馬氏體不銹鋼焊接分析

摘要：馬氏體不銹鋼屬于鉻不銹鋼，雖焊接數量不多，但是容易出現接頭裂紋、脆化和熱影響區軟化等問題，所以必須采取嚴格的焊接工藝措施保證焊接質量。本文詳細地分析了馬氏體不銹鋼的特性和焊接性特點，并從焊材選擇、焊接方法和熱處理等方面闡述了可采取的焊接。

關鍵詞：裂紋，熱處理，馬氏體不銹鋼

中圖分類號：TG44文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 馬氏體不銹鋼的特征

馬氏體不銹鋼的含碳量在0.10%～1.2%之間，一般在鐵素體不銹鋼的基礎上，通過高溫加熱并快速冷卻，室溫下得到馬氏體組織。馬氏體不銹鋼屬于鉻不銹鋼，耐蝕性、塑性和焊接性不如奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼。

馬氏體不銹鋼可以分為普通Cr13型馬氏體不銹鋼和熱強馬氏體不銹鋼兩類。1Cr13、2Cr13、3Cr13等是Cr13型馬氏體不銹鋼常見型號，其中含碳量較低的1Cr13、2Cr13用來制作力學性能較高并需要耐蝕性的零件，比如汽輪機葉片、醫療器械等。含碳量較高的4Cr13、7Cr13等用來制造醫用手術器具、量具等耐磨工件。不過，馬氏體不銹鋼很少用于管道、容器等構件制造。

2 馬氏體不銹鋼的焊接特點

馬氏體不銹鋼屬于熱處理強化鋼，其在高溫加熱空冷后有淬硬（即冷裂）傾向。

2.1 焊接接頭的裂紋

由于鉻是促成鐵素體的元素，在馬氏體不銹鋼中含量在12%以上，為了提高淬透性，以便熱處理后形成馬氏體組織，鋼含有比較多的碳和鎳等元素。馬氏體不銹鋼導熱性差，焊接時殘余應力較大，加上氫的作用，焊接完冷卻時很容易產生冷裂紋。另外，馬氏體不銹鋼在AC3臨界溫度以上是奧氏體組織，焊后快速冷卻時，面心立方的奧氏體轉變成體心立方的馬氏體，容碳能力急劇惡化，導致體積發生變化，產生應力并伴隨塑性下降。這一現象造成焊后熱影響區也容易引起裂紋。

2.2 焊接接頭的脆化

馬氏體不銹鋼高溫狀態下晶粒容易粗大，焊后快速冷卻時，焊縫區組織形成粗大且脆硬的馬氏體；冷卻速度較慢時，則出現粗大的鐵素體和碳化物組織，都導致接頭脆化問題產生。

2.3 熱影響區軟化

馬氏體不銹鋼作為熱處理強化鋼，熱影響區內存在著軟化層。軟化層在高溫環境下強度低，嚴重影響其熱強性能。

3 馬氏體不銹鋼焊接工藝

馬氏體不銹鋼易發生淬硬傾向，所以要嚴格控制焊接冷裂紋的產生，還有要注意焊接接頭過熱后產生的脆化和軟化。根據馬氏體不銹鋼的焊接性分析，其焊接性差，要采用嚴格的焊接工藝措施，來保證獲得合格的焊接接頭。

3.1 焊材的選擇

馬氏體不銹鋼常用的焊接材料有兩類：一類是采用奧氏體的焊接材料；一類是采用和母材化學成分相近的焊接材料。選用奧氏體焊接材料將得到奧氏體金屬焊縫，其塑性良好，殘余應力低，可以減少冷裂紋的生成。

而選用與母材化學成分基本相同的焊接材料時，焊接接頭區域會硬而脆，有冷裂紋的傾向。所以，對于大厚件要預熱、緩冷和焊后熱處理，消除焊接殘余應力，防止冷裂紋產生。

如果產品需要較好的強度或者熱硬性，則宜采用于母材接近的焊接材料，獲得同質焊縫。奧氏體焊接材料的強度、硬度和線膨脹系數與馬氏體鋼差別較大，特別是再高溫環境下使用產生的熱應力會導致焊接接頭失效。反之，焊接結構不能進行預熱、焊后熱處理等工藝時，焊接必須采用奧氏體焊接材料，得到異質焊縫，能降低冷裂紋傾向。

3.2 焊接方法

馬氏體不銹鋼焊接主要方法是焊條電弧焊和氬弧焊兩種。焊條焊須使用低氫堿性焊條；對于拘束度大的接頭，最好采用氬弧焊。

3.3 預熱和焊后熱處理

前文所述，采用與母材化學成分基本相同的焊接材料，獲得同質焊縫，其焊縫區和熱影響區易產生裂紋，焊前預熱是防止產生冷裂紋的主要工藝措施。含碳量越大，淬硬性越大，預熱溫度就要越高。表1為馬氏體不銹鋼焊前預熱溫度、母材碳質量分數、熱輸入量及焊后熱處理的相互關系。

焊后熱處理的目的是降低焊縫和熱影響區的硬度，改善塑性和韌性，減少焊接殘余應力。其分回火和完全退火兩種。回火溫度一般選擇在650℃～750℃，保溫一小時，空冷。高鉻馬氏體不銹鋼一般在焊前進行淬火+回火的熱處理，焊后再高溫回火，使得焊接接頭具有良好的力學性能。如焊件焊完后進行機加工，可采用完全退火降低硬度。

參考文獻

[1] 趙忠：《金屬材料及熱處理》，機械工業出版社，2000.

[2] 張士相：《焊工》，中國勞動社會保障出版社，2002.

[3] 鄧洪軍：《金屬熔焊原理》，機械工業出版社，2011.