奥氏体不锈钢的焊接.ppt

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1、奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接 4.2 奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，在石油化奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，在石油化工、食品机械、生物医学、轻工等领域中得到广泛工、食品机械、生物医学、轻工等领域中得到广泛应用，使用量约占不锈钢总用量的应用，使用量约占不锈钢总用量的70%以上。以上。奥氏体不锈钢的类型：奥氏体不锈钢的类型：18-8、25-20、Cr-Mn-N钢钢 4.2.1 奥氏体不锈钢的焊接性分析奥氏体不锈钢的焊接性分析 1.焊接接头的耐蚀性焊接接头的耐蚀性 2.应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂 3.焊接接头的热裂纹焊接接头的热裂纹 4.2.1

2、奥氏体不锈钢的焊接性分析奥氏体不锈钢的焊接性分析 1.焊接接头的耐蚀性焊接接头的耐蚀性 图图4-3 18-8不锈钢焊接接头的晶间腐蚀部位不锈钢焊接接头的晶间腐蚀部位 1HAZ敏化区腐蚀；敏化区腐蚀；2焊缝晶间腐蚀；焊缝晶间腐蚀；3熔合区刀蚀熔合区刀蚀焊接区晶间腐蚀焊接区晶间腐蚀 (1)晶间腐蚀的特征晶间腐蚀的特征n焊缝晶间腐蚀焊缝晶间腐蚀 18-8钢前道焊缝热影响区达到敏化温度钢前道焊缝热影响区达到敏化温度(6001000)区，晶界上易析出区，晶界上易析出M23C6型碳化物，形型碳化物，形成贫铬晶粒边界。这样焊缝表面与腐蚀介质接触就会成贫铬晶粒边界。这样焊缝表面与腐蚀介质接触就会产生晶间腐蚀。

3、产生晶间腐蚀。n熔合区熔合区“刀蚀刀蚀”晶界碳原子偏聚，同时晶界碳原子偏聚，同时晶界碳化物沉淀；在腐晶界碳化物沉淀；在腐蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀，直至形蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀状腐蚀，刀蚀宽度与成刀状腐蚀，刀蚀宽度与Cr23C6的比例有关。的比例有关。n热影响区敏化区腐蚀热影响区敏化区腐蚀 18-8钢当热影响区加热到钢当热影响区加热到6001000，会出现，会出现敏化区腐蚀。含敏化区腐蚀。含Ti或或Nb的的18-8Ti或或18-8Nb，以及超，以及超低碳低碳18-8钢，不易有敏化区出现。钢，不易有敏化区出现。不锈钢中的合金元素不锈钢中的合金元素 Cr当量

4、（当量（Creq）和）和Ni当量（当量（Nieq）计算）计算n奥氏体化元素奥氏体化元素(镍当量镍当量Nieq)：C、N、Ni、Mn、Cun铁素体化元素铁素体化元素(铬当量铬当量Creq)：Cr、Mo、Ti(Nb)、Si、Aln舍弗勒（舍弗勒（Schaeffler）组织图中）组织图中 Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb,%Nieq=Ni+30C+0.5Mn,%n德龙（德龙（Delong）组织图中）组织图中 Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb,%Nieq=Ni+30C+30N+0.5Mn,%n 图图4-4 舍夫勒（舍夫勒（Schaeffler）焊缝组织图）焊缝组织图 (2)晶间

5、腐蚀的原因晶间腐蚀的原因n贫贫Cr理论：不锈钢耐蚀基本保证：理论：不锈钢耐蚀基本保证：Cr12%无无论整体或局部，若整体或局部，若Cr12%，腐，腐蚀n晶界处析出碳化铬（晶界处析出碳化铬（Cr23C6），造成贫铬的晶界，），造成贫铬的晶界，是产生晶间腐蚀的主要原因。是产生晶间腐蚀的主要原因。n影响因素：影响因素：化学成分、腐蚀介质、热循环温度及时间。化学成分、腐蚀介质、热循环温度及时间。18-8钢的晶间腐蚀敏感温度钢的晶间腐蚀敏感温度-时间曲线时间曲线n18-8钢在钢在450850停留一定时间，晶界处析出富铬碳化物停留一定时间，晶界处析出富铬碳化物(M23C6型型)，形成贫铬，形成贫铬区。在腐

6、蚀介质作用下，贫铬区优先腐蚀，即产生晶间腐蚀。区。在腐蚀介质作用下，贫铬区优先腐蚀，即产生晶间腐蚀。n受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶间断裂。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶间断裂。图图4-6 0Cr18Ni9钢碳化物溶解曲线钢碳化物溶解曲线 图图4-8 18-8Ti钢钢HAZ碳化物分布碳化物分布 (3)防止晶间腐蚀的措施防止晶间腐蚀的措施1)选用超低碳或添加选用超低碳或添加Ti、Nb等稳定元素的不锈钢焊接等稳定元素的不锈钢焊接材料。要求：母材材料。要求：母材C0.03%，焊丝，焊丝C0.02%2)使之形成（使之形成（+）双相组织，）双相

7、组织，约约5%；3)采用小热输入，减小敏化区停留时间；采用小电流、采用小热输入，减小敏化区停留时间；采用小电流、快速焊、短弧焊、不横向摆动，焊缝强制冷却，减快速焊、短弧焊、不横向摆动，焊缝强制冷却，减小小HAZ，控制层间温度，后焊道在前焊道冷却到，控制层间温度，后焊道在前焊道冷却到60以下再焊；以下再焊；4)接触腐蚀介质面的焊缝最后焊接；接触腐蚀介质面的焊缝最后焊接；5)焊后进行焊后进行稳定化处理，也就是在稳定化处理，也就是在850900短时短时加热后空冷，可消除晶间腐蚀倾向加热后空冷，可消除晶间腐蚀倾向。2.接头区应力腐蚀开裂（接头区应力腐蚀开裂（SCC）n应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢焊接接头

8、较严重的失效形式，是一种应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢焊接接头较严重的失效形式，是一种无塑性变形的脆性破坏。无塑性变形的脆性破坏。n大多发生在焊缝表面，深入到焊缝内部，尖部多分枝，穿过奥氏体大多发生在焊缝表面，深入到焊缝内部，尖部多分枝，穿过奥氏体晶粒，少量穿过晶界处的铁素体晶粒。是应力和腐蚀介质共同作用晶粒，少量穿过晶界处的铁素体晶粒。是应力和腐蚀介质共同作用的结果。的结果。n影响因素：影响因素：焊接区的残余拉应力焊接区的残余拉应力 焊缝组织和碳化物析出焊缝组织和碳化物析出 由于焊接结构原因，在接头区存在局部浓缩和沉积的介质由于焊接结构原因，在接头区存在局部浓缩和沉积的介质n引起应力腐蚀开裂须具

9、备三个条件：引起应力腐蚀开裂须具备三个条件：金属在该环境中具有应力腐蚀开裂的倾向；金属在该环境中具有应力腐蚀开裂的倾向；由这种材质组成的结构处于选择性的腐蚀介质中；由这种材质组成的结构处于选择性的腐蚀介质中；有高于一定水平的拉应力。有高于一定水平的拉应力。n 图图4-11 18-8钢管钢管C含量对焊接接头含量对焊接接头SCC断裂的影响断裂的影响超低碳有利于提超低碳有利于提高抗高抗SCC性能性能 防止应力腐蚀开裂的措施：防止应力腐蚀开裂的措施：n 合理设计焊接接头，避免腐蚀性介质在接头处聚集，减小应力合理设计焊接接头，避免腐蚀性介质在接头处聚集，减小应力集中；集中；n 减少或消除焊接应力，合理布

10、置焊道顺序，如采用分段退焊等。减少或消除焊接应力，合理布置焊道顺序，如采用分段退焊等。减小焊接接头的拘束度，焊后进行消除应力的退火处理。在难以减小焊接接头的拘束度，焊后进行消除应力的退火处理。在难以实施焊后热处理时，改变焊件的表面状态，对腐蚀表面进行喷丸实施焊后热处理时，改变焊件的表面状态，对腐蚀表面进行喷丸处理，使该区产生压应力，或对敏化表面进行抛光、电镀或喷涂处理，使该区产生压应力，或对敏化表面进行抛光、电镀或喷涂等，提高耐腐蚀性能。等，提高耐腐蚀性能。n 合理选择母材和焊接材料，采用超合金化的焊接材料，即焊缝合理选择母材和焊接材料，采用超合金化的焊接材料，即焊缝金属中的耐蚀合金元素（金属

11、中的耐蚀合金元素（Cr、Mo、Ni等）含量高于母材。等）含量高于母材。n 采用热量集中的焊接方法、小热输入、快速冷却等，减少焊接采用热量集中的焊接方法、小热输入、快速冷却等，减少焊接区碳化物析出和避免接头区过热。保证焊接接头部位光滑洁净，区碳化物析出和避免接头区过热。保证焊接接头部位光滑洁净，焊接飞溅物、电弧擦伤等是导致应力腐蚀开裂的起源，因此保证焊接飞溅物、电弧擦伤等是导致应力腐蚀开裂的起源，因此保证焊接接头的外在质量也是重要的。焊接接头的外在质量也是重要的。3.焊接接头的热裂纹焊接接头的热裂纹 （1）特征）特征 奥氏体钢具有较高的热裂纹敏感性，最常见的是焊缝横（纵）奥氏体钢具有较高的热裂纹

12、敏感性，最常见的是焊缝横（纵）向裂纹、弧坑裂纹、焊缝凝固裂纹，向裂纹、弧坑裂纹、焊缝凝固裂纹，HAZ液化裂纹，厚大焊件中液化裂纹，厚大焊件中有时出现焊道下裂纹。有时出现焊道下裂纹。（2）产生原因）产生原因n 奥氏体钢线膨胀系数大（是低碳钢奥氏体钢线膨胀系数大（是低碳钢1.5倍），导热系数小（是倍），导热系数小（是低碳钢低碳钢1/3），焊接局部加热和冷却条件下，焊缝及热影响区在），焊接局部加热和冷却条件下，焊缝及热影响区在高温承受较大的拉伸应力与应变；高温承受较大的拉伸应力与应变；n 合金组成复杂，焊缝结晶时，在凝固结晶过程的温度范围很合金组成复杂，焊缝结晶时，在凝固结晶过程的温度范围很大，一些

13、低熔点杂质元素偏析严重，并且在晶界聚集；大，一些低熔点杂质元素偏析严重，并且在晶界聚集；n 焊缝方向性很强，在凝固结晶后期以液态夹层存在于柱状晶焊缝方向性很强，在凝固结晶后期以液态夹层存在于柱状晶粒之间，在一定的拉应力作用下起裂、扩展形成晶间开裂。粒之间，在一定的拉应力作用下起裂、扩展形成晶间开裂。n 焊接区较大的焊接应力是形成焊接热裂纹的必要条件。焊接区较大的焊接应力是形成焊接热裂纹的必要条件。奥氏体化元素对热裂纹的影响奥氏体化元素对热裂纹的影响 铁素体化元素对热裂纹的影响铁素体化元素对热裂纹的影响(3)凝固模式对热裂纹的影响凝固模式对热裂纹的影响 图图4-13 铁素体含量对热裂倾向的影响铁

14、素体含量对热裂倾向的影响 TCL裂纹总长裂纹总长 BTR脆性温度区间脆性温度区间 (3)凝固模式对热裂纹的影响凝固模式对热裂纹的影响n凝固裂纹易产生于单相凝固裂纹易产生于单相组织的组织的焊缝中，如果为焊缝中，如果为双相组织，双相组织，则不易于产生凝固裂纹。则不易于产生凝固裂纹。n通常用室温下焊缝中通常用室温下焊缝中相数量来相数量来判断热裂倾向。判断热裂倾向。n室温室温量由量由0%增至增至100%，热，热裂倾向与脆性温度区（裂倾向与脆性温度区（BTR）大）大小完全对应。小完全对应。图图4-13 铁素体含量对热裂倾向的影响铁素体含量对热裂倾向的影响 TCL裂纹总长裂纹总长 BTR脆性温度区间脆性温

15、度区间 凝固裂纹与凝固模式的关系凝固裂纹与凝固模式的关系n凝固模式：以何种初生相（凝固模式：以何种初生相（或或）开始结晶，以何种相完成凝固过程。开始结晶，以何种相完成凝固过程。n四种凝固模式（图四种凝固模式（图4-14）n合金，以合金，以相完成整个凝固过程，相完成整个凝固过程，凝固模式以凝固模式以F表示；表示；n合金初生相合金初生相，超过，超过A、B面后又面后又依次发生包晶和共晶反应，即依次发生包晶和共晶反应，即 L+L+，凝固模式以凝固模式以FA表示；表示；n合金初生相合金初生相，超过，超过AC面后发生面后发生包晶和共晶反应，即包晶和共晶反应，即 L+L+，凝固模式以凝固模式以AF表示；表示

16、；n合金初生相合金初生相，直到凝固结束不再，直到凝固结束不再发生变化，用发生变化，用A表示。表示。Fe-Cr-Ni二元合金相图二元合金相图根据晶粒润湿理论，偏析液膜能够润湿根据晶粒润湿理论，偏析液膜能够润湿-、-界面，界面，不能润湿不能润湿-异相界面。异相界面。n以以FA模式模式形成的形成的铁素体呈蠕虫状，防碍铁素体呈蠕虫状，防碍枝晶发展，枝晶发展，构成的构成的-界面，界面，不会有热裂倾向不会有热裂倾向。n单纯单纯F或或A模式凝固时，只有模式凝固时，只有-或或-界面，所以有热界面，所以有热裂倾向。裂倾向。n以以AF模式凝固时，由于是通过包晶模式凝固时，由于是通过包晶/共晶反应形成共晶反应形成+

17、，这种共晶，这种共晶不足以构成理想的不足以构成理想的-界面，仍可呈界面，仍可呈现液膜润湿现象，还会有一定的热裂倾向。现液膜润湿现象，还会有一定的热裂倾向。AF与与FA的分界具有重要意义的分界具有重要意义 图图4-16 WRC-1992焊缝组织图焊缝组织图 (适用范围：适用范围：Mn10%,Mo3%,Si1%,N0.2%)n按焊缝组织图按焊缝组织图Creq、Nieq的计算，的计算，AF与与FA界线相当界线相当Creq/Nieq1.5，有热裂倾向。，有热裂倾向。n将这一界线标于组织图上，可将防止热裂所需室温将这一界线标于组织图上，可将防止热裂所需室温量与凝固模式量与凝固模式AF/FA界线联系起来。

18、界线联系起来。HAZ热裂纹与热裂纹与Creq/Nieq的关系的关系n按舍夫勒图计算，在按舍夫勒图计算，在Creq/Nieq1.5时，杂质时，杂质P+S0.01%，方可保证不产生热裂纹。易产生方可保证不产生热裂纹。易产生液化裂纹的部位是过热区（液化裂纹的部位是过热区（13001450），该区易出现偏析液），该区易出现偏析液膜。膜。n18-8钢，钢，Creq/Nieq处于处于1.52.0，一般不会发生热裂；，一般不会发生热裂；n25-20钢，钢，Creq/Nieq1.5，Ni含量越高，其比值越小，所以含量越高，其比值越小，所以具有明显的热裂敏感性。具有明显的热裂敏感性。图图4-17 Creq/Ni

19、eq对对HAZ热裂纹的影响热裂纹的影响 （4）热裂纹防止措施）热裂纹防止措施1)正确选用焊材正确选用焊材 用低氢型焊条可以使焊缝晶粒细化，减少杂质偏用低氢型焊条可以使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，提高抗裂性，但降低耐蚀性。用酸性焊条，氧化性强，合金析，提高抗裂性，但降低耐蚀性。用酸性焊条，氧化性强，合金元素烧损严重，抗裂性差，晶粒粗大，容易产生热裂纹；元素烧损严重，抗裂性差，晶粒粗大，容易产生热裂纹；2)减少焊缝金属中减少焊缝金属中Ni、C、S和和P含量，增加含量，增加Cr、Mo、Si及及Mn等元等元素含量，可以减少热裂纹。为了获得双相组织，一般素含量，可以减少热裂纹。为了获得双相组织，一般Cr

20、、Ni含量含量的比例为的比例为Cr/Ni=2.22.3，Ni含量过高，易产生热裂纹；含量过高，易产生热裂纹；3)控制焊缝金属的组织控制焊缝金属的组织 焊缝组织为焊缝组织为+组织时，晶界处不易产生低组织时，晶界处不易产生低熔点杂质偏析，可以减少热裂纹。但熔点杂质偏析，可以减少热裂纹。但5%，否则会造成，否则会造成相脆化；相脆化；4)控制工艺参数控制工艺参数 采用小热输入，即小电流、快速焊，减少熔池过采用小热输入，即小电流、快速焊，减少熔池过热，避免形成粗大柱状晶。采用快冷，减少偏析，提高抗裂性。热，避免形成粗大柱状晶。采用快冷，减少偏析，提高抗裂性。要控制层间温度，后道焊缝要在前焊道冷却到要控制

21、层间温度，后道焊缝要在前焊道冷却到60以下再施焊。以下再施焊。防止热裂（小结）防止热裂（小结）n针对针对18-8钢（钢（Ni20%）1）降低）降低S、P，采用碱性渣，采用碱性渣 2）使焊缝成为双相组织，（）使焊缝成为双相组织，（+C1）3）加）加Mn 4-6%，Mo 2-5%，Nb 1.5-2%4.2.2 焊接方法和焊接材料焊接方法和焊接材料 （1）焊接方法）焊接方法n许多熔焊方法都可以用于奥氏体不锈钢的焊接。但从许多熔焊方法都可以用于奥氏体不锈钢的焊接。但从经济性、技术性等方面考虑，常采用经济性、技术性等方面考虑，常采用SMAW、TIG、SAW、PAW等。等。n选择焊接方法须考虑到质量、效率

22、、成本及自动化程选择焊接方法须考虑到质量、效率、成本及自动化程度等因素，以获得最大的综合效益。度等因素，以获得最大的综合效益。n例如，焊接不锈钢薄板时，选用例如，焊接不锈钢薄板时，选用TIG焊比较合适；焊焊比较合适；焊接不锈钢中、厚板，宜选用接不锈钢中、厚板，宜选用MIG或或SAW，但应考虑施，但应考虑施工条件及焊缝位置。工条件及焊缝位置。n平直焊缝，板厚大于平直焊缝，板厚大于6mm时，可采用焊剂垫或陶瓷衬时，可采用焊剂垫或陶瓷衬垫单面焊双面成形，不仅背面无需清根，还可节约焊垫单面焊双面成形，不仅背面无需清根，还可节约焊接材料，提高生产效率。接材料，提高生产效率。表表7.9 焊接方法对不同类型

23、不锈钢的适用性焊接方法对不同类型不锈钢的适用性 (2)焊接材料焊接材料 n奥氏体不锈钢焊接通常采用与母材化学成分相似的焊奥氏体不锈钢焊接通常采用与母材化学成分相似的焊接材料，即要求按接材料，即要求按“等成分原则等成分原则”选择焊材，以满足选择焊材，以满足奥氏体不锈钢接头的耐蚀性等使用性能要求。奥氏体不锈钢接头的耐蚀性等使用性能要求。n填充金属的选择主要考虑所获得的熔敷金属的显微组填充金属的选择主要考虑所获得的熔敷金属的显微组织，焊缝中的主要组成相是奥氏体（织，焊缝中的主要组成相是奥氏体（相）、铁素体相）、铁素体（相）和碳化物。相）和碳化物。n控制焊缝中铁素体（控制焊缝中铁素体（相）的比例。相）

24、的比例。表表7.11 常用奥氏体不锈钢焊接材料的选用常用奥氏体不锈钢焊接材料的选用 图图4-18 焊缝组织图上不同焊材的成分范围焊缝组织图上不同焊材的成分范围n焊条焊条E308（18-8），实际成分可能是，实际成分可能是A、B、D成分。成分。n用于焊接用于焊接18-8钢，希望为钢，希望为FA凝固模式，即应处于凝固模式，即应处于aa线右下侧。线右下侧。A成分已在成分已在aa线以上，有热裂倾向，耐晶间腐蚀性能也将下降。线以上，有热裂倾向，耐晶间腐蚀性能也将下降。E308（18-8）E316（17-12Mo）E309（23-13）E310（25-20）E312（23-13Mo）4.2.3 奥氏体不锈

25、钢焊接工艺要点奥氏体不锈钢焊接工艺要点1.一般特点一般特点 1）选热量集中，加热）选热量集中，加热-冷却快的焊接方法；冷却快的焊接方法；2）I焊焊比低碳钢时小比低碳钢时小10-20%，短弧、不摆动；，短弧、不摆动；3）尽量机械化快速焊，保持工艺参数稳定。）尽量机械化快速焊，保持工艺参数稳定。2.焊接材料选择焊接材料选择 18-8、25-20、25-133.焊接方法焊接方法 薄板：薄板：TIG、微束、微束PAW、厚板：厚板：SMAW、TIG、MIG、PAW、SAW (1)焊前准备焊前准备n 焊前清理焊前清理 清除母材和坡口表面的油污和杂质；表面氧化皮较薄用清除母材和坡口表面的油污和杂质；表面氧化

26、皮较薄用酸洗清除；氧化皮较厚时，用钢丝刷、打磨或喷丸等清理。酸洗清除；氧化皮较厚时，用钢丝刷、打磨或喷丸等清理。n 接头设计和坡口形式接头设计和坡口形式 根据不同的板厚和焊接方法设计接头和坡口根据不同的板厚和焊接方法设计接头和坡口形式。为了保证焊接质量，坡口两侧形式。为了保证焊接质量，坡口两侧2030mm内应涂覆防飞溅涂内应涂覆防飞溅涂料以防止焊接飞溅损伤钢材表面。工件表面不允许有电弧擦伤或机械料以防止焊接飞溅损伤钢材表面。工件表面不允许有电弧擦伤或机械损伤。损伤。n 焊接衬垫焊接衬垫 由于奥氏体钢焊接熔池较大，液态金属高温停留的时间由于奥氏体钢焊接熔池较大，液态金属高温停留的时间长，为了保证

27、焊缝背面成形和防止烧穿，需要采用焊接衬垫或垫板。长，为了保证焊缝背面成形和防止烧穿，需要采用焊接衬垫或垫板。垫板材料应与母材相同。焊接不锈钢管时，采用可熔衬块。第一层用垫板材料应与母材相同。焊接不锈钢管时，采用可熔衬块。第一层用TIG施焊，也可直接在坡口钝边上用施焊，也可直接在坡口钝边上用TIG焊封底。焊封底。n 点固焊点固焊 采用采用SMAW焊接大厚度的奥氏体不锈钢件，为了焊前装配、焊接大厚度的奥氏体不锈钢件，为了焊前装配、定位和减小变形等需采用点固焊。点固焊焊条与施焊焊条相同，直径定位和减小变形等需采用点固焊。点固焊焊条与施焊焊条相同，直径稍细些。点固焊高度不超过工件板厚稍细些。点固焊高度不超过工件板厚2/3。4.焊接工艺要点焊接工艺要点 尽量采用小电流、快速焊、窄道焊，以减小晶尽量采用小电流、快速焊、窄道焊，以减小晶间腐蚀及热裂纹倾向。焊接热输入应比低碳钢低间腐蚀及热裂纹倾向。焊接热输入应比低碳钢低10%-20%。n