不銹鋼焊接工藝現(xiàn)狀及進(jìn)展研究

郭顥

[摘 要]隨著我國不銹鋼消費(fèi)量的快速增長， 不銹鋼的焊接技術(shù)越來越重要， 它直接影響著不銹鋼的使用質(zhì)量和應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。本論文主要從不銹鋼的類型及其特點(diǎn)和焊接性、不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)及存在問題兩方面進(jìn)行闡述不銹鋼焊接工藝現(xiàn)狀及進(jìn)展研究，希望能為研究不銹鋼焊接工藝現(xiàn)狀及進(jìn)展的學(xué)者提供理論參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]不銹鋼 焊接工藝 現(xiàn)狀及發(fā)展

中圖分類號：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0307-01

1.不銹鋼的類型及其特點(diǎn)和焊接性

1.1奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣的一種， 高鉻鎳鋼及高鉻錳氮鋼均屬此類，其中，鉻鎳奧氏體不銹鋼是最通用的鋼種。18-8鋼主要用于耐蝕環(huán)境下，25-20鋼主要用作熱穩(wěn)定鋼，提高含碳量則可用做熱強(qiáng)鋼。奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種，由于其在高溫、極低溫度（-196 ℃）下均具有優(yōu)良的塑韌性、冷熱加工性能和耐腐蝕性能，因此大量用于石油、化工、宇航及核工程等重要焊接結(jié)構(gòu)。目前的主要問題是接頭的刀狀腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂，以及含鎳較高的單相奧氏體鋼接頭熱裂問題， 有時(shí)也會有接頭熱強(qiáng)性和再熱裂紋問題。

1.2 鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼由于熱膨脹系數(shù)與碳鋼接近而比奧氏體小，并且S、P等雜質(zhì)元素在鐵素體中溶解度大，Si、Nb等又是鐵素體形成元素，因此，焊縫結(jié)晶時(shí)不易形成低熔點(diǎn)共晶，熱裂紋的傾向比奧氏體不銹鋼小得多，同時(shí)焊接熱影響區(qū)超過臨界溫度的區(qū)域形成的馬氏體量也少，比馬氏體不銹鋼的延遲裂紋的敏感性小。鐵素體不銹鋼在焊接中的主要問題是晶粒易于長大形成粗大鐵素體而脆化和475℃脆化問題。

1.3 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼的主要問題是接頭的冷裂和脆化。馬氏體型不銹鋼與鐵素體型不銹鋼相比，其鐵素體形成元素鉻的含量較少，含有較高的奧氏體形成元素碳。這類鋼中高溫下存在的奧氏體在通常不太慢的冷卻條件下會發(fā)生奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變，屬于淬硬組織的鋼種。在焊接時(shí)，由于焊接熱循環(huán)的作用，焊縫和熱影響區(qū)焊后狀態(tài)的組織為硬脆的馬氏體組織，易形成冷裂紋。并隨著碳含量的提高，形成冷裂紋的傾向會越來越大。另外，馬氏體鋼也有較大的晶粒粗化傾向。在冷卻速度小時(shí)，近縫區(qū)就會出現(xiàn)粗大的鐵素體和碳化物組織，因而塑性和韌性顯著下降；若冷卻速度大，由于產(chǎn)生粗大的馬氏體組織，塑性的韌性也要下降。

2.不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)及存在問題

2.1 奧氏體不銹鋼

由于奧氏體不銹鋼（ 主要是指鉻鎳奧氏體不銹鋼） 應(yīng)用最廣， 所以焊接技術(shù)也最為成熟， 研究也最為深入， 許多問題已得到了很好的解決。且由于奧氏體組織本身的性能特點(diǎn)， 只要選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に嚕瑠W氏體不銹鋼就易于得到合格的焊縫。

2.1.1 奧氏體不銹鋼焊接工藝要點(diǎn)

奧氏體不銹鋼可采用各種熔焊方法，其中使用最多的是焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊，以機(jī)械化快速焊為好。焊接奧氏體不銹鋼時(shí)必須考慮產(chǎn)生較大變形的傾向，因此焊接時(shí)應(yīng)遵循以卜原則：

（1）焊接接頭的坡口形式應(yīng)盡可能選擇U形、X形、雙U形等，以減少焊縫金屬的填充量，降低焊縫的收縮應(yīng)力，防止熱裂紋的產(chǎn)生。即使焊薄板的時(shí)候也要開坡口。

（2）盡可能地采用固定夾具，尤其是焊薄板時(shí)，避免角焊縫。

（3）先從中間開始焊而后向兩邊焊或采用分段退焊技術(shù)。

（4）由于焊絲的電阻率大、導(dǎo)熱系數(shù)小，所以熔化系數(shù)大，焊絲伸出長度要短一些。

（5）盡量采用短弧焊并不做擺動，以防止合金元素不必要的燒損。

（6）為了防止焊縫中產(chǎn)生氣孔，應(yīng)盡量限制氣體來源并改善氣體逸出條件。

2.1.2 奧氏體不銹鋼焊接工藝參數(shù)

奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小、電阻率大，焊接時(shí)母材和焊材都容易被加熱、熔化，故選擇焊接電流應(yīng)較小，短弧快速焊，采用窄焊道、窄焊縫，減少高溫停留時(shí)間。

一般情況卜，奧氏體不銹鋼焊接時(shí)不需要預(yù)熱，但對焊縫鐵素體很少或根木沒有鐵素體時(shí)，奧氏體焊縫可能會產(chǎn)生熱裂紋。這種情況卜，預(yù)熱是必要的。

為了防止和消除焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂，有必要進(jìn)行焊后熱處理。常規(guī)碳含量不銹鋼結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行固溶處理；含穩(wěn)定化元素的和超低碳的不銹鋼結(jié)構(gòu)需進(jìn)行穩(wěn)定化和消除應(yīng)力熱處理。

2.2 鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼焊接時(shí)，由于加熱時(shí)沒有相轉(zhuǎn)變發(fā)生，熱影響區(qū)的晶粒易于長大而形成粗大鐵素體，且不可能通過熱處理來改善，因而會造成明顯的脆化的后果。無論采用何種焊接方法，都應(yīng)采用小的熱輸入、少層次的焊接，層間溫度控制在200℃以卜，以減少焊縫和HAZ晶粒過分長大和碳化物和氮化物析出，引起接頭脆化和晶間腐蝕傾向。

鐵素體鋼焊接工藝要點(diǎn)可總結(jié)如下：

（1）如果要求焊縫和母材的性能相同，特別是要求焊縫顏色、拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和母材一致時(shí)，則要用含v（Cr）12%的填充材料進(jìn)行焊接。

（2）當(dāng)構(gòu)件承受交變載荷時(shí)，焊縫的拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度更重要。

（3）當(dāng)焊后不能進(jìn)行熱處理時(shí)，最好采用奧氏體填充材料。焊條或焊劑在焊前應(yīng)烘干。嚴(yán)格控制焊接熱輸入。多層多道焊時(shí)，層間溫度應(yīng)根據(jù)板厚確定上限。

2.3 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼在焊接過程中焊接性較差。因?yàn)樵诤附永鋮s過程中出現(xiàn)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，由于體積發(fā)生變化，促使硬度增加和塑性降低，致使有強(qiáng)烈的淬硬傾向。母材含碳量越高，淬硬傾向就越大。在焊縫擴(kuò)散氫和焊接應(yīng)力作用下，焊接殘余應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋，因此，根據(jù)焊件厚度和剛性大小，焊接時(shí)應(yīng)采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷等工藝措施。馬氏體鋼一般是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊接工藝要點(diǎn)可總結(jié)如下：

（1）控制焊縫金屬的化學(xué)成分。焊縫金屬的化學(xué)成分主要取決于焊接材料，最好是用與母材金屬成分相同或相接近的焊接材料。但焊縫與熱影響區(qū)將會硬化變脆，有很高的冷裂紋傾向，需限制S、P、Si的含量，并添加少量Ti，、A、1，、N以細(xì)化晶粒和降低淬硬性。使用與母材金屬化學(xué)成分不相同的奧氏體不銹鋼焊接材料時(shí)，可防止冷裂，但強(qiáng)度不與母材匹配，且由于焊縫與母材在物理、化學(xué)、冶金的性能上都存在很大差異，所以可能反而容易出現(xiàn)破壞事故。

（2）焊前預(yù)熱和焊后熱處理。對于用同質(zhì)焊接材料焊接馬氏體不銹鋼時(shí)，預(yù)熱是防止冷裂紋的重要措施。預(yù)熱溫度與鋼淬硬傾向有關(guān)，淬硬傾向越大，預(yù)熱溫度也應(yīng)選擇越高。焊后熱處理可降低焊縫金屬與熱影響區(qū)的硬度，改善焊接接頭的韌性，降低焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。采用奧氏體焊接材料時(shí)焊接構(gòu)件可不進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。

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