1、2不锈钢及耐热钢的焊接,2011年11月,Welding of heat resistant steel and corrosion resistant steel,2,内 容,一、不锈钢及耐热钢的分类及特点 二、奥氏体钢的焊接性 三、奥氏体钢的焊接工艺 四、铁素体钢的焊接 五、马氏体钢的焊接 六、双相不锈钢的焊接 七、异种金属的焊接,3,一、不锈钢及耐热钢的分类及特点,1不锈钢的分类及特点 （1）定义： 在大气、海水、或其他腐蚀介质中能够抗氧化和腐蚀的高合金钢。,GB/T 3280-2007 不锈钢冷轧钢板和钢带 GB/T 4237-2007 不锈钢热轧钢板和钢带 GB/T 4238-200
2、9 耐热钢板和钢带,（2）分类： 按照室温组织不锈钢可分为： 奥氏体不锈钢 如1Cr18Ni9 （A） 、1Cr18Ni9Ti（A） 铁素体不锈钢 Cr17（F） 马氏体不锈钢 1Cr13（M） 双相（A） 不锈钢 00Cr22Ni5Mo3N（双相） 沉淀硬化不锈钢 0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH,4,（3）物理性能： 导热系数小、电阻率大、线胀系数高，变形、应力、发热问题,1）高的电阻率，约为碳钢的5倍。 2）大的线膨胀系数，比碳钢大40，并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。 3）低的热导率，约为碳钢的1/3。,5,(4)不锈钢冶金特点低C、低S、P 高Cr、Ni、
3、Mn Cr12%,1) 奥氏体不锈钢 Cr-Ni系,S30210 304L (0Cr18Ni9) S30408 304L (0Cr18Ni9)、 S31608 316 (0Cr17Ni12Mo2)、S31603 316L (00Cr17Ni14Mo2)、,6,C： 提高高温强度，降低腐蚀抗力 Si: 增加耐热性、高温强度、减少高温时的锈皮产生，增加脆性 Mn：提高强度、可替代Ni的添加（Mn：Ni = 4：1，可降低成本） Ni： 提高SCC抗力，保证高温抗氧化能力和高温强度 Cr：钝化膜形成元素，10.5%可耐氧化性介质腐蚀，保证高温抗氧化能力和高温强度 Mo：耐非氧化性酸的腐蚀，提高Cl-
4、离子点蚀抗力和SCC抗力，增加脆性 N： 提高强度，几乎不影响耐蚀性 S、P： 杂质 Cu: 增加非氧化性气氛的耐蚀性；3%以上的Cu有析出强化效果；降低不锈钢加工硬化效应，使之易冷作成形；但热加工性差、会发生热脆化。,合金元素的作用：奥氏体形成元素：C、Ni、Mn、Cu、N 铁素体形成元素：Cr、Mo、Si,7,2)铁素体不锈钢 Cr系 高Cr、低Ni 低C、低S、P,S11710,8,3)马氏体不锈钢 Cr系 、 Cr-Ni系 Cr含量低于铁素体不锈钢,S41010,9,4) 双相不锈钢 Cr-Ni系 2205双相不锈钢,S22053双相不锈钢,10,Aspects of selectiv
5、e and pitting corrosion in cast duplex stainless steels,11,5） 沉淀硬化不锈钢 Cr-Ni系,12,Fig. Structural diagrams of Fe-Cr-Ni alloys a) At 20 b)at -196 ,http:/ 18Cr-12Ni-2.5Mo 相当于0Cr17Ni12Mo2,2205,14,（6）不锈钢耐腐蚀性, 腐蚀：金属表面与周围介质发生化学或电化学作用而引起的物质转移的破坏现象。 腐蚀分类： 按介质分：大气、海水、土壤、酸碱盐 按形态分：均匀腐蚀、点状腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳 按
6、机理分：化学腐蚀、电化学腐蚀,15,A均匀腐蚀：氧化性酸 HNO3 能形成钝化膜 Cr-Ni 18-8还原性酸 H2SO4 含Mo,16,B点蚀：Cl-破坏钝化层而腐蚀甚至穿孔 18-8耐点蚀的能力较差，Mo可提高点蚀抗力双相不锈钢耐点蚀的能力较好,点蚀+疲劳裂纹,17,C缝隙腐蚀：金属表面由于存在异物或结构上的原因而形成缝隙（如焊缝、铆缝垫片或沉积物下面等），缝隙的存在使得缝隙内的溶液中与腐蚀有关的物质迁移困难，由此而引起的缝隙内金属的腐蚀，Cl-浓度高，造成与点蚀类似的腐蚀,18,D晶间腐蚀：产生原因主要是晶间贫Cr，12，晶间丧失耐腐蚀能力，另外S、P杂质在晶间偏析也会造成晶间腐蚀,19
7、,1Cr18Ni9Ti晶间腐蚀,20,E应力腐蚀：CrNi奥氏体钢易产生APC阳极溶解型SCCM、F钢易产生HEC阴极氢脆型SCC双相不锈钢（4050）耐SCC能力优于奥氏体钢Ni耐SCC能力 2520优于1818 Mo耐氯化物应力腐蚀,室温下18-18-2钢接触聚合硫酸一小时后产生的晶间裂纹,21,22,F. 电偶腐蚀：当两种金属浸在腐蚀性溶液中，由于两种金属之间存在电位差，如相互接触，就构成腐蚀电偶。较活泼的金属成为阳极溶解，不活泼金属（耐腐蚀性较高的金属）则为阴极，腐蚀很小或完全不腐蚀。这种腐蚀称为电偶腐蚀，或接触腐蚀，亦称为双金属腐蚀。,23,G. 其他 氢脆 腐蚀疲劳 冲刷腐蚀,高强
8、钢电镀充氢后拉伸时发生的氢脆沿晶断口,高强钢氢脆断口上解理与韧窝带共存,车轴卸荷槽部位出现腐蚀疲劳,24,不锈钢物理、力学、耐腐蚀特点总结,25,2耐热钢的特点及分类,（1）定义： 在高温具有一定强度和抗氧化性的钢。 即具有热强性和热稳定性的钢。 （2）物理性能： 导热系数小、电阻率大、线胀系数高变形、应力、发热问题 （3）分类： 按性能分为：热强钢、热稳定钢 按合金元素含量分：低合金耐热钢、中合金耐热钢、高合金耐热钢 按组织状态分： 铁素体耐热钢、珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢,GB/T 4238,26,奥氏体耐热钢,27,（4）耐热钢耐热性, 抗氧化性：钢的表面形成致密的氧化膜，
9、使金属与介质隔开，从而表现出抗氧化性。 钢中加入Cr、Al、Si与氧亲和力大的元素可提高抗氧化性 Cr18% 10001100 Si3% 9001000 Al34% 9000,28, 热强性：高温下长期工作时对断裂、蠕变的抗力 提高热强性的措施有： 提高Ni的含量以稳定基体，加入Mo、W形成固溶强化，提高原子间结合力 形成稳定第二相，如MC、M6C、M23C6，如NbC、VC，可见对热强性而言提高含C量有好处，对不锈钢则相反 减少晶界并强化晶界，如加入微量元素B或稀土元素,29, 高温脆性：耐热钢长期高温工作产生的脆性,粗晶、热应变、回火脆性 A475脆性 Cr15%含有较多铁素体形成元素的钢
10、在430480范围长期停留或缓冷时出现的负温、低温韧性降低的脆化现象。 475脆性是金属的负温、常温韧性，其高温仍具有较高的韧性; 产生条件与铁素体含量有关，一般出现在含有较多铁素体的奥氏体钢焊缝中，铁素体越多，脆化越严重; 产生机理：475加热时，铁素体内的Cr原子趋于有序化，形成许多富Cr铁素体相，该相在母相100晶面或位错处析出，并与母相保持共格关系，产生很大的晶格畸变内应力，同时使位错难以滑移，易于产生挛晶，挛晶面成为解理断裂的形核地，从而导致金属脆化。 消除：重新加热600700、1h后空冷,30,31,B相脆化 铁素体钢或奥氏体钢及其焊缝在520820长期加热，析出相造成的脆化。,
11、产生条件： 含Cr20的高Cr铁素体钢及焊缝中、奥氏体钢及焊缝中; 含Mn、Si、Mo、W的较低Cr含量的钢种; 一般需要较长时间，但是有些钢，如188的多层焊如果铁素体含量高，焊后就可能造成脆化.,32,Duplex stainless steel IC381 (dark phase is ferrite).,Superduplex stainless steel A219 after heat treatment at 1150C for 2.5 h. The austenite is yellow and ferrite is dark brown, with the sigma pha
12、se white,33,产生机理：相是一种具有复杂六方点阵的金属间化合物FeCr，硬度很高（HRC68），相沿晶析出，同时伴随很大的体积变化，因而导致很大脆性，同时也会增大金属晶间腐蚀的倾向，降低抗氧化性. 相的产生：相、相铁素体的存在有利于形成相，因为铁素体富Cr，且有利于Cr的扩散 消除：重新加热使相溶解，随后冷却188 70025-20 980,34,二、奥氏体钢的焊接性 裂纹、脆化、腐蚀问题,1热裂纹问题： 焊缝区结晶裂纹、热影响区液化裂纹 （1）焊缝产生结晶裂纹的原因 奥氏体钢成分复杂，能在焊缝的晶粒间形成低熔点液态夹层，削弱晶间的结合力液态夹层： 合金元素 Ni、Si、B、Fe 杂
13、质元素 S P Sn Sb 如 Ni3S2Ni 645FeSFe 988Fe3P-Fe 1050,35, 单相奥氏体钢焊缝一次晶特别发达，易形成方向性很强的柱状晶，有利于杂质在晶界上偏析，因而促进液态夹层产生 接头区存在较大的拉应力：奥氏体钢导热系数小、热胀系数大，焊接热循环过程不均匀，局部的加热冷却使焊接接头冷却时受到较大的拉应力，当拉应力大于晶粒之间结合力时，即产生结晶裂纹,36,（2）防止焊缝结晶裂纹的措施 严格限制焊缝金属中有害元素S、P 通过焊接材料适当调整焊缝化学成分，如加入Mn控S，改善抗裂性 调整焊缝化学成分形成双相，打乱柱状晶188 28的相2520 一次碳化物 工艺上采用小
14、热输入、小截面焊道，减小熔池过热，避免形成粗大一次晶。,37,问题1：为什么188型奥氏体钢焊缝形成双相有利于防止结晶裂纹？,（1）相可以阻止奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒，打乱柱状晶的方向性，增加晶界面积，从而使低熔点共晶物能分散地分布在晶界上，同时被相分割称不连续状，因此减轻低熔点共晶物的割裂作用。 （2）相可以降低相间的界面能，从而使液态低熔点共晶物接触角增大，阻碍其在晶界润湿展开，不利于形成液态夹层。偏析液膜对、相界能润湿，而对相界不能润湿。 （3）相可以溶解更多的杂质，能减少偏析，不利于液态夹层的形成 S 相中溶解度 0.05 相中溶解度 0.18 P 相中溶解度 0.25 相中溶解
15、度 2.8,38,（3） 相影响热裂性能与凝固模式 相含量对热裂纹的影响有一最佳区间，约520。其凝固模式是FA模式。FA模式相呈蠕虫状，且相先形成，对A的长大能够起到阻碍作用； 凝固模式为AF模式，相的形成是通过包晶/共晶形成，起不到阻碍长大的作用，也起不到阻碍润湿的作用，所以对热裂的影响不大。,39,AF与F A的分界点：按舍夫勒图Creq、Nieq确定 Creq/Nieq1.5,Creq/ Nieq增加 增加 18-8钢Creq/ Nieq在1.52.0 一般不产生结晶裂纹 25-20钢Creq/ Nieq1.5 含Ni量越高，其比值越小，所以具有明显的热裂倾向,40,但并不是相越多越好
16、，因相易转变成相，导致相脆化。,41,问题2 为什么2520型奥氏体焊缝不利用相而是利用碳化物、B化物防止热裂纹。,18-8钢Creq/ Nieq在1.52.0 ，FA，一般不产生结晶裂纹 25-20钢Creq/ Nieq1.5， AF， 含Ni量越高，其比值越小，所以具有明显的热裂倾向。 要形成双相，必须提高Creq，焊缝成分与母材会出现较大差异，性能也就不能很好地与母材匹配。 2520钢可利用+C1，加碳的同时要加Nb，形成NbC，起到防止热裂的作用 2520还可利用+B1形成双相，起到防止热裂的作用，B可以与Fe、Ni形成低熔点共晶物，万分之几就可引起热裂，所以量少的时候促进热裂，但是当
17、量多时，由于愈合作用反而降低了热裂倾向,42,（3）近缝区产生液化裂纹的原因,奥氏体钢近缝区产生液化裂纹的原因与焊缝中产生结晶裂纹有些相似，也是在焊接时晶界产生偏析，并形成低熔点液态夹层，削弱了晶粒之间的联系，以及奥氏体钢到热系数小，热胀系数大，能在焊接接头处产生较大的拉应力所致。液化裂纹出现在近缝区，与钢材有关，类似于结晶裂纹，188或188Ti钢的近缝区一般看不到液化裂纹，而2520近缝区多见。 另外多层焊时，如果焊缝存在产生液化裂纹的条件，则层间也会产生液化裂纹。,43,（4）防止近缝区液化裂纹的措施,严格限制母材成分中S、P的含量 在焊接工艺上设法减小过热、拟制近缝区焊缝晶粒过分长大，
18、如采用能量密度高的焊接方法，减小热输入、提高冷却速度等。 焊接结构设计上设法减小焊接接头的拘束度。,冷裂纹？ ？ ？,44,2脆化问题,奥氏体钢用途广，可以用作耐腐蚀、耐热、耐低温的环境下，但不同工作条件对接头性能要求不同。工作在350以下的不锈钢，主要要求有耐蚀性；用作热强钢，要求在高温下具有足够的强度，同时要有足够的塑性韧性；用作低温钢，则要求有良好的低温韧性，但是如果焊缝工艺不当，则可能产生高温脆化低温脆化的问题。,45,（1）高温脆化问题,如：相脆化、粗晶脆化、晶界析出碳化物脆性 高温下进行短时拉伸试验和持久强度试验表明，当奥氏体钢焊缝中含有较多铁素体元素（Cr、Mo、Si、Nb）或较
19、多时，易发生相、相的转化，造成脆化，相越多脆化越严重。 所以为保证焊缝有必要的塑性韧性，长期工作在高温的焊缝中相的体积分数应小于5。,46,（2）低温脆化问题,如：475脆化 研究表明焊缝中相不仅能引起高温脆化，也能引起低温脆化，且相越多脆化越严重。因此为满足低温韧性的要求，最好不采用双相组织焊缝，而采用单相焊缝。,47,3腐蚀问题,焊接接头的主要腐蚀问题包括晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀。 (1) 晶间腐蚀 焊接接头有3个区域可能产生晶间腐蚀：焊缝区、热影响区中的敏化区、熔合区,48, 晶间腐蚀的原因 晶间腐蚀产生的根本原因是晶间贫Cr，从而沿晶界发生的腐蚀 晶间腐蚀的特征 晶间腐蚀的特征：表面腐
20、蚀很轻微，内部因腐蚀造成沿晶的网状裂纹，致使强度大大下降，从而产生脆性破坏，也可能形成应力腐蚀裂纹的起源。,49,Grain decohesion due to intergranular corrosion,http:/www.msm.cam.ac.uk/phasetrans/2005/Stainless_steels/stainless.html,50, 晶间腐蚀的机理 经固溶处理的奥氏体钢中C以过饱和状态溶于奥氏体中，（如一般188含C为0.08，而C在奥氏体中的溶解度仅为0.020.03），所以这是一种不稳定的状态。当金属受到敏化温度的热作用时，过饱和的C就向晶界扩散，与Cr形成Cr2
21、3C6，C是间隙原子扩散速度快，可以不断从晶内向晶界扩散，而Cr的扩散速度慢，晶界上的Cr来不及补充，因而在晶界上形成一个贫Cr层，丧失耐腐蚀能力，在接触腐蚀介质时造成晶间腐蚀。,51,52, 晶间腐蚀形成条件晶间腐蚀的产生与温度、保温时间、碳含量有关，在A、C、D、E区不产生晶间腐蚀，B区产生晶间腐蚀 A区保温时间短，不足以产生很多Cr23C6，致使产生晶间腐蚀的倾向 C区由于保温时间长，晶界上Cr可以得到补充，不会造成贫Cr现象 D、E区无晶间腐蚀倾向，与敏化温度有关 含碳量低于0.03，形成Cr23C6少，晶界上Cr不会造成贫Cr现象,53,http:/www.msm.cam.ac.uk
22、/phasetrans/2005/Stainless_steels/stainless.html,Effect of carbon on sensitisation,D,E,含碳量低于0.03，形成Cr23C6少，晶界上Cr不会造成贫Cr现象,Cr23C6、TiC的析出温度,Cr23C6的析出 温度：600-850； TiC的析出 温度：1100 ,54,Time-Temperature-Precipitation diagram for M23C6 in type 304 austenitic stainless steel,Sensitisation and Evolution of Ch
23、romium-depleted Zones in Fe-Cr-Ni-C systems.,析出位置与停留时间,55,平衡态敏化温度区为450850，焊接时由于加热快，有过热度，敏化区约为6001000 当温度高于敏化区的上限时，温度高使得固溶原子都有比较大的活性，可以比较快的扩散，晶界上的Cr可以得到及时补充，不会形成晶间贫Cr 当温度低于敏化区的下限时，温度低使得固溶原子活性都比较小，都不能很快扩散，不会在晶界有过多的C,不会由于形成Cr23C6而造成贫Cr,56,晶间腐蚀控制措施 从三个方面考虑：温度、停留时间、成分。 在焊接热循环过程中不可能不经历敏化温度区间 关键是缩短在敏化温度区间的
24、停留时间 从成分上控制含C量 一旦产生晶间腐蚀倾向，可以通过焊后固溶处理、或稳定化处理（在850900加热2h，促进Cr的扩散），消除贫Cr现象。,57,（2） 焊缝区晶间腐蚀, 产生条件： 普通188型奥氏体钢焊缝，不含Ti 多层焊 前层焊道又经历了6001000加热的情况 防止及消除办法： 降低填充焊接材料的含C量，0.03%，但是如果母材不是超低碳材料，由于熔合比的影响会使焊缝增碳 选用含Ti或Nb的焊接材料，固定C 调整焊缝的化学成分，获得少量的412相，相散布在晶界上，而且相富Cr，有良好的供Cr条件，避免形成贫Cr层 焊后固溶处理、或稳定化处理,58,问题3 为什么少量的相有助于提
25、高耐晶间腐蚀的能力？,（1）Cr在相中含量高于在中的含量，而C相反，在中的浓度大于在相中浓度。在敏化温度作用下，C、Cr都向晶界扩散，C的扩散速度快，冲过相界进入相，在相内部形成Cr的C化物,而Cr在相内的扩散速度快，能够及时补充上，不会形成贫Cr层，特别是不会形成晶间的贫Cr层。相Cr多C少，相C多Cr少 (2)少量的相可以打乱焊缝柱状晶，细化晶粒，避免贫Cr层贯穿于晶粒之间，形成腐蚀通道。,59,综合考虑对脆化的影响、对热裂纹的影响、对晶间腐蚀的影响: 合适的含量约为5左右。,如何确定选择什么焊接材料能够获得这样的焊缝？ 应用舍夫勒图 例：制造一钢构件，材质为1Cr18Ni9，采用手工电弧
26、焊，焊条分别采用A102、A302 ，问熔合比控制在什么范围内，才能使整个焊接接头具有良好的耐腐蚀性？,60,步骤及思路：首先确定组织状态为5相确定母材及焊接材料的Creq、Nieq根据舍夫勒图确定熔合比，从而确定坡口等,舍夫勒图给出的是各种化学元素折合的Creq、Nieq与组织状态的关系。CreqCrMo1.5Si0.5NbNieqNi30C0.5Mn,61,含Cr量高于母材,A102是钛钙型药皮的Cr19Ni10不锈钢焊条。 A302是钛钙型药皮的Cr23Ni13不锈钢焊条。,A102- E308-16 A302-E309-16,62,A102,A302,63,（3）热影响区敏化区晶间腐蚀
27、 产生条件：,普通188型奥氏体钢焊缝，不含Ti 非超低碳材料 HAZ中经历了6001000敏化温度区间,64,防止及消除办法：,从材料上选择超低碳的母材 从工艺上采取较小的热输入，快速冷却等工艺措施，缩短HAZ在敏化区停留的时间。如小电流、高焊速、铜垫板、水冷 焊后固溶处理、或稳定化处理（在850900加热2h）,65,（4）熔合区晶间腐蚀刀状腐蚀, 产生条件： 含Ti、Nb的奥氏体钢焊缝， 非超低碳材料 HAZ中先后经历了1200以上的高温过热、又经过了6001000中温敏化的区域，如双面焊 由于其腐蚀形状特征象刀子把焊缝挖出，所以又称刀状腐蚀,66, 刀状腐蚀形成机理,含Ti、Nb的奥氏
28、体钢在过热区中，碳化物分解，溶入奥氏体中，只有少量的碳化物未溶入。冷却时，由于溶解度下降，间隙原子C的扩散能力比Ti、Nb强，首先扩散到晶界上，而Ti、Nb则留在奥氏体内，失去了固定C的作用。 这时如果再晶粒敏化温度的热作用，晶内的C进一步向晶界扩散，并在晶界形成Cr23C6，造成晶间贫Cr层，丧失耐腐蚀能力。,67, 防止及消除办法：,从材料上选择含碳量低的母材 从工艺上减少过热，采用小热输入，避免焊缝交叉，增大焊后的冷却速度 双面焊时，接触腐蚀介质的焊缝后焊 思考：刀状腐蚀与敏化区腐蚀的比较。,68,（5）应力腐蚀问题, 产生原因： 奥氏体不锈钢对应力腐蚀的问题比较敏感，因为奥氏体钢的线胀
29、系数大、导热系数小，容易产生比较大的应力，同时奥氏体钢焊接过程有碳化物析出也促进了应力腐蚀的发生。,69, 防止措施：,通过合理结构设计减小应力 通过退火消除残余应力，188钢退火温度850900 选择抗应力腐蚀能力好的材料，如Cr25Ni201Cr18Ni9 如果有Cl- 造成的应力腐蚀，应选择高Cr铁素体钢，或双相不锈钢，不宜用188 表面锤击或喷丸处理，形成压应力层,70,（6）点蚀问题,点蚀难以控制，且多为应力腐蚀的根源，主要原因是耐点蚀成分在晶界偏析，在负偏析位置产生点蚀。 一般TIG焊自熔、填同质焊丝容易造成较大点蚀倾向，所以为防止点蚀，应该保证Cr、Mo含量，适当提高焊Ni量也可
30、改善点蚀倾向。,71,总结：奥氏体钢焊接性问题,裂纹：热裂纹（焊缝区结晶裂纹、热影响区液化裂纹） 脆化：粗晶脆化、高温脆化、低温脆化 腐蚀：晶间腐蚀（焊缝区、热影响区敏化区、热影响区熔合区）、应力腐蚀、点蚀,72,73,74,75,三、奥氏体钢的焊接工艺,1焊接方法 奥氏体钢导热系数小、线胀系数大，焊接时易产生比较大的残余变形、应力，所以应选择能量集中的焊接方法，如TIG、MIG，手工电弧焊、埋弧焊也是生产中经常用的焊接方法，CO2焊只能用来焊接耐热钢，不适用于不锈钢的焊接，因为会导致焊缝增碳，影响焊缝抗裂性能和抗腐蚀的能力。,76,2焊接材料 一般采用成分与母材接近的焊丝，以保证焊缝抗裂性能
31、和抗腐蚀的能力。 如常用的焊条A102、A302。,A102- E308-16 A302-E309-16,77,GBT983-1995不锈钢焊条,GBT 17853-1999 不锈钢药芯焊丝 YBT 5091-1993 惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝 YBT 5092-2005 焊接用不锈钢丝,78,3焊接热输入 热输入应小，通常比一般碳钢低2030。过高的热输入会造成焊缝开裂、降低抗腐蚀性能降低、残余变形大等问题。采用小电流、低电压、小焊道、快速焊，可以采取必要的水冷措施。 不锈钢焊条由于焊芯电阻大、导热系数小，产热多而散热少，热胀系数大，往往导致药皮发红、脱落，所以一般会规定电流的使用范
32、围。,79,4预热及焊后热处理 奥氏体钢一般不进行预热，而且为防止热裂纹和铬碳化物的析出希望层间温度低一些，通常在250以下。 焊后不推荐进行热处理，只有在接头发生了脆化，或需要提高耐腐蚀性能时才进行焊后热处理。,80,（1）固溶处理 用于耐腐蚀要求很高，且焊接时析出了碳化物脆性相的焊件，方法：均匀加热至10501150，保温1h，使析出相重新溶入奥氏体相，然后快冷。原则上只能整体加热，不能局部加热。,81,（2）稳定化处理 将焊件加热到850930，保温2h后空冷，这样可加快Cr在奥氏体中的扩散速度，使Cr能向晶界迁移，从而消除晶界由于析出Cr23C6而产生的贫Cr现象，使金属耐腐蚀能力提高
33、，同时降低残余应力。,82,5. 不锈钢的点焊,（1）奥氏体不锈钢、奥氏体铁素体不锈钢 点焊焊接性良好，尤其是电阻率高（为低碳钢的56倍），热导率低（为低碳钢的1/3）以及不存在淬硬倾向和不带磁性（奥氏体铁素体不锈钢有磁性），因此无需特殊的工艺措施，采用普通交流点焊机、简单焊接循环即可获得满意的焊接质量。,83,（2）点焊技术要点：,可用酸洗 、砂布打磨或毡轮抛光等方法进行焊前表面清理，但对用铅锌或铝锌模成形的焊件必须采用酸洗方法。 采用硬规范、强烈的内部和外部水冷，可显著提高生产率和焊接质量。 由于高温强度大、塑性变形困难，应选用较高的电极压力，以避免产生喷溅和缩孔、裂纹等缺陷。 板厚大于3
34、mm时，常采用多脉冲焊接电流来改善电极工作状况，其脉冲较点焊等厚低碳钢时要短且稀。这种多脉冲措施亦可用后热处理。,84,85,例1：1Cr18Ni9Ti不锈钢压力容器，平板对接，埋弧焊。壁厚20,86,厚板埋弧焊 （1）焊接材料：H00Cr22Ni10（低碳，高Cr、Ni） 3焊丝，焊剂HJ260 （2）焊接顺序：先焊正面焊缝，然后焊反面一层（刀状腐蚀） （3）焊接参数：直流反接1层 I350400A U3032V V2628m/h2层 I350400A U3032V V3032m/h层间温度低于120 （4）焊后热处理：焊后稳定化处理，90020,保温1h。,87,例2：1Cr18Ni9Ti
35、不锈钢球形容器封头，壁厚1.5,88,8块 薄板 TIG焊 （1）焊接材料：TIG焊，填丝1Cr18Ni9Ti 1.6钨极2 （2）焊接工艺参数： I65A，氩气流量4L/min （3）焊接热处理：不需,89,四、铁素体钢的焊接,1铁素体钢的焊接性铁素体钢如：Cr13、Cr17 属于高Cr钢，供货状态一般为退火态。可作为不锈钢、热稳定钢用。其焊接性比奥氏体钢差。 强度、抗腐蚀性能能及焊接性能不如奥氏体不锈钢好，它的优点是抗氧化性好，成本低，抗应力腐蚀开裂性能比奥氏体不锈钢强。 主要问题为焊接接头的脆化问题、晶间腐蚀问题。,90,（1）脆化问题, 粗晶脆化因为铁素体钢在冷却过程中没有重结晶的过程
36、，一直保持铁素体，所以铁素体钢焊缝热影响区的晶粒粗化倾向比较大。接头过热严重时，晶粒长大地非常剧烈，使得常温下的冲击韧性显著下降，而且无法利用热处理消除。 析出物脆化：高Cr铁素体钢对C、N的溶解度比奥氏体钢小得多。在高温溶解的C、N随着温度降低，溶解度降低，过饱和的C、N在晶界析出，形成Cr23C6和Cr2N等化合物,91, 475脆化 铁素体钢含Cr量高，475脆化问题比较突出，所以必须缩短在该温度附近的停留时间。 相脆化 铁素体相多是产生相的主要原因，所以铁素体钢的相脆化问题也是很严重的。,92,（2）晶间腐蚀问题,铁素体钢比奥氏体钢的晶间腐蚀倾向更大，腐蚀部位在HAZ的925熔合线之间
37、。 铁素体钢一般为退火态，组织状态为铁素体、少量碳化物及金属间化合物，分布均匀。 焊接时加热到925以上后，碳化物溶解到铁素体中，冷却过程中铁素体中的C扩散快，首先到达晶界，形成Cr23C6，造成晶间贫Cr，但是这种现象可以通过在650815短时加热，加快Cr的扩散，晶间贫Cr得到改善。 当铁素体钢含Cr量高、或含有固C元素时，如Cr28、Cr17Ti、都可以有效提高耐晶间腐蚀的能力。,93,2铁素体钢的焊接工艺,（1）焊接方法： 可以采用手工电弧焊、TIG焊、埋弧焊、等离子弧焊等，能量集中的焊接方法当然更好。 （2）焊接材料： 当有耐蚀性、耐热性要求时，宜采用与母材成分相近的焊丝，当对韧性要
38、求高时可采用奥氏体焊接材料。 （3）焊接热输入： 由于铁素体钢有严重的脆化、晶间腐蚀倾向，热输入宜小。,94,（4）预热及层间温度：,当有耐蚀性、耐热性要求时，宜采用与母材成分相近的焊丝，此时需要焊前预热，150230，含Cr量越高预热温度越高，且焊后热处理。但是预热的作用不是防止冷裂纹，而是为了在良好的韧性条件下进行焊接，并减少焊缝的收缩力，因为铁素体钢在常温下韧性差，而温度提高时明显得到改善。但是从焊接接头脆化的角度出发，预热温度不宜过高。 当采用奥氏体焊接材料时不需预热。,95,（5）焊后热处理：,采用与母材成分相近的焊丝时，焊后需要进行750800退火处理，使Cr的分布更加均匀，碳化物
39、球化，恢复耐腐蚀性能、改善接头塑性。退火快冷可以防止脆性相形成。 采用奥氏体焊接材料时不需焊后热处理。,96,五、马氏体钢的焊接 1马氏体钢的焊接性,马氏体钢如：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13（不锈钢）、Cr9、Cr12（热强钢）。是在铁素体钢的基础上增加了C，室温组织为马氏体。一般为调质态供货。主要问题为冷裂纹问题、脆化问题。其焊接性比奥氏体钢、铁素体钢都差。 （1）冷裂纹问题 马氏体钢淬硬倾向大，同时导热性差，能引起较大焊接应力，所以一般都需预热焊后热处理，防止产生冷裂纹。 （2）脆化问题 主要为过热区的粗晶脆化和375575温度范围的回火脆化。 （3）软化问题 因为马氏体
40、钢为调质态供货，所以焊接热影响区会存在一软化区。,97,高强度马氏体钢TIG焊后的硬度 11Cr13 22Cr13 300Cr13Ni7Si3,98,2马氏体钢的焊接工艺,（1）焊接方法： 常用的焊接方法，如采用手工电弧焊、TIG焊、埋弧焊、等离子弧焊等，都可以用，但是由于马氏体钢淬硬倾向很大，所以需严格控制氢的来源，严格清理焊件和焊接材料。 （2）焊接材料： 由于马氏体钢淬硬倾向很大，所以需严格控制氢的来源，严格清理焊件和焊接材料。焊接材料的选择有两种：与母材成分接近的材料，同质焊材要求预热焊后热处理；另外为防止冷裂，可以选择奥氏体焊接材料，但是当工作在高温时最好选择同质焊接材料，以保证二者
41、具有相同的热物理性能。,99,（3）焊接热输入： 为防止粗晶脆化，热输入宜小。 （4）预热及层间温度： 马氏体钢淬硬倾向很大，当采用与母材成分相近的焊丝时需要焊前预热，并保持相同的层间温度。 当采用奥氏体焊接材料时不需预热，或低温预热。,TEM bright field image of the martensite phase in 17-4 PH stainless steel after solution heat-treatment. The predominant phase is lath martensite.,Microstructural Evolution in a 17-
42、4 PH Stainless Steel after Aging at 400C,马氏体沉淀硬化不锈钢,101,（5）焊后热处理： 采用与母材成分相近的焊丝时，焊后需要进行回火处理，防止冷裂纹。 但是不是焊后立即回火，立即回火可造成奥氏体会向珠光体转变，且碳化物会沿晶沉淀，很脆。 也不能等接头冷却到室温后再做热处理，对冷裂不起作用，一般冷却到100150时进行回火处理。 采用奥氏体焊接材料时不需焊后热处理。,102,3. 在石油工业中应用的13Cr的焊接特性,对CO2腐蚀问题采取措施是使用Cr 含量超过20%的双相不锈钢管, 或者使用碳素钢管和为防止腐蚀而使用抑止剂。价格很高, 使用碳素钢管和
43、抑止剂也存在污染环境问题 油井管开发了13Cr马氏体不锈钢无缝钢管，焊接性差。 日本JFE钢铁公司开发了新型马氏体不锈钢HP13Cr和UHP15Cr钢管, 它们具有良好的耐CO2腐蚀性和耐SSC(硫化物应力腐蚀)性, 这些新型钢管能在以往API-13Cr不锈钢钢管无法使用的高温、高CO2分压环境及含有少量H2S的环境下使用。,103,日本N KK。为了提高其焊接性能采取降低C、N 含量、并添加约3%N i和钢的二次精炼措施, 在焊接工艺采用高频预热和高功率激光的组合工艺等, 成功地开发出输送管用13%Cr 马氏体不锈钢薄壁钢管，强度性能与A P I- X80 级管线钢管相当。 为激光焊管。 环
44、缝对接采用选择钨极惰性气体保护电弧焊(T IG) 作为圆周焊接方法。,104,六、双相不锈钢（DSS ）的焊接,1.特点： 在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，理想的双相不锈钢的组织是铁素体和奥氏体组织正好分别占50，一般量少相的含量也需要达到30。 耐应力腐蚀远远超过188型奥氏体不锈钢，并具有良好的抗点蚀、缝隙腐蚀及晶间腐蚀能力，双相钢的强度约为普通奥氏体不锈钢的两倍，可达到400-550MPa, 分为Cr-Ni型和Cr-Mn-N型。目前实际工程最常用的+双相不锈钢是Cr-Ni型,而材料的Ni含量为奥氏体钢的1/2,105,冷加工时比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承
45、受变形初期，需施加较大应力才能变形。 与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作设备的衬里和生产复合板。也适合制作热交换器的管芯，换热效率比奥氏体不锈钢高 有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于300的工作条件。双相不锈钢中含铬量愈低，等脆性相的危害性也愈小。 双相钢材料的焊接，因其铁素体及奥氏体的双相组织而兼有铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢的焊接特点，不恰当的焊接材料及焊接工艺将导致双相钢焊接接头性能恶化。晶粒长大材料塑性、韧性急剧下降 ，耐腐蚀性能下降。,106,有可能发生三种类型的析出，即铬的氮化物（如Cr2N、CrN）、二次奥氏体（2）及金属间相（如相等）。,当焊缝金属
46、铁素体数量过多或为纯铁素体组织时，很容易有氮化物的析出，这与在高温时，氮在铁素体中的溶解度高，而快速冷时溶解度又下降有关。尤其是在焊缝近表面，由于氮的损失，使铁素体量增加，氮化物更易析出。焊缝若是健全的两相组织，氮化物的析出量很少。因此，为了增加焊缝金属的奥氏体数量，可在填充金属中提高镍、氮元素的含量。另外，若采用大的热输入焊接，也可防止纯铁素体晶粒的生成而引起的氮化物的析出。,双相不锈钢焊接的析出现象,107,在含氮量高的超级双相不锈钢多层焊时会出现二次奥氏体的析出。特别是前道焊缝采用低热输入而后续焊缝采用大热输入焊接时，部分会转变成细小分散的二次奥氏体2，这种2也和氮化物一样会降低焊缝的耐
47、腐蚀性能，尤其以表面析出影响更大。 一般来说，采用较高的热输入和较低的冷却速度有利于奥氏体的转变，减少焊缝金属的铁素体量，但是热输入过高或冷却速度过慢又会带来金属间相的析出问题。通常双相不锈钢焊缝金属不会发现有相析出，但在焊接材料或热输入选用不合理时，也有可能出现相.,108,两种奥氏体-铁素体双相钢的TTT图,109,2. 焊接工艺：小电流，快速焊，减少输入线能量，减少热影响区的范围。 严格控制层间温度100，严禁多层连续施焊，减少焊缝组织在中温区的停留时间。 450850长时间停留，导致相沿晶界析出。 焊接接头有脆性倾向，耐局部腐蚀性能下降。 350525长时间停留，会产生475脆性。 焊
48、接接头脆性大，机械性能恶化。,110,如：钨极氩弧焊,焊接之前应要注意焊接坡口的清理，用丙酮对焊接区域进行擦拭 小电流，快速焊，输入热量应控制在0.22.5KJ/mm，层间温度最大为100 最后一道焊缝位于非工作介质面上 环缝引弧应在焊道内进行，纵焊缝引弧和收弧均必须在引弧板和熄弧板上进行 避免过多的焊丝横向摆动和过宽的熔池，以避免过大的电流和较高的残余应力 不论使用何种接头形式，钨极惰性气体保护焊时必须用保护气进行背面保护 使用钨极惰性气体保护焊时，使用电弧前开始送气，电弧熄灭后，继续送气至少5秒 在使用氩弧焊时，应按照合适的长度和间隔进行定位焊，在定位焊和打底时，其背面要被氩气完全保护起来 不允许补焊,111,定义： 将不同化学成分、不同组织性能的两种或两种以上金属，在一定的工艺条件下焊接成规定设计要求的构件， 并使形成的接头满足预定的服役要求。2.异种金属之间的焊接性 取决于两种材料的组织结构、物理化学性能等，两种材料的这些性能差异越大，焊接性越差。,
