素，使焊縫金屬化學成分和組織形態滿足要求，除了要滿足焊接工藝性能和焊接接頭良好的力學性能外，還要確保焊接接頭具有一定的耐腐蝕性。

一般情況下，選擇不銹鋼焊條時熔敷金屬含碳量不高于母材的含碳量，建議采用低碳或超低碳的焊芯，使用低碳或無碳的鐵合金和金屬元素作為藥皮的原材料，降低奧氏體不銹鋼焊縫產生晶間腐蝕的傾向，同時嚴格控制不銹鋼焊芯和藥皮中的硫、磷含量，以減少產生焊縫熱裂紋的危險性。

例如：304不銹鋼（0Cr18Ni9）焊接選用焊條A102(E308-16)；304L不銹鋼（00Cr19Ni10）選用 A002(E308L-16)；316不銹鋼（0Cr17Ni12Mo2）選用A202(E316-16)；316L 不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2）選用 A022(E316L-16)；321不銹鋼 （0Cr18Ni10Ti）選用 A132(E347-16)。

4.2 奧氏體不銹鋼焊接用焊絲

不銹鋼焊絲種類有很多，按其適用的焊接工藝方法可分為埋弧焊用焊絲、氣體保護焊用焊絲、電渣焊用焊絲、堆焊用焊絲和氣焊用焊絲。不銹鋼焊絲選擇時，采用的焊絲成分要與被焊接的不銹鋼成分基本一致，尤其是含碳量不能高于母材含碳量，以盡量避免焊縫產生晶間腐蝕。

以常用氬弧焊絲選用為例：304不銹鋼（0Cr18Ni9）焊接選用氬弧焊絲H0Cr20Ni10(ER308)；304L不 銹 鋼 （00Cr19Ni10） 選 用 H00Cr20Ni10(ER308L)；316 不銹鋼（0Cr17Ni12Mo2）選用 H0Cr18Ni 12Mo2(ER316)；316L 不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2）選用H00Cr18Ni12Mo2(ER316L)；321 不銹鋼（0Cr18Ni10Ti）選用H0Cr20Ni10Nb(ER347)。

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