不銹鋼、耐熱鋼焊接

不銹鋼、耐熱鋼的焊接不銹鋼及耐熱鋼的類型按用途分：不銹鋼：包括高鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳氮鋼。用以有侵蝕性的化學(xué)介質(zhì)，對(duì)強(qiáng)度要求不高。熱穩(wěn)定鋼：用于高溫下要求抗氧化或耐氣體介質(zhì)腐蝕的一類鋼，也稱為抗氧化不起皮鋼。鉻鎳鋼、高鉻鋼。熱強(qiáng)鋼：高溫下抗氧化或耐腐蝕，具有一定的高溫強(qiáng)度。高鉻鎳鋼，馬氏體鋼。按組織分：奧氏體鋼：應(yīng)用最廣，高鉻鎳鋼、高鉻錳鋼均屬此類鋼。Cr18Ni8(18-8)用于耐腐蝕；Cr25Ni20(25-20)用做熱穩(wěn)定鋼，提高C含量用做熱強(qiáng)鋼。雙相鋼：奧氏體、鐵素體雙相鋼，Cr21Ni5Ti，具有優(yōu)異的耐蝕性。鐵素體鋼：Cr17～28％的高鉻鋼，主要用做熱穩(wěn)定鋼，也可做耐蝕鋼。馬氏體鋼：Cr13以及Cr12多元合金化的鋼沉淀硬化型不銹鋼：將18-8鋼的Ni量適當(dāng)降低并調(diào)節(jié)成分可獲得一種經(jīng)沉淀強(qiáng)化處理的不銹鋼，具有好的耐蝕性，且強(qiáng)度很高。00Cr17Ni17Al不銹鋼的耐腐蝕性不銹鋼的耐蝕性：是基于其主要元素Cr在鋼表面形成致密的氧化膜對(duì)鋼的鈍化作用。腐蝕：金屬受介質(zhì)的化學(xué)及電化學(xué)作用而被破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。①均勻腐蝕：金屬整個(gè)表面產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象，又稱整體腐蝕，是一種表面腐蝕。不銹鋼的均勻腐蝕量不大。②晶間腐蝕：奧氏體鋼在450～850℃加熱時(shí)，會(huì)由于沿晶界沉淀出Cr的碳化物致使晶粒周邊形成貧Cr區(qū)，在腐蝕介質(zhì)作用下沿晶粒邊界深入金屬內(nèi)部，產(chǎn)生在晶粒之間的一種腐蝕稱為晶間腐蝕。含C量越高，晶間腐蝕越大。③點(diǎn)狀腐蝕：腐蝕集中于金屬表面的局部范圍，并迅速向內(nèi)部發(fā)展，最后穿透。表面缺陷是引起點(diǎn)狀腐蝕的重要原因之一。④應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂：金屬在腐蝕介質(zhì)和表面拉應(yīng)力聯(lián)合作用下產(chǎn)生的脆性開(kāi)裂現(xiàn)象。奧氏體鋼焊接接頭最易出現(xiàn)這一問(wèn)題。⑤接觸腐蝕、縫隙腐蝕、選擇性腐蝕和腐蝕疲勞開(kāi)裂等耐熱鋼的高溫性能抗氧化性：耐熱鋼中含有Cr、AlorSi，可形成致密的氧化膜，因而均可具有很好的抗氧化性能。熱強(qiáng)性：高溫下長(zhǎng)時(shí)工作時(shí)對(duì)斷裂的抗力(即持久強(qiáng)度)，或在高溫下長(zhǎng)期工作時(shí)抗塑性變形的能力(即蠕變抗力)。提高熱強(qiáng)性措施：①利用Mo、W固溶強(qiáng)化，提高原子間結(jié)合力；②形成穩(wěn)定的第二相，主要是碳化物相。適當(dāng)提高含C量并同時(shí)加入碳化物形成元素Nb、V可有效提高熱強(qiáng)性。③減少晶界和強(qiáng)化晶界，可控制晶粒度并加入微量硼、稀土等。高溫脆化：耐熱鋼在熱加工或長(zhǎng)期高溫工作中，可能產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。除了Cr13在550℃附近的回火脆性、高鉻鐵素體鋼的晶粒長(zhǎng)大脆化以及奧氏體鋼沿晶析出碳化物脆化，還有475℃脆性和相脆化，奧氏體不銹鋼的焊接奧氏體不銹鋼晶間腐蝕問(wèn)題(一)晶間腐蝕的形成條件及機(jī)理晶間腐蝕和鋼的成分(碳和碳化物形成元素)有關(guān)，還與加熱條件有關(guān)。①碳顯著增大晶間腐蝕敏感性，鋼中含有強(qiáng)碳化物形成元素Ti、Nb時(shí)，碳的有害作用會(huì)降低?！柏氥t理論”：碳與Cr形成碳化物導(dǎo)致近晶界的晶粒表面嚴(yán)重缺Cr，產(chǎn)生明顯腐蝕，即晶間腐蝕。Ti、Nb可優(yōu)先與碳結(jié)合而防止碳與Cr結(jié)合，從而避免Cr缺少。超低碳有利于防止晶間腐蝕。②加熱溫度低or加熱時(shí)間短，不利于形成鉻的碳化物，不致產(chǎn)生缺Cr；加熱溫度較高，Cr擴(kuò)散增加，不致形成貧鉻，在450～850℃間短時(shí)加熱促使晶間腐蝕傾向（敏化處理）。在850～900℃短時(shí)加熱可消除晶間腐蝕傾向（穩(wěn)定化處理）。(二)焊接接頭的晶間腐蝕區(qū)及控制焊縫區(qū)腐蝕：與焊接材料和工藝有關(guān)，控制焊縫金屬的成分，主要是采用超低碳焊材和添加足夠量的Ti、Nb；控制焊縫的組織狀態(tài)，使之還與適當(dāng)數(shù)量的鐵素體(5%最好)。敏化區(qū)腐蝕：焊接熱影響區(qū)中峰值穩(wěn)定處于敏化穩(wěn)定區(qū)間的部位所發(fā)生的腐蝕。發(fā)生在不含Ti或Nb的普通Cr18Ni8不銹鋼中，超低碳時(shí)也不會(huì)有敏化區(qū)腐蝕。采用含Ti或Nb的18－8鋼，也可采用超低碳不銹鋼來(lái)防止敏化區(qū)腐蝕。焊接工藝應(yīng)能減少熱影響區(qū)處于敏化溫度時(shí)間。刀狀腐蝕：只出現(xiàn)含Ti或Nb這類元素的不銹鋼焊接接頭中，且一定發(fā)生在緊鄰焊縫過(guò)熱區(qū)中，由于這種沿晶破壞呈深而窄的形狀，類似刀削切口形式，故稱為刀狀腐蝕。刀蝕是一種特殊形式的晶間腐蝕。產(chǎn)生原因高溫過(guò)熱加中溫敏化。為防止產(chǎn)生刀蝕，最好采用超低碳不銹鋼，含強(qiáng)碳化物形成元素Ti或Nb的鋼。工藝上，合理布局和合理的工藝流程。不銹鋼接頭的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋的形成拉應(yīng)力的存在是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的不可缺少的重要條件，而其中焊接殘余應(yīng)力所引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂比重大，奧氏體鋼由于熱導(dǎo)性差，線膨脹系數(shù)大，在約束焊接變形時(shí)可殘留較大的焊接應(yīng)力。焊接接頭應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的控制①合理調(diào)整焊縫成分：這是提高接頭抗應(yīng)力腐蝕的重要措施之一。②盡量降低殘余應(yīng)力：處理設(shè)計(jì)及施工中盡量消除應(yīng)力集中源和減少焊接應(yīng)力外，焊后消除應(yīng)力處理也極為重要。焊接接頭熱裂問(wèn)題奧氏體鋼焊接時(shí)在焊縫及近縫區(qū)均可看見(jiàn)熱裂紋，最常見(jiàn)的是焊縫凝固裂紋，有時(shí)也有近縫區(qū)液化裂紋。含Ni量越高，產(chǎn)生裂紋的傾向越大，且越不易控制。奧氏體鋼焊接時(shí)易于熱裂的原因①奧氏體鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小和線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，接頭在冷卻過(guò)程中可形成較大的拉應(yīng)力。焊縫金屬凝固期間存在較大拉應(yīng)力是產(chǎn)生凝固裂紋的必要條件。②奧氏體鋼易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶的焊縫組織，有利于有害雜質(zhì)的偏析而促使形成晶間液態(tài)夾層，顯然易于促使產(chǎn)生焊縫凝固裂紋。③奧氏體鋼及其焊縫的合金組織較復(fù)雜，一些合金元素因溶解度有限，會(huì)生成NiS、NiP、FeO也形成低熔共晶，C大大增加了S、P雜質(zhì)的敏感性。奧氏體鋼焊縫結(jié)晶裂紋防止措施①嚴(yán)格限制有害雜質(zhì)：采用同質(zhì)填充金屬焊接奧氏體鋼。②盡可能避免形成單相奧氏體組織：對(duì)于常溫下工作的焊縫采用＋雙相組織（量5％～12％），其原因中可溶解較多的S、P等雜質(zhì)，可以有效消除單相組織的方向性而使之細(xì)化，有利于減少晶間偏析，降低界面能，減少液態(tài)共晶薄膜，對(duì)于高溫下使用的焊縫采用＋一次碳化物組織來(lái)防止產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。③適當(dāng)調(diào)整合金成分：適當(dāng)提高奧氏體化元素Mn、C、N的含量，可以顯著改善單相奧氏體焊縫的抗裂性。Mn、Cu共存將加強(qiáng)偏析而促成焊縫產(chǎn)生裂紋傾向加大。④盡量減小焊縫的過(guò)熱：工藝上減小熔池過(guò)熱，形成粗大柱狀晶，采用小線能量。近縫區(qū)液化裂紋問(wèn)題液化裂紋可以出現(xiàn)在母材的HAZ上，也見(jiàn)于多層焊縫層間區(qū)域上，也是晶間偏析而形成的低熔點(diǎn)共晶液膜所造成的。防止措施：首先工藝上設(shè)法防止過(guò)熱，減小晶粒粗化程度，其次嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量。奧氏體鋼焊接接頭力學(xué)性能問(wèn)題焊縫低溫脆化：最好不采?。p相組織，而應(yīng)取單相組織。焊縫高溫脆化：焊縫中含有較多相時(shí)（在高溫時(shí)變?yōu)椋?，都?huì)發(fā)生顯著脆化現(xiàn)象。為了保證韌性，長(zhǎng)期高溫工作的焊縫相數(shù)量小于5％或奧氏體加一次碳化物。單相焊縫也可產(chǎn)生相，引起脆化，與合金系統(tǒng)有關(guān)?？刹扇〖訜岬?050～1100℃保溫1小時(shí)后水淬，可使相重溶，性能恢復(fù)。奧氏體鋼的焊接工藝特點(diǎn)導(dǎo)熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大，焊接后易產(chǎn)生較大變形，應(yīng)采用能量集中的焊接方法。采用同質(zhì)填充金屬，為避免Cr的碳化物沉淀，一般不預(yù)熱并保證層間溫度低于250℃，加快焊接接頭的冷卻。焊接材料的選擇保證抗晶間腐蝕和抗熱裂。電阻率大，導(dǎo)熱系數(shù)小，奧氏體鋼焊絲的熔化系數(shù)比結(jié)構(gòu)鋼大。導(dǎo)熱系數(shù)小，在同樣的焊接參數(shù)下可獲得較大熔深。為防止過(guò)熱，可采用比普通低合金鋼電流小10～20％。奧氏體鋼焊絲易與銅導(dǎo)電嘴發(fā)生磨擦，磨損。保證焊縫成分穩(wěn)定，保證穩(wěn)定的熔合比。馬氏體鋼及鐵素體鋼的焊接馬氏體鋼分類：Cr13系馬氏體鋼(不銹鋼)、Cr12系多元合金化馬氏體(熱強(qiáng)鋼)馬氏體鋼的焊接性：主要問(wèn)題冷裂紋、脆化現(xiàn)象和晶間腐蝕冷裂紋：淬硬性是產(chǎn)生冷裂紋的根本原因，含C量越大，冷裂紋傾向越大，馬氏體鋼導(dǎo)熱性差，焊接殘余應(yīng)力大，再有氫的作業(yè)，冷裂傾向更明顯。晶粒粗化傾向：馬氏體鋼具有較大的晶粒粗化傾向，在小冷卻速度時(shí)，近縫區(qū)會(huì)出現(xiàn)粗大的鐵素體和碳化物組織，塑韌性下降，冷卻速度很大時(shí)，產(chǎn)生粗大的馬氏體組織，塑韌性下降，所以，焊接時(shí)冷卻速度的控制很重要。脆化現(xiàn)象：馬氏體鋼一般有回火脆性（在500～550℃），焊前后應(yīng)熱處理。馬氏體鋼的焊接工藝特點(diǎn)：①焊縫化學(xué)成分的確定：主要決定于焊接材料的選定，為了保證使用要求，焊縫成分應(yīng)與母材同質(zhì)。②焊前預(yù)熱及焊后熱處理：鋼的淬硬性越大，預(yù)熱溫度越高，一般采用150～400℃預(yù)熱。焊后熱處理是防止延遲裂紋和改善性能的重要措施，通常在700～760℃加熱空冷。鐵素體鋼的焊接工藝特點(diǎn)預(yù)熱的必要性：鐵素體鋼焊接時(shí)近縫區(qū)晶粒易于長(zhǎng)大而形成粗大鐵素體，造成明顯脆化，低溫預(yù)熱使接頭處于富有韌性的狀態(tài)下，防止產(chǎn)生裂紋。采用低溫預(yù)熱100～200℃。焊縫成分的確定：采用同質(zhì)填充材料，控制雜質(zhì)含量，提高純度，進(jìn)行合理的合金化。475℃脆化問(wèn)題：475℃脆性是高Cr鐵素體鋼中的重要問(wèn)題之一。’相的析出引起材料硬化,是475℃脆性的原因。雜質(zhì)對(duì)475℃脆化有促進(jìn)作用。晶間腐蝕：加熱到950℃快速冷卻會(huì)產(chǎn)生貧Cr區(qū)導(dǎo)致晶間腐蝕。相脆化：在高溫時(shí)變?yōu)楹负鬅崽幚恚汉负笤?50～850℃進(jìn)行熱處理很重要，常在700～750℃可促使Cr的擴(kuò)散均勻，貧Cr層可以消失。且這種焊后熱處理還可以改善接頭韌性及塑性。雙相不銹鋼焊接分類：＋、＋等，最常用的雙相鋼有Cr18、Cr22、Cr23、Cr25雙相不銹鋼具有高強(qiáng)度，對(duì)晶間腐蝕不敏感，較好的抗點(diǎn)蝕能力和優(yōu)良的耐蝕性，其原因是：①0.2高，表面氧化膜不易破裂，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂難以形成；②合金組元特征決定了耐孔蝕與點(diǎn)蝕能力，減少了抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂源；③第二相存在對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂具有機(jī)械屏障和阻礙作用；例如：Cr21－Cr23雙相不銹鋼是一種60％＋40％，抗SCC最佳。主要焊接問(wèn)題：雙相不銹鋼對(duì)熱裂、冷裂不敏感，焊接接頭通常工作溫度<250℃因?yàn)樵?20℃～820℃鐵素體變?yōu)橄?，產(chǎn)生脆性，由于雙相不銹鋼中間含有Mo擴(kuò)大了相穩(wěn)定范圍使得鐵素體更易在高溫下變?yōu)橄?；。雙相不銹鋼含Cr>15％會(huì)形成475℃（350～550℃）脆化。粗晶脆化：在焊接加熱過(guò)程中變?yōu)?250～1300變?yōu)閱蜗嗉崩鋾r(shí)為單相，緩冷時(shí)會(huì)析出針狀或羽毛狀，焊接時(shí)線能量大會(huì)粗晶脆化，快冷量不足影響抗蝕性?？刮g性：合金元素的影響：①③④C的影響：當(dāng)焊縫金屬中含有較高的C時(shí)，會(huì)在焊接冷卻過(guò)程中(1000℃)，相供碳，相供Cr，在晶界處形成Cr23C6導(dǎo)致SCC敏感性增加，故要求焊縫金屬中含碳量≤0.03％。②N的影響：當(dāng)N≤0.2％時(shí)有利于二次奧氏體析出，提高抗SCC能力。Mo、Cu提高雙相鋼在MgCl2和CaCl2介質(zhì)中的抗間隙腐蝕能力。Ti、Nb有利于防止HAZ中產(chǎn)生單相，但增加了晶間腐蝕的敏感性。