奧氏體不銹鋼焊接特點及焊條選用

奧氏體不銹鋼焊接特點及焊條選用摘要：奧氏體不銹鋼是石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料之一，本文簡要地闡述了不銹鋼焊接過程中容易出現(xiàn)的一些問題，針對這些問題提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，并根據(jù)這些措施提出了焊條的選用原則。關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼焊接特點防止措施焊條選用不銹鋼是指主加元素Cr高于12%、能使鋼處于鈍化狀態(tài)、又具有不銹特性的鋼。不銹鋼根據(jù)其顯微組織分為鐵素體型、馬氏體型、奧氏體型、奧氏體+鐵素體型和沉淀硬化型不銹鋼。奧氏體不銹鋼通常在常溫下的組織為純奧氏體，也有一些為奧氏體+少量鐵素體。一、奧氏體不銹鋼的焊接特點奧氏體不銹鋼是石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料之一，其焊接性能良好，但在焊接過程中也容易產(chǎn)生不少問題，主要表現(xiàn)為以下幾種：1、晶間腐蝕奧氏體不銹鋼焊接件容易在焊接接頭處發(fā)生晶間腐蝕，根據(jù)貧鉻理論其原因是焊接時焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450?850°C溫度范圍停留一定時間的接頭部位，在晶界處析出高鉻碳化物(Cr23C6)，引起晶粒表層含鉻量降低，形成貧鉻區(qū)，在腐蝕介質(zhì)的作用下，晶粒表層的貧鉻區(qū)受到腐蝕而形成晶間腐蝕。這時被腐蝕的焊接接頭表面無明顯變化，受力時則會沿晶界斷裂，幾乎完全失去強(qiáng)度。為防止和減少焊接接頭處的晶間腐蝕，一般采取的防止措施有：采用低碳或超低碳的焊材如A002等，或采用含鈦、鈮等穩(wěn)定化元素的焊條如A137、A132由焊絲或焊條向焊縫熔入一定量的鐵素體形成元素，使焊縫金屬成為奧氏體+鐵素體的雙相組織(鐵素體一般控制4-12%)；減少焊接熔池過熱，選用較小的焊接電流和較快的焊接速度，加快冷卻速度；對耐晶間腐蝕性能要求很高的焊件進(jìn)行焊后穩(wěn)定化退火處理。2、 焊接熱裂紋熱裂紋產(chǎn)生的主要原因是焊縫中的樹枝晶方向性強(qiáng)，有利于S、P等元素的低熔點共晶產(chǎn)物的形成和聚集。另外，此類鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小(約為低碳鋼的1/3)，線脹系數(shù)大(比低碳鋼大50%)，所以焊接應(yīng)力也大，加劇了熱裂紋的產(chǎn)生。其防止的辦法是：選用含碳量低的焊接材料，采用含適量Mo、Si等鐵素體形成元素的焊接材料，使焊縫形成奧氏體加鐵素體的雙相組織，減少偏析；盡量選用堿性藥皮的優(yōu)質(zhì)焊條，以限制焊縫金屬中S、P、C等的含量。3、 應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭在特定腐蝕環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時所產(chǎn)生的延遲開裂現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴(yán)重的失效形式表現(xiàn)為無塑性變形的脆性破壞。應(yīng)力腐蝕開裂防止措施：1） 采取合適的焊接工藝，保證焊縫成形良好,不產(chǎn)生任何應(yīng)力集中或點蝕的缺陷，如咬邊等;采取合理的焊接順序，降低焊接殘余應(yīng)力水平；2） 合理選擇焊材，焊縫與母材應(yīng)有良好的匹配，不產(chǎn)生任何不良組織，如晶粒粗化及硬脆馬氏體等；3） 消除應(yīng)力處理:焊后熱處理，如焊后完全退火或退火;在難以實施熱處理時采用焊后錘擊或噴丸等。4、 焊縫金屬的低溫脆化。對于奧氏體不銹鋼焊接接頭，在低溫使用時，焊縫金屬的塑韌性是關(guān)鍵問題。此時，焊縫組織中的鐵素體的存在總是惡化低溫韌性。一般可以通過選用純奧氏體焊材和調(diào)整焊接工藝獲得單一的奧氏體焊縫的方法來防止焊縫金屬的低溫催化。5、 焊接接頭的O相脆化。焊件在經(jīng)受一定時間的高溫加熱后會在焊縫中析出一種脆性的O相，導(dǎo)致整個接頭脆化，塑性和韌性顯著下降。O相的析出溫度范圍650-85O°C。在高溫加熱過程中,。相主要由鐵素體轉(zhuǎn)變而成。加熱時間越長,。相析出越多。防止措施1）限制焊縫金屬中的鐵素體含量（小于15%），采用超合金化焊接材料,即高鎳焊材；（2）采用小規(guī)范，以減小焊縫金屬在高溫下的停留時間；（3）對已析出的O相在條件允許時進(jìn)行固溶處理，使O相溶入奧氏體。二、奧氏體不銹鋼的焊條選用原則不銹鋼主要用于耐腐蝕，但也用作耐熱鋼和低溫鋼。因此，在焊接不銹鋼時，焊條的性能首先必須與不銹鋼的用途相符，其次不銹鋼焊條還必須根據(jù)母材和工作條件（包括工作溫度和接觸介質(zhì)等）來選用。結(jié)合不銹鋼焊接過程中容易出現(xiàn)的問題以及防止措施，焊條的選用原則一般有如下幾種：1、 一般來說，焊條的選用可參照母材的材質(zhì),選用與母材成分相同或相近的焊條。如:A102對應(yīng)0Cr19Ni9，A137對應(yīng)1Cr18Ni9Ti等。2、 奧氏體不銹鋼的焊縫金屬應(yīng)保證力學(xué)性能。這可以通過焊接工藝評定進(jìn)行驗證。3、 由于碳含量對不銹鋼的抗腐蝕性能有很大的影響，因此，一般選用熔敷金屬含碳量不高于母材的不銹鋼焊條。如316L必須選用A022焊條。4、 對于在高溫工作的耐熱不銹鋼（奧氏體耐熱鋼），所選用的焊條主要應(yīng)能滿足焊縫金屬的抗熱裂性能和焊接接頭的高溫性能。（1） 對Cr/NiA1的奧氏體耐熱鋼，如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用奧氏體-鐵素體不銹鋼焊條,以焊縫金屬中含2-5%鐵素體為宜。鐵素體含量過低時，焊縫金屬抗裂性差;若過高，則在高溫長期使用或熱處理時易形成O脆化相，造成裂紋。如A002、A102、A137。在某些特殊的場合，可能要求采用全奧氏體的焊縫金屬時，可采用比如A402、A407焊條等。（2） 對Cr/Ni<1的穩(wěn)定型奧氏體耐熱鋼，如Cr16Ni25Mo6等，一般應(yīng)在保證焊縫金屬具有與母材化學(xué)成分大致相近的同時，增加焊縫金屬中Mo、W、Mn等元素的含量，使得在保證焊縫金屬熱強(qiáng)性的同時，提高焊縫的抗裂性。如采用A502、A507。5、 對于在各種腐蝕介質(zhì)中工作的耐蝕不銹鋼，則應(yīng)按介質(zhì)和工作溫度來選擇焊條，并保證其耐腐蝕性能（做焊接接頭的腐蝕性能試驗）。（1） 對于工作溫度在300C以上、有較強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)，須采用含有Ti或Nb穩(wěn)定化元素或超低碳不銹鋼焊條。如A137或A002等。（2） 對于含有稀硫酸或鹽酸的介質(zhì)，常選用含Mo或含Mo和Cu的不銹鋼焊條如:A032、A052等。（3）對工作介質(zhì)腐蝕性弱或僅為避免銹蝕污染的不銹鋼設(shè)備，可采用不含Ti或Nb的不銹鋼焊條。為保證焊縫金屬的耐應(yīng)力腐蝕能力，采用超合金化的焊材，即焊縫金屬中的耐蝕合金元素（Cr、Mo、Ni等）含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2類型的焊接材料（如A022）焊接00Cr19Ni10焊件。6、 對于在低溫條件下工作的奧氏體不銹鋼，應(yīng)保證焊接接頭在使用溫度的低溫沖擊韌性，故采用純奧氏體焊條。如A402、A407。7、 也可選用鎳基合金焊條。如采用Mo達(dá)9%的鎳基焊材焊接Mo6型超級奧氏體不銹鋼。8、 焊條藥皮類型的選擇：（1） 由于雙相奧氏體鋼焊縫金屬本身含有一定量的鐵素體，具有良好的塑性和韌性，從焊縫金屬抗裂性角度進(jìn)行比較，堿性藥皮與鈦鈣型藥皮焊條的差別不像碳鋼焊條那樣顯著。因此在實際應(yīng)用中，從焊接工藝性能方面著眼較多，大都采用藥皮類型代號為17或16的焊條（如A102A、A102、A132等）。（2） 只有在結(jié)構(gòu)剛性很大或焊縫金屬抗裂性較差（如某些馬氏體鉻不銹鋼、純奧氏體組織的鉻鎳不銹鋼等）時，才考慮選用藥皮代號為15的堿性藥皮不銹鋼焊條（如A107、A407等）。綜上所述，奧氏體不銹鋼的焊接是有其獨(dú)特特點的，奧氏體不銹鋼焊接時焊條的選用尤其值得注意,只有根據(jù)不同材料和工作條件選用不同的焊接方法和不同的焊接材料才能達(dá)到所預(yù)期的焊接質(zhì)量。不銹鋼的四種類型根據(jù)結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)，共有四種基本類型的不銹鋼（如下）：奧氏體奧氏體不銹鋼含有大量的鉻，并還有充分的錳或鎳用以穩(wěn)定奧氏體微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)使得奧氏體不銹鋼具有良好的延展性和可塑性（同時也使這種不銹鋼不具磁性）。一種典型的奧氏體不銹鋼含18%的鉻和8%的鎳，也就是美標(biāo)AISI所指的304鋼。奧氏體不銹鋼具有高度的耐用性和耐腐蝕性，同時具有很好的可延展性、較低的屈服應(yīng)力、相對高的抗張強(qiáng)度和良好的可焊接性。這種類型的不銹鋼有著非常廣的應(yīng)用范圍。鐵素體鐵素體不銹鋼具有類似低碳鋼的性能，但有更好的耐腐蝕性能。最常見的鐵素體是含12%和17%鉻的鋼種，前者主要應(yīng)用在汽車排氣系統(tǒng)上，后者主要應(yīng)用在炊具、清洗機(jī)械和室內(nèi)建筑方面。由于有磁性，這些鋼種很容易和奧氏體區(qū)分開來。奧氏體-鐵素體（雙向不銹鋼）雙向不銹鋼含有一定量的鎳，晶體結(jié)構(gòu)中差不多50%為鐵素體，50%為奧氏體。這種類型的不銹鋼非常的強(qiáng)硬，且可延展。主要用于加工工業(yè)和海水應(yīng)用領(lǐng)域。與純奧氏體不銹鋼比較，這類鋼的優(yōu)點很多，如屈服強(qiáng)度較高，抗晶間腐蝕的能力較高，應(yīng)力腐蝕的敏感性低，焊接時產(chǎn)生熱裂