奧氏體不銹鋼堆焊金屬開裂，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裂及堆焊層相接的基體上金屬開裂。

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完全熔化結合或者熔化結合部分剝離的現象。

奧氏體不銹鋼堆焊金屬開裂及剝離是鐵基合金堆焊常見的最主要的缺陷，也是危害性較大的缺陷。堆焊金屬開裂及剝離按產生的時間可分為堆焊時產生的開裂及剝離和在用過程中產生的開裂及剝離。兩個時間段產生堆焊金屬開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產生開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成分，物理化學性能，金相組織，力學性能等方面存在較大差距。在焊接熱循環作用下，堆焊金屬而產生開裂和剝離缺陷，影響堆焊金屬開裂及剝離的主要原因由以下幾點：

（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成分物理化學性能，金相組織，力學性能是影響堆焊金屬開裂及剝離的主要原因之一。

堆焊材料化學成分的影響：

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（第一層）因材堆堆焊金屬有稀釋作用，會使堆焊金屬中奧氏體和鐵素體形成元素不足，結果堆焊金屬為奧氏體+馬氏體組織，同時在焊接熱循環作用下，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，堆焊金屬增碳后進一步促進馬氏體形成。由于馬氏體存在使堆焊層金屬塑性韌性嚴重下降，抗開裂性能張差，而產生開裂。堆焊材料含有合金元素對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生高鉻鐵素體或奧氏體鐵素體復相鋼鐵素體，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，堆焊金屬中擴散氫含量增大，變堆焊金屬塑性和韌性降低。

（2）堆焊工藝的影響：

設備或另件待堆焊表面有缺陷（裂紋，機械損傷等），在堆焊過程中而產生裂紋和就裂紋擴展。待堆焊面有油污，水分鐵銹等污物，堆焊時使堆焊金屬含氫量增高，而造成氫至開裂。

第一層堆焊選用焊接材料的合金元素含量過低，堆焊時由于基體的合金元素含量低，對堆焊金屬成分有稀釋作用。因此，會使堆焊金屬中奧氏體和鐵素體形成元素含量不足，結果堆焊金屬可能出現大量的馬氏體組織，導致堆焊金屬韌性下降，并增大產生開裂傾向。

堆焊過度層的線能量過大，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，會造成股層產生微開裂。堆焊復層的線能量過大或層間溫度過高，而造成堆焊金屬中相析法，不僅韌性降低而產生開裂，而且耐性也降低。堆焊性能量過大，導致焊接殘余應力增大，在外力影響下，產生開裂。

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

⑤堆焊過程中清潔不徹底，堆焊金屬中產生夾雜，而產生開裂。

（3）焊接熱處理的影響：

熱處理因素是指溫度，保溫時間和溫度變化速度三個基本要求。熱處理工藝對其耐晶間腐蝕，應力腐蝕性能和塑性，韌性有重大影響。

當奧氏體不銹鋼足夠長時間的處于425℃至900℃之間的溫度時，碳化鉻便會在奧氏體晶粒的邊界上優先沉淀析出，這種沉淀析出被稱之為中溫敏化。經過中溫敏化的堆焊層金屬暴露在腐蝕介質中，變會發生晶間腐蝕而產生裂紋。

從GB/T30583-2014《承壓設備焊后熱處理規程》表1《焊后熱處理規范參數》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℃的中溫敏化區和565-925℃的形成溫度區間內，若按碳鋼，低合金鋼熱處理規范進行熱處理，極而使堆焊金屬中形成晶間腐蝕和相析出，造成堆焊金屬開裂及剝離。

三、奧氏體不銹鋼堆焊金屬在使用過程中產生開裂和剝離的原因分析：

（1）力學因素：

堆焊金屬開裂始發于堆焊層金屬表面堆焊金屬剝離始發于基體金屬與堆焊金屬結合面。堆焊金屬的表面接觸腐蝕介質，所承的拉應力又最大，當拉應力大于某一值時，便產生開裂和剝離。拉應力一般包括承受載荷應力，殘余應力和溫差應力三部分。

承受載荷應力是指容器在正常工作情況下，堆焊金屬所受到最大拉應力。其中包括正常工作情況下內壓力；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面內應力，其中基體金屬冷加造成殘余應力，焊接殘余應力，結構不合理產生應力集中等。

容器在工作過程中，開車停車升溫或降溫速度過大，或相鄰區域溫差過大，造成的溫差應力。

④殘留在堆焊金屬內氫氣產生壓力，

以上四中應力的合力是堆焊金屬在工作狀況下或堆焊后儲存于堆焊金屬內或金屬于基體金屬結合面的應力。一般內應力大于堆焊層金屬或者大于堆焊金屬于基體金屬結面材料抗拉溫度時，而產生堆焊層與后表面開裂及堆焊金屬與基體金屬結合面于金屬出現開裂及剝離。

（2）介質因素：

堆焊金屬工作環境內介質特征離子，特征離子濃度及其范圍對堆焊金屬表面腐蝕開裂起主要作用。

A：特征離子是對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生腐蝕是有條件的，不是只要接觸特征離變產生腐蝕。產生腐蝕條件，其中特征離子濃度達到或超過某一限值或者處在某一限值范圍內時，堆焊金屬方能產生腐蝕開裂。

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裂。

引起奧氏體不銹堆焊與開裂的雜質有時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絕熱材料以聚氯乙烯之類塑料中可析出氯化物；經常暴露在空氣中的液體可以從空氣中吸收氯、硫的離子，使環境介質中特征離子濃度到達或者超過其限制或者處在限值范圍內，從而致使堆焊金屬產生腐蝕開裂。

在實際使用條件下，誘發腐蝕開裂的介質的特征離子并未達到有害程度，但由于某些因素引起這些物質特征離子濃縮，結果使堆焊金屬腐蝕開裂傾向增大。

（3）溫度因素：

溫度的提高一般都會加速水溶解介質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，臨氫介質下工作，當溫度快速下降，溶解氫來不及逸出，而殘在金屬內部而造成氫脆，而使產生開裂傾向增大。逸出氫氣在缺陷處聚集形成高壓氣包，而產生堆焊層剝離。

（作者單位：菏澤市產品檢驗檢測研究院 ）