奧氏體不銹鋼堆焊金屬開(kāi)裂，剝離（包括鼓包）成因分析

李曉東

一、概述：奧氏體不銹鋼堆焊金屬開(kāi)裂是指在以碳鋼，低合金鋼為基體表面上用堆焊的方法制成奧氏體金屬層開(kāi)裂及堆焊層相接的基體上金屬開(kāi)裂。

奧氏體不銹鋼堆焊金屬剝離是指在以碳鋼，低合金鋼為基體表面上堆焊金屬與基體沒(méi)完全熔化結(jié)合或者熔化結(jié)合部分剝離的現(xiàn)象。

奧氏體不銹鋼堆焊金屬開(kāi)裂及剝離是鐵基合金堆焊常見(jiàn)的最主要的缺陷，也是危害性較大的缺陷。堆焊金屬開(kāi)裂及剝離按產(chǎn)生的時(shí)間可分為堆焊時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)裂及剝離和在用過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)裂及剝離。兩個(gè)時(shí)間段產(chǎn)生堆焊金屬開(kāi)裂及剝離既有共同原因，但又有不同且特殊的原因。

二、奧氏體不銹鋼堆焊金屬焊接時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂及剝離的原因分析：

奧氏體不銹鋼堆焊材料與碳鋼，低合金鋼為基體的材料在化學(xué)成分，物理化學(xué)性能，金相組織，力學(xué)性能等方面存在較大差距。在焊接熱循環(huán)作用下，堆焊金屬而產(chǎn)生開(kāi)裂和剝離缺陷，影響堆焊金屬開(kāi)裂及剝離的主要原因由以下幾點(diǎn)：

（1）堆焊材料的影響：

堆焊的焊縫金屬都是由堆焊材料的融合金屬和融入的基體金屬融合而成的，因此堆焊材料和集體材料的化學(xué)成分物理化學(xué)性能，金相組織，力學(xué)性能是影響堆焊金屬開(kāi)裂及剝離的主要原因之一。

堆焊材料化學(xué)成分的影響：

堆焊材料含碳量低于0.06%，含鉻≥18%，含鎳≥8%，碳鋼，低合金鋼含碳量在0.10%-0.20%，鉻≤2.5%，不含鎳。由于材料的合金元素含量較低，堆焊時(shí)（第一層）因材堆堆焊金屬有稀釋作用，會(huì)使堆焊金屬中奧氏體和鐵素體形成元素不足，結(jié)果堆焊金屬為奧氏體+馬氏體組織，同時(shí)在焊接熱循環(huán)作用下，基體材料中碳元素遷移至堆焊金屬，至使基體材料脫磷而堆焊金屬增碳，堆焊金屬增碳后進(jìn)一步促進(jìn)馬氏體形成。由于馬氏體存在使堆焊層金屬塑性韌性嚴(yán)重下降，抗開(kāi)裂性能張差，而產(chǎn)生開(kāi)裂。堆焊材料含有合金元素對(duì)堆焊金屬鐵素體含量有較大的影響。鐵素體含量增加使堆焊金屬產(chǎn)生高鉻鐵素體或奧氏體鐵素體復(fù)相鋼鐵素體，使操作且形成傾向明顯加大，堆焊金屬變脆。

堆焊材料含有較高水量時(shí)，堆焊金屬中擴(kuò)散氫含量增大，變堆焊金屬塑性和韌性降低。

（2）堆焊工藝的影響：

設(shè)備或另件待堆焊表面有缺陷（裂紋，機(jī)械損傷等），在堆焊過(guò)程中而產(chǎn)生裂紋和就裂紋擴(kuò)展。待堆焊面有油污，水分鐵銹等污物，堆焊時(shí)使堆焊金屬含氫量增高，而造成氫至開(kāi)裂。

第一層堆焊選用焊接材料的合金元素含量過(guò)低，堆焊時(shí)由于基體的合金元素含量低，對(duì)堆焊金屬成分有稀釋作用。因此，會(huì)使堆焊金屬中奧氏體和鐵素體形成元素含量不足，結(jié)果堆焊金屬可能出現(xiàn)大量的馬氏體組織，導(dǎo)致堆焊金屬韌性下降，并增大產(chǎn)生開(kāi)裂傾向。

堆焊過(guò)度層的線能量過(guò)大，基體材料稀釋作用大使熔合比較大，馬氏體脆硬組織厚度增厚，會(huì)造成股層產(chǎn)生微開(kāi)裂。堆焊復(fù)層的線能量過(guò)大或?qū)娱g溫度過(guò)高，而造成堆焊金屬中相析法，不僅韌性降低而產(chǎn)生開(kāi)裂，而且耐性也降低。堆焊性能量過(guò)大，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力增大，在外力影響下，產(chǎn)生開(kāi)裂。

④堆焊時(shí)操作不當(dāng)，造成堆焊金屬與基體金屬之間未熔合，堆焊層之間未熔合，搭接不當(dāng)造成剝離。

⑤堆焊過(guò)程中清潔不徹底，堆焊金屬中產(chǎn)生夾雜，而產(chǎn)生開(kāi)裂。

（3）焊接熱處理的影響：

熱處理因素是指溫度，保溫時(shí)間和溫度變化速度三個(gè)基本要求。熱處理工藝對(duì)其耐晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕性能和塑性，韌性有重大影響。

當(dāng)奧氏體不銹鋼足夠長(zhǎng)時(shí)間的處于425℃至900℃之間的溫度時(shí)，碳化鉻便會(huì)在奧氏體晶粒的邊界上優(yōu)先沉淀析出，這種沉淀析出被稱(chēng)之為中溫敏化。經(jīng)過(guò)中溫敏化的堆焊層金屬暴露在腐蝕介質(zhì)中，變會(huì)發(fā)生晶間腐蝕而產(chǎn)生裂紋。

從GB/T30583-2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》表1《焊后熱處理規(guī)范參數(shù)》中分析得知，碳鋼，低合金鋼焊后熱處理溫度通常在600-730℃之間正好處于420-900℃的中溫敏化區(qū)和565-925℃的形成溫度區(qū)間內(nèi)，若按碳鋼，低合金鋼熱處理規(guī)范進(jìn)行熱處理，極而使堆焊金屬中形成晶間腐蝕和相析出，造成堆焊金屬開(kāi)裂及剝離。

三、奧氏體不銹鋼堆焊金屬在使用過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)裂和剝離的原因分析：

（1）力學(xué)因素：

堆焊金屬開(kāi)裂始發(fā)于堆焊層金屬表面堆焊金屬剝離始發(fā)于基體金屬與堆焊金屬結(jié)合面。堆焊金屬的表面接觸腐蝕介質(zhì)，所承的拉應(yīng)力又最大，當(dāng)拉應(yīng)力大于某一值時(shí)，便產(chǎn)生開(kāi)裂和剝離。拉應(yīng)力一般包括承受載荷應(yīng)力，殘余應(yīng)力和溫差應(yīng)力三部分。

承受載荷應(yīng)力是指容器在正常工作情況下，堆焊金屬所受到最大拉應(yīng)力。其中包括正常工作情況下內(nèi)壓力；液注靜壓力；隔熱材料，襯里及附件靜重力；壓力急劇波動(dòng)引起沖擊載荷；流體沖擊引起的反力；溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用。

殘余應(yīng)力是指容器制作完工后，殘留在堆焊金屬及堆焊金屬的基體結(jié)面內(nèi)應(yīng)力，其中基體金屬冷加造成殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)不合理產(chǎn)生應(yīng)力集中等。

容器在工作過(guò)程中，開(kāi)車(chē)停車(chē)升溫或降溫速度過(guò)大，或相鄰區(qū)域溫差過(guò)大，造成的溫差應(yīng)力。

④殘留在堆焊金屬內(nèi)氫氣產(chǎn)生壓力，

以上四中應(yīng)力的合力是堆焊金屬在工作狀況下或堆焊后儲(chǔ)存于堆焊金屬內(nèi)或金屬于基體金屬結(jié)合面的應(yīng)力。一般內(nèi)應(yīng)力大于堆焊層金屬或者大于堆焊金屬于基體金屬結(jié)面材料抗拉溫度時(shí)，而產(chǎn)生堆焊層與后表面開(kāi)裂及堆焊金屬與基體金屬結(jié)合面于金屬出現(xiàn)開(kāi)裂及剝離。

（2）介質(zhì)因素：

堆焊金屬工作環(huán)境內(nèi)介質(zhì)特征離子，特征離子濃度及其范圍對(duì)堆焊金屬表面腐蝕開(kāi)裂起主要作用。

A：特征離子是對(duì)奧體不銹鋼有腐蝕作用的離子。

B：特征離子與堆焊金屬接觸產(chǎn)生腐蝕是有條件的，不是只要接觸特征離變產(chǎn)生腐蝕。產(chǎn)生腐蝕條件，其中特征離子濃度達(dá)到或超過(guò)某一限值或者處在某一限值范圍內(nèi)時(shí)，堆焊金屬方能產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂。

C：特征離子濃度限值越小或者特征離濃度限值范圍越寬，則堆焊金屬越容易腐蝕開(kāi)裂。

引起奧氏體不銹堆焊與開(kāi)裂的雜質(zhì)有時(shí)從與堆焊金屬接觸的非金屬材料中析出的，或者從空氣中吸收的。例如在壓力和高溫的填料中析出硫化物和氯化物；在濕氣的作用下水泥中的所含的氯化鈣中析出氯化物；在高溫或紫外線照射時(shí)絕熱材料以聚氯乙烯之類(lèi)塑料中可析出氯化物；經(jīng)常暴露在空氣中的液體可以從空氣中吸收氯、硫的離子，使環(huán)境介質(zhì)中特征離子濃度到達(dá)或者超過(guò)其限制或者處在限值范圍內(nèi)，從而致使堆焊金屬產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂。

在實(shí)際使用條件下，誘發(fā)腐蝕開(kāi)裂的介質(zhì)的特征離子并未達(dá)到有害程度，但由于某些因素引起這些物質(zhì)特征離子濃縮，結(jié)果使堆焊金屬腐蝕開(kāi)裂傾向增大。

（3）溫度因素：

溫度的提高一般都會(huì)加速水溶解介質(zhì)中的成分選擇性腐蝕。

溫度升高金屬氫的溶解量增加，溫度降低，溶解度降低。若在高溫，臨氫介質(zhì)下工作，當(dāng)溫度快速下降，溶解氫來(lái)不及逸出，而殘?jiān)诮饘賰?nèi)部而造成氫脆，而使產(chǎn)生開(kāi)裂傾向增大。逸出氫氣在缺陷處聚集形成高壓氣包，而產(chǎn)生堆焊層剝離。

（作者單位：菏澤市產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 ）