1、第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属材料的焊接,第 7 章合 金 结 构 钢 的 焊 接,7.1 热轧及正火钢的焊接,7.2 低碳调质钢的焊接,7.3 耐热钢的焊接,7.4 低温钢的焊接,7.5 不锈钢的焊接,凡是可以制造工程和机械零件的钢统称为结构钢，合金结构钢是在碳素钢的基础上加入一种或几种合金金属冶炼而成。加入合金元素的目的，是在保证足够的塑性和韧性的基础上获得较高的强度或满足结构工作条件提出的某些特殊要求。如耐蚀性、高温强度等。,第7章 常用金属材料的焊接,研究焊接结构用合金钢的焊接性和焊接工艺时，在综合考虑成分、性能、用途等因素基础上，分为高强度钢和专业用钢两大类。这种分类方
2、法的优点是，同一类的钢使用条件基本相同，主要质量要求一致，因而在编制焊接工艺时，为保证质量所依据的原则（如选用焊接材料的原则、确定焊接参数的原则等）有较多的共同之处。,第7章 常用金属材料的焊接,一、高强度钢按GB/T13304-1991规定，屈服强度、抗拉强度 的钢，均称为高强度钢。低合金强度钢与含碳量相同的碳素钢相比，不仅强度明显提高，而且具有较好的耐蚀性。而与强度相同的碳素钢相比，具有较高的塑性、韧性和较低的脆韧转换温度，并且焊接性良好。,第7章 常用金属材料的焊接,表7-1 新旧低合金高强度结构钢牌号对照,第7章 常用金属材料的焊接,1.热轧及正火钢 以热轧或正火状态供货和使用的钢称为
3、热轧或正火钢。这类钢的 s=295490MPa，通过合金元素的固溶强化和沉淀强化而提高强度，属于非热处理强化钢。 70年代以来发展的微合金化控制轧制钢技术， s=340MPa 的低裂纹敏感性钢（CF），超低硫抗层状撕裂的Z向钢等新钢种，实质上都属于新发展的正火钢分支。,第7章 常用金属材料的焊接,2.低碳调质钢 低碳调质钢的 s=441980MPa ，Wc=0.25%，在调质状态下供货和使用，属于热处理强化钢。这类钢不仅强度高，而且具有优秀的塑性和韧性，可直接在调质状态下焊接，焊后不再需要进行调质处理。 低碳调质钢中合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，通过调质处得到低碳马氏体或贝氏体，不但提高
4、了强度，而且保证了塑性和韧性。,第7章 常用金属材料的焊接,3.中碳调质钢 这类钢的含碳量较高（一般Wc0.3%）， s=8801170MPa，也是热处理强化钢。含碳量可有效地提高了调质处理后的强度，但塑性和韧性相应下降，而且恶化了焊接性。一般需要在退火状态下进行焊接，焊后进行调质处理。,第7章 常用金属材料的焊接,二、专业用钢 1) 珠光体耐热钢 工作温度在500600范围内的设备，高温强度和抗氧化能力，珠光体耐热钢的合金系统以Cr、Mo为基础，适当加入V、W、Nb、B等元素。 可以进行包括调质处理的各种热处理，焊后一般进行高温回火。,第7章 常用金属材料的焊接,2）低温用钢-20-196低
5、温下工作的设备，主要特点是韧脆转变温度低，具有较好的低温韧性。应用最多的是低碳的含镍钢。,第7章 常用金属材料的焊接,3.低合金耐蚀钢制造在大气、海水、石油、化工产品等腐蚀介质中工作的各种设备,第7章 常用金属材料的焊接,7.1 热轧及正火钢的焊接 1.热轧钢 s=295390MPa 的钢，大都属于热轧钢。热轧钢的合金系统基本上为C-Mn或C-Mn-Si系，主要靠Mn、Si的固溶强化作用提高强度。 在低碳条件下 可以保持较高的塑性和韧性。,第7章 常用金属材料的焊接,表7-2 热轧及正火钢的化学成分,第7章 常用金属材料的焊接,表7-2 热扎及正火钢的化学成分（续）,第7章 常用金属材料的焊接
6、,表7-3 热轧及正火钢的力学性能,第7章 常用金属材料的焊接,表7-3 热轧及正火钢的力学性能（续）,第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属材料的焊接,Q345是国内应用最广泛的高强度钢。与Q235相比，WMn由0.65%提高到1.00%1.6%，并加入微量V、Nb、Ti等元素，强度提高近50%。其中Q345A相当旧牌号的16Mn，Q345C相当于锅炉压力容器用钢中的16Mng和16MnR。,第7章 常用金属材料的焊接,Q390钢是在Q345的基础上提高了钒的含量，并加入一定的铬（WCr=0.30%）和镍（WNi=0.7%）。 V的增加进一步保证了沉淀强化作
7、用和细化晶粒的作用。 铬是固溶强化元素，并能增加钢中珠光体的相对含量，少量的Cr对钢的塑性无明显的影响。 镍也是固溶强化元素，对一般非处理强化钢，加入镍可提高强度而基本不降低塑性和韧性。,第7章 常用金属材料的焊接,2.正火状态下使用钢钢种有Q420和WH530和WH590等。由于碳化物质点的沉淀强化和细化晶粒作用，在提高强度的同时还能改善韧性。碳化物的析出降低了固溶在基体中的碳，使淬透性下降，焊接性亦有所改善。,第7章 常用金属材料的焊接,WH530其强度、韧性优于目前应用较广泛的16MnR，焊接性良好。该钢的供货牌号为15MnNbR（WH530）。 WH530用于制造压力钢管、压力容器（特
8、别是球形储罐）等 WH590的供货牌号为17MnNiVNbR，属于抗拉强度为590MPa级的材料，具有高韧性和优良的焊接性的正火型高强钢，用于制造大型液化气体槽车。,第7章 常用金属材料的焊接,3.正火+回火状态使用的钢 这类钢一般加入WMo=0.5，Mo可以提高强度，细化组织，并提高钢中的中温耐热性能。大多数含Mo的低合金钢在Mn-Mo系的基础上增加Ni或Nb，Ni可提高厚板的低温韧性，如13MnNiMoNb钢。,第7章 常用金属材料的焊接,13MnNiMoNb钢具有较高的强度和韧性，并有良好的焊接性，特别是对再热裂纹的敏感性很低。因此，13MnNiMoNb钢在制造高压锅炉气包及其它高压容器
9、中得到广泛应用。,第7章 常用金属材料的焊接,X60是微合金化控轧钢，它在化学成分上的主要特点是纯度高（S、P含量低），得到韧性较高的低碳马氏体或下贝氏体， 高强度、高韧性和良好的焊接性 主要用于制造石油，天然气的输送管线，故又称为管线钢。 X65 X70 X80,第7章 常用金属材料的焊接,三 热轧及正火钢的焊接工艺 1.焊接材料的选用（表75） 2.预热温度的确定焊前预热是防止冷裂纹，改善接头性能的重要措施。表7-6为几种常用的热轧及正火钢的预热温度。,第7章 常用金属材料的焊接,表7-5 热轧及正火钢焊接材料示例,第7章 常用金属材料的焊接,表7-5 热轧及正火钢焊接材料示例（续）,表7
10、-6 热轧及正火钢的预热温度和焊后热处理参数,第7章 常用金属材料的焊接,3.焊接线能量的确定 （1）Q295钢和含碳量低的Q345钢 这类钢主要靠固溶强化提高强度，线能量的变化对接头性能无明显不利影响。 （2）Q390钢和18MnMoNb等 这些钢大都有较多的沉淀强化元素，在选择能量时必须考虑防止过热区因固溶强化相的溶解而造成的脆化，故线能量不宜过大。,第7章 常用金属材料的焊接,4.焊后处理热轧及正火钢常用的热处理制度有消除应力退火、正火或正火+回火等。 注意：一、是退火温度不应超过焊前的回火温度，以保证母材的性能不发生变化；二、是对有回火脆性的钢，应避开回火脆性的温度区间。,第7章 常用
11、金属材料的焊接,在下列情况下，要求热轧及正火钢进行焊后热处理。 1）母材屈服点490MPa，为了防止延迟裂纹，焊后应立即进行消除应力回火或消氢处理。 2）厚壁压力容器为了防止由于焊接时厚度方向存在误差，而形成三向应力场所导致的脆性破坏，焊后应进行消除应力退火。 3）电渣焊接头为了细化晶粒，提高接头韧性，焊后一般要求进行正火或正火+回火处理。 4）对可能发生应力腐蚀开裂或要求尺寸稳定的产品，焊后应进行消除应力退火。,第7章 常用金属材料的焊接,5 Q345的焊接Q345钢相当于旧牌号的12MnV、14MnNb、16Mn等钢种，这些钢的焊接性与焊接工艺基本相同。 Q345钢的热切割性能与低碳钢相近
12、，气割边缘淬硬层很窄，（小于1mm），碳弧气刨切口边缘没有明显的增碳层，切割后可不必加工而直接焊接。Q345 钢可以顺利地进行冷弯与机械切割，由于屈服点比低碳钢高，冷压成形时回弹力较大，在冷弯、冷剪、冷矫时，压力应选得大些，同时弯曲半径不能太小。筒节冷弯时，若/D1/40，为消除冷作硬化，卷后应进行600650的消除应力退化。,第7章 常用金属材料的焊接,Q345钢加热到800以上可以进行各种热压成形，一般加热温度为10001100，终压温度为750850。经热压后力学性能无明显变化，一般不需再进行热处理。Q345钢也可进行加热矫正变形。 Q345钢的焊接性较好，一般不需预热。,第7章 常用金
13、属材料的焊接,表7-7 Q345钢的预热温度,第7章 常用金属材料的焊接,Q345钢采用焊条电弧焊时，一般选用E50型焊条。焊接重要结构（如压力容器），应选用碱性焊条（E5015、E5016）。对于小厚度、坡口角度小或强度要求不高的产品，也可选用E42型的碳钢焊条（E4215、E4216）。 埋弧焊时目前应用最多的是高锰高硅焊剂与低碳钢焊丝（H08A）或含锰焊丝（H08MnA、H10Mn2）配合。 CO2气体保护焊时主要用H08Mn2SiA焊丝或H10MnSi焊丝。,第7章 常用金属材料的焊接,在焊接Q345钢或其它高强度钢时，必须对定位焊的质量予以充分重视。定位焊焊缝很短，截面积小，冷却速度
14、高，特别容易产生气孔、裂纹等缺陷。要求在定位焊时采用与正式焊接时完全相同的焊条，严格遵守工艺规程。对定位焊的长度、截面积及间隔也应有规定，必要时应预热。定位焊后应仔细检查，发现裂纹应铲掉重焊。为了较低应力，防止定位焊开裂，应尽量避免强行装配。,第7章 常用金属材料的焊接,6 低碳钢焊接工艺要点 焊接方法与焊接材料 过程设备制造中，焊接低碳钢广泛采用的焊接方法是手工电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊、电渣焊的应用亦较多。为保证焊接质量，不少打底焊采用氩弧焊。 焊接材料按等强度原则确定。手工电弧焊用焊条一般采用J42级，强度较高母材也有采用J50级的。对于二、二类压力容器或锅炉受压壳体以及承受冲
15、击载荷的均要求采用碱性低氢型药皮焊条，而一类容器或一般结构，可采用酸性药皮焊条。,第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属材料的焊接,埋弧自动焊时，焊剂多采用HJ431，焊丝视具体钢号有所区别：Q235、10钢等多采用H08A，而20R、20g、20钢多采用H08MnA。 电渣焊时，由于焊剂的更新少，若仍按埋弧焊选用H08A焊丝，与高Mn高Si焊剂配合，则焊缝金属中的Mn、Si元素会不足，特别是母材和焊丝中原有的Mn还会烧损。故低碳钢电渣焊时，往往选用中Mn高Si中F熔炼焊剂HJ360与10Mn2或H10MnSi焊丝配合。 也可用HJ43l与H10MnSi配合。,第7章 常用金属材料的焊接
16、, 含碳量0.24或大厚件时注意防止热裂纹和冷裂纹。 预热及热处理要求 仅在板厚大或施焊环境温度过低时才要求进行适当预热。在板厚小于100mm时，其预热温度一般不大于100。对于盛装具有应力腐蚀介质或板厚大于34mm的壳体，要求焊后进行600650的消除应力热处理。若焊前预热温度不低于100，则焊后热处理厚度可放宽至38mm。,第7章 常用金属材料的焊接,7 普通低合金结构钢的焊接工艺要点 手工电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊和电渣焊等均适用于普低钢的焊接。其中电渣焊，适用于热轧或正火钢30mm以上厚板焊接、且焊后必须进行正火处理，以细化晶粒，提高性能。 焊条按等强度原则选择，大多使用碱性
17、低氢焊条并充分烘干，焊前将坡口清理干净，采用短弧焊。目的在于减少氢的来源。,第7章 常用金属材料的焊接,采取适当的焊接规范以控制焊接冷却速度。既要防止因焊接规范过小，冷却速度快，增加热影响区淬硬的倾向；也要防止因焊接规范过大，冷却速度缓慢，使高温停留时间过长，晶粒严重长大。因此，对于有过热倾向而又有一定淬硬性的钢，可以用线能量小的规范，以减少高温停留时间，同时采用预热来减少过热区的淬硬性。 焊前预热和焊后低温消氢处理相配合，防止强度级别较高的低合金钢产生冷裂纹。 尽量减小结构的刚性和装配应力，禁止强力组装，并采用合理的焊接顺序。,第7章 常用金属材料的焊接,15MnVNR、18MnMoNbR等
18、较高强度正火钢，焊后必须进行消除应力热处理，以减小焊接残余应力和改善组织。而其它钢种是否需焊后热处理，可按图样要求确定。 正火和调质钢均存在热影响区淬硬和冷裂倾向，但两者在工艺措施上却有所不同；正火钢采用的线能量较大，预热温度较高；而调质钢采用的线能量和预热温度均相对较低，目的是保证调质钢具有足够的冷却速度，以便形成低碳马氏体。 另外，调质钢的焊后热处理温度必须低于调质时的回火温度。,第7章 常用金属材料的焊接,(2)受压壳体常用普低钢的焊接 16MnR钢的焊接 该钢为屈服强度343MPa级的钢，可焊性良好。热影响区最高硬度一般小于HV300。对较薄产品的焊接可不预热，当板厚大于32mm时，采
19、用100150 以上的预热以防止冷裂纹的产生。低温环境施焊，均需预热。 16MnR钢手工电弧焊时，对于非重要产品，可使用酸性焊条，如J502、J50 3。这些焊条工艺性能好，操作容易，价格便宜。对于该钢制造的厚壁容器焊接需选用碱性焊条，如J506、J507，以提高焊接接头的抗裂性，并获得良好的塑性和韧性。,16MnR钢的埋弧焊，通常采用工艺性能好、抗气孔性强的高Mn高Si焊剂，如HJ430、HJ431、HJ432。用于16MnR钢埋弧焊的焊丝有H08A、H10MnSi、H08Mn2、H08MnA、H10Mn2、H08MnMoA等，通常根据板厚和坡口形式的不同来选择。常见的有以下几种情况：a）不
20、开坡口对接或角接采用H08A焊丝和HJ431相配合；b）开坡口的工件可选用H08Mn2焊丝和HJ43l；c) 厚度大、坡口深的工件焊接，可选用H10Mn2和HJ431。16MnR钢电渣焊可采用H10MnSi或H10Mn2、H08MnMoA焊丝并配用HJ360和HJ43l。,第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属材料的焊接, 15MnVR钢焊接 该钢为屈服强度392MPa级钢，具有良好的综合机械性能和焊接性，大量用于压力容器和球罐的制造。 该钢淬硬倾向不严重，室温下堆焊的最高硬度小于HV300，所以，对于薄板的焊接可不预热。但是对于板厚大于32mm的产品，焊前需预热到100150。该钢由于
21、含V，有回火脆性倾向。当需进行焊后消除应力热处理时，应将热处理度温度控制在550650，不得高于650 ，否则韧性会明显下降。,第7章 常用金属材料的焊接,15MnVR钢的手工电弧焊可选用J556、J557焊条。对于厚度不大、坡口较小的结构也可采用J506、J507焊条施焊。 15MnVR钢埋弧焊焊接材料的选用可分下列两种情况：a）厚度小、要求低的结构，可选用H08MnA或H10Mn，焊丝配用HJ431；b）厚度大、坡口深的接头，应选用H10MnSiA、H08MnMoA焊丝并配用HJ250或HJ350。15MnVR钢电渣焊可选用H10MnMoVA、H08Mn2MoVA焊丝并配用HJ431或HJ
22、350。,第7章 常用金属材料的焊接,15MnVNR钢焊接 该钢为屈服强度441MPa级的钢，正火状态下使用，冷热加工性能良好。该钢在室温下堆焊，热影响区最高硬度HV329366。与上述两种钢相比，它的淬硬倾向大，通常焊前要在100 以上预热、以防止冷裂纹的产生。 15MnVNR钢手工电弧焊可使用J606、J607焊条，对板厚较小的结构也可用J556、J557焊条。 15MnVNR钢埋弧焊可选用H08Mn2Mo、H08MnMoA焊丝并配用HJ421和HJ350。,第7章 常用金属材料的焊接,18MnMoNbR钢的焊接 该钢为屈服强度490MPa级钢，在正火加回火或调质状态使用。该钢不仅强度高而
23、且有较好的塑性和韧性。在中温中压容器设备制造中应用较多。a）18MnMoNbR钢的焊接性 最高硬度试验表明该钢淬硬倾向较大，室温堆焊的热影响区最高硬度可达HV478，Y形坡口拘束试验等也表明该钢焊接时应在150以上预热。 在18MnMoNbR钢制压力容器的焊接实践中，易产生冷裂纹，也有轻微的再热裂纹倾向，电渣焊缝有时产生热裂纹。说明该钢焊接时有一定的难度，必须严格遵守焊接工艺方可防止各种焊接裂纹的产生。,第7章 常用金属材料的焊接,b18MnMoNbR钢手工电弧焊 可选用J707或J607焊条，厚度大于95mm时用后者。焊条使用前要在350400保温2h进行烘干，并在100150保存，随用随取
24、。 对于任何厚度钢板的焊接，均需预热。刚性较小的结构，如容器纵、环缝封底焊，预热温度为150180。刚性较大的结构，如容器上大口径接管的焊接，预热温度为180230 点固焊时，由于冷却速度快，热影响区更容易出现冷裂纹，并可能扩展到母材或焊缝。所以点固焊时预热温度不能低于200，点固焊缝应有足够的长度和厚度。,c）18MnMoNbR钢埋弧焊 使用的焊丝为H08Mn2MoA配用HJ250或焊丝H08Mn2NiMoA配用HJ350。 18MnMoNbR钢埋弧焊的主要问题也是冷裂纹。所以，焊丝在使用前要除油除锈，焊剂应在300350 保温2h烘干，坡口周围要清理干净。工件在焊前要预热到180200。
25、对于多层连续焊接应注意控制层间温度，不可高于300，以免焊缝韧性下降。,第7章 常用金属材料的焊接,7.3 耐热钢的焊接 按照组织分类，耐热钢可分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢等。其中以CrMo为基的低合金珠光体耐热钢是世界各国广泛应用的传统耐热钢。这类钢除具有较好的抗氧化性和热强性外，还具有良好的抗硫和抗氢腐蚀性能，故在500一600中温环境下的石油、化工和蒸汽动力等设备中应用甚多。这类钢中的Cr含量一般不大于5，大多含Mo为0.5，随着Cr、Mo含量的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性也增加。钢中加入少量V、W、Nb、Ti后，可进一步提高热强性。常用钢号
26、及其适用温度如表5-5所示。,第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属材料的焊接,(1)珠光体耐热钢的焊接性 低合金珠光体耐热钢，通常以正火态供货和使用，其焊接件类似于普低钢中的低碳调质钢。焊接中主要存在淬硬、冷裂、再热裂纹和回火软区化等问题，其焊接性较差。,第7章 常用金属材料的焊接,(2)珠光体耐热钢的焊接工艺要点 焊前准备 采用热切割制备坡口，板厚大于15mm时应进行不低于150的预热，以防淬硬或冷裂纹。切割后表面应进行磁粉探伤，发现裂纹应打磨除掉。 以150400的较高温度进行预热，焊后应适当保温缓冷，点焊处亦应预热150以上。 焊后进行680760回火
27、热处理，以消除应力、降低淬硬区硬度。,第7章 常用金属材料的焊接,手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊和电渣焊均可采用。但以埋弧焊和手工电弧焊应用最多。 按等成分原则选用焊条，以保证耐热性能。其焊条一般均为抗裂性好的低氢型焊条。 在补焊或焊后不能进行热处理时，可以选用奥氏体钢焊条，以防冷裂纹产生和提高塑性与韧性。但使用奥氏体钢焊条，要注意在长期高温下会存在碳的迁移和相脆性问题。 不同钢号珠光体耐热钢的焊条选择、预热和焊后回火温度见表5-5。,7.4 低温钢的焊接 一、对低温用钢的要求 对低温用钢最重要的性能是在工作温度下有足够的韧性，即低温用钢在最低工作温度下的冲击韧度必须满足产品技术条件的要求
28、和有关标准的规定。 影响低温韧性的因素很多，包括钢的化学成分、纯度、显微组织、晶粒度与热处理状态等。,第7章 常用金属材料的焊接,钢在常用元素Mn、Ni及碳（氮）化物形成元素有利于提高钢的低温韧性，而C、S、P及氧则使钢的低温韧性下降。 C增加钢材的硬度，促进硫的偏析，故钢中Wc越高，tcr越高。因此低温用钢应适当提高含锰量，并严格限制S和P含量。 镍是提高低温韧性的重要元素，它的作用大约是Mn的5倍，在低温用钢中，含碳量占有重要地位。 严格控制C、S、P的含量，才能充分发挥Ni的有利作用/晶粒度对铁素体型低温用钢的低温韧性有明显的影响，钢中加入适量能细化晶粒的元素（如V、Ti、Nb、Al）可
29、有效地提高低温韧性。,第7章 常用金属材料的焊接,热处理可以改变钢的组织，所以对低温韧性也有明显的影响。 正火可细化晶粒，调质处理可以获得铁素体+粒状碳化物组织，二者都可提高钢的低温韧性。 低温用钢的类型很多，常用低温用钢的牌号16MnDR09MnNiDR（WNi=0.5%）9%Ni,第7章 常用金属材料的焊接,二 低温用钢的牌号、成分及性能特点,第7章 常用金属材料的焊接,表7-20 低温钢的化学成分,第7章 常用金属材料的焊接,表7-21 低温钢的力学性能,第7章 常用金属材料的焊接,三 低温用钢的焊接性分析及焊接工艺要点 1.低温用钢的焊接性无镍低温用钢的Mn/C，且对C、S、P控制严格
30、，对冷、热裂纹的敏感性都很低。含Ni钢有回火脆性，需要注意控制焊后回火温度及冷却温度。,第7章 常用金属材料的焊接,2.低温用钢焊接工艺特点 1）为了防止过热区晶粒粗大而导致低温韧性下降，焊接时要求采用小线能量，必要时可采用快速多道焊的施焊方法。 2）层间温度对接头低温韧性有明显的影响，在多层多道焊过程中，应尽量保持较低的层间温度。 3）焊缝的韧性与焊接材料有密切关系，由于焊缝是铸造组织，要保证低温韧性与母材相匹配，必要时需对焊缝成分做些调整， 4）9%Ni钢本身具有良好的低温韧性，可在-196下工作，但用母材成分相近的焊接材料时，焊缝的韧性非常差。多采用镍合金作填充金属。,第7章 常用金属材
31、料的焊接,一、不锈钢、耐热钢的类型 1.按用途分 （1）不锈钢 包括高铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢 （2）抗氧化钢 包括镍铬钢、高铬钢 （3）热强钢 包括高铬镍钢,第7章 常用金属材料的焊接,7.5 不锈钢的焊接 7.5.1 不锈钢、耐热钢的类型及性能特点,2.按正火状态的组织进行分类 （1）马氏体钢 马氏体钢属于热处理强化钢俗称可硬化钢。马氏体包括Cr13系及Cr12为基的多元合金化的钢。马氏体不锈钢其典型钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等、 （2）铁素体钢 使用状态下以铁素体组织为主，含Wc=11%13%的高铬钢属于此类，主要用作抗氧化剂，也可作耐热钢 （3）奥氏体钢 奥氏体
32、钢是不锈钢及耐热钢中最重要的钢类，如Cr18Ni8系列，Cr25Ni20系列 （4）铁素体-奥氏体双相钢 钢中铁素体（）占60%40%。它特殊的抗点蚀及抗应力腐蚀开裂的能力。有00Cr18Ni5Mo3Si2 00Cr22Ni5Mo3N 0Cr25Ni5Mo3N,第7章 常用金属材料的焊接,7.5.2 奥氏体钢、双相钢的焊接 一、奥氏体钢的焊接性 1.焊接接头的晶间腐蚀的问题在腐蚀介质的作用下，起源于金属表面沿晶界深入到内部的腐蚀就是晶间腐蚀。晶间腐蚀是一种局限性的腐蚀，它会导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，它是一种必须重视的危险的腐蚀现象。,第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属
33、材料的焊接,奥氏体钢产生晶间腐蚀的原因，目前比较一致的看法是，奥氏体钢在固溶状态下碳以过饱和形式溶解于固溶体，加热时过饱和的碳以Cr23C6的形式沿晶界析出。Cr23C6的析出消耗了大量的铬（Cr23C6中Wc90%）因而使晶界附近Wc降到低于所需的最低量（12%），形成了贫铬层。贫铬层的电极电位比晶粒内低得多。当金属与金属介质接触时，就形成了微电池。电极电位低的晶界成为阳极，被腐蚀溶解形成晶间腐蚀。 奥氏体钢在加热到400800时，对晶间腐蚀最为敏感。,第7章 常用金属材料的焊接,提高焊接接头耐晶间腐蚀的措施 （1）降低母材和焊缝中的含碳量 将钢中的碳降低到小于或等于其室温时在相中的溶解度，
34、这样在加热时就不会有或很少有Cr23C6析出，从而从根本上避免了贫铬层的形成。 00Cr18Ni10N H00Cr19Ni12Mo2 （2）在钢中加入稳定碳化物的形成元素，改变碳化物的类型 如向钢中加入与碳亲和力大于铬的钛、铌、钽等，这些元素将优先与碳结合而避免形成形成碳化铬，从而避免了贫铬层的产生。为此目的而加入的合金元素称为稳定剂，实际生产中以Ti、Nb最为普遍，如0Cr18Ni11Ti、0Cr18Ni11Nb及焊丝H0Cr20Ni10Ti、H0Cr20Ni10Nb等,第7章 常用金属材料的焊接,（3）焊后进行固溶处理 固溶处理可使已经析出的Cr23C6重溶于奥氏体中 （4）改变焊缝的组织
35、状态 即使焊缝由单一的相改变为+双相为了提高18-8钢的耐晶间腐蚀能力。母材选用不外乎采用18-8Ti、18-8Nb或低碳、超低碳不锈钢两种方案。,第7章 常用金属材料的焊接,2.焊接接头的刀口腐蚀刀口腐蚀是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，只发生于含有稳定剂钛、铌的奥氏体钢（如0Cr18Ni11Ti、0Cr18Ni11Nb等）的焊接接头上。腐蚀部位在热影响区的过热区，开始宽度只有35个晶粒，逐渐可扩大到1.01.5mm。腐蚀一直深入到金属内部，因形状似刀刃而得名。,第7章 常用金属材料的焊接,刀状腐蚀一般发生在焊后再次在敏化温度区间加热时，即高温过热中与中温敏化连续作用的条件下，产生的原因也和C
36、r23C6析出后形成的贫铬层有关。,第7章 常用金属材料的焊接,防止刀口腐蚀的措施有以下几点： （1）降低含碳量 最好采用超低碳不锈钢。对于稳定化不锈钢，要求Wc0.06%。 （2）减少近缝区过热 尽量选用较小的线能量，以减少过热区在高温停留的时间 （3）合理安排焊接顺序 （4）焊后进行稳定处理,第7章 常用金属材料的焊接,第7章 常用金属材料的焊接,3.应力腐蚀开裂问题 金属在应力和腐蚀性介质共同作用下，所发生的腐蚀破坏叫做应力腐蚀开裂。 奥氏体钢比铁素体钢或马氏体钢对应力腐蚀更为腐蚀。 铬-镍奥氏体大量应用的超低碳不锈钢。应力腐蚀开裂，不仅与晶体结构和容易产生滑移等原因有关，而且与这些钢种
37、产量大、用途广也有密切关系 拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂的必要条件 应力腐蚀开裂的又一特性，腐蚀介质与材料的组合上有选择性,第7章 常用金属材料的焊接,一、应力开裂特征 1.应力腐蚀裂纹的形貌焊接结构中，焊缝和焊接热影响区均可发现应力腐蚀裂纹。 外观：无明显均匀腐蚀痕迹，裂纹的分布呈龟裂或疏松的网状，在焊缝表面多以横向裂纹出现。 断面：金相照片显示，应力腐蚀裂纹的形态同树根一样，由表面向纵深方向发展，裂纹的深度比很大。 断口：典型脆性断口低碳钢、低合金钢及镍基合金，SCC多属沿晶开裂，在氯化物中的奥氏体钢，SCC多属穿晶开裂。,第7章 常用金属材料的焊接,材料,腐蚀介质,低碳钢,NaOH,水
38、溶液（沸腾）、硝酸盐水溶液、海水,等,低合金钢,NaOH,Na,2,SiO,2,（水溶液沸腾）、,HNO,3,水溶,液（沸）、,H,2,S,水溶液、海水液氨等,奥氏体不锈钢,氯化物在水溶液、海水、,H,2,S,水溶液、,NaOH,水溶液、蒸气等,铁素体不锈钢,高温高压水、,H,2,S,水溶液、海水、高温碱溶,液,2.材质与介质对产生应力腐蚀的匹配性纯金属一般不产生应力腐蚀开裂，合金在特定腐蚀环境下将产生应力腐蚀开裂,第7章 常用金属材料的焊接,3.残余拉伸应力作用产生腐蚀应力开裂的条件之一，必须存在拉伸应力。焊接接头总存在残余应力，在焊缝及附近必然存在拉伸应力，因此，焊接结构，即使不承受载荷，
39、在匹配的腐蚀介质下，会引起应力腐蚀开裂。,第7章 常用金属材料的焊接,二、应力腐蚀机理 1.SCC类型 应力阳极溶解开裂（Active Path Corrosion,APC） 应力阴极氢脆开裂（Hydrogeon Embrittlent Cracking,HEC） 腐蚀机理： 阳极上：金属溶解，以离子状态溶入介质 这是APC型的SCC过程 电子在金属内部直接从阳极流入阴极 在阴极上，流入阴极电子被介质中吸收生成氢，向金属中扩散，引起脆化，此为HEC型的SCC。,第7章 常用金属材料的焊接,2.应力腐蚀开裂过程焊接件中在应力作用下，产生塑性变形，导致表面出现“滑移台阶”，使表面氧化膜发生局部破坏
40、，发现破裂，表面产生断层，暴露在腐蚀介质中的金属会因无保护快速溶解，产生应力阳极溶解型为主的应力腐蚀。SCC扩散途径 由起裂点向金属内纵深扩展，很少有分枝，直至很深处才出现分枝扩展。以穿晶形式开裂。 由起点横向扩展，形成密集树根状分枝，以穿晶开裂 为主。 由起裂点，同时向纵深和横向扩散，具有沿晶扩展特点。,第7章 常用金属材料的焊接,三、应力腐蚀开裂的影响因素与防止措施 1.正确选用材料 2.正确选用焊材 3.焊接工艺 4.消除应力处理 5.表面处理 6.组装严格控制组装质量，减少焊接件的残余应力 7.消除产品的残余应力 消除或减少结构或部件中的残余应力，是降低奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂敏感性的
41、重要措施。 8.对材料部件结构及接头设计,第7章 常用金属材料的焊接,4.焊接接头的热裂纹问题 （1）裂纹产生的原因 奥氏体钢对热裂纹比较敏感，主要是由冶金因素决定的 1）由于奥氏体是单相组织、焊接从凝固冷却到温室不发生相变，很容易形成方向性很强的粗大柱状晶组织，为低熔点物质的偏析与集中创造了条件。 2）奥氏体钢的合金元素种类多，数量大，不仅硫、磷等杂质会与铁形成低熔点共晶，合金元素之间或与杂质间作用也可形成低熔点化合物或共晶。 3）奥氏体钢的热物理性能对裂纹敏感性亦有着直接的影响。由于热导率低，热膨胀系数大，局部加热时温度分布不均匀，收缩量大等将使接头在冷却过程中产生较大的内应力。,第7章
42、常用金属材料的焊接,（2）防止焊接结晶裂纹的途径 1）严格控制有害杂质，主要是硫、磷的数量。钢中WNi越高，对硫、磷越敏感，因而越应严格控制。 2）调整焊接金属为双相组织 3）合理进行合金化 4）工艺上的措施 为降低焊缝的热裂倾向，制定焊接工艺时尽可能减少熔池过热和接头的残余应力。,第7章 常用金属材料的焊接,表8-12 常用合金元素对焊缝热裂倾向的影响,第7章 常用金属材料的焊接,表8-12 常用合金元素对焊缝热裂倾向的影响（续）,第7章 常用金属材料的焊接,图8-11 铬镍高合金钢焊缝金属的德龙组织图,第7章 常用金属材料的焊接,二 双相不锈钢的性能与焊接性特点 早期在工程实际中应用的+双
43、相不锈钢，多以奥氏体为基并含有20%30%（体积分数）的铁素体。但是由于双相不锈钢中两相的比例对性能有明显的影响，只有当比例适当时，在性能上才具有一系列的优点。目前广泛应用的+双相不锈钢，含有约50%的奥氏体和约50%的铁素体。,第7章 常用金属材料的焊接,1. 双相不锈钢的耐应力腐蚀性能 和奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有强度高、对晶间腐蚀不敏感、较好的耐点蚀性能的特点，并具有优良的耐应力腐蚀性能。,第7章 常用金属材料的焊接,（1）双相不锈钢耐应力腐蚀的原因 +双相不锈钢的屈服强度比18-8型奥氏体钢高，在应力相同时，+双相不锈钢不易产生大的晶粒滑移现象，表面膜不易破裂，应力腐蚀裂纹难以形
44、成。 +双相不锈钢耐点蚀能力强，不易形成点蚀，因而也减少了以点蚀为起点的应力腐蚀裂纹源。 +双相不锈钢中第二相的存在，对应力腐蚀裂纹的扩展有机械屏障或阻挡的作用。它可以阻止裂纹向前发展，也可以使扩展中的裂纹改变方向，从而大大延长了应力腐蚀裂纹的扩展期。,第7章 常用金属材料的焊接,（2）影响双相不锈钢耐应力腐蚀的主要原因 1）双相比例大小的影响研究表明当/相比例接近1时的效果最佳 2）热处理的影响 低温加热（350550）时,可能产生“475”脆性。“475”脆性将促进双相钢产生应力腐蚀。 中温加热（600900）特别是在800加热，会出现脆性的相，含Mo的不锈钢还会出现相，这些相的产生将促使
45、耐应力腐蚀能力下降。,第7章 常用金属材料的焊接,3）化学成分的影响WNi提高到6%8%（钢中相的体积分数约为40%50%）耐应力腐蚀能力最佳。Ni的作用主要是通过改变相的组成来实现。 N对双相不锈钢耐应力腐蚀性能具有良好的作用。N提高了钢的耐点蚀性能，从而防止了以点蚀为起源的应力腐蚀产生，N在表面膜中富集，改变了表面膜的钝化能力，使裂纹不易产生。 Mo能显著提高双相不锈钢耐点蚀的性能。 Si对于钢在MgCl2、CaCl2介质中的耐应力腐蚀是有益的，但对在高温水中的耐应力腐蚀是有害的,第7章 常用金属材料的焊接,2 双相不锈钢的焊接特点 （1）Cr18型双相不锈钢的焊接特点00Cr18Ni5M
46、o3Si2钢的焊接性良好，焊接裂纹倾向低，焊接接头具有与母材相近的力学性能和耐蚀性能，可采用焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊等方法焊接。焊前不需预热，焊后不需热处理。可采用E316L、E309、E347焊条及H00Cr18Ni14Mo2焊丝00Cr18Ni6Mo3Si2Nb钢作为焊接用填丝。00Cr18Ni6Mo3Si2Nb钢焊接性与00Cr18Ni5Mo3Si2相似。,第7章 常用金属材料的焊接,（2）Cr21型双相不锈钢的焊接特点 属于Cr21型双相不锈钢的主要牌号有0Cr21Ni5Ti、0Cr21Ni6Mo2Ti、00Cr22Ni5Mo3N等。 Cr21型双相不锈钢具有良好的冲击韧性
47、，在大多数介质中。耐均匀腐蚀和耐点蚀腐蚀性能（在MgCl2、CaCl2中）均优于00Cr17Ni13Mo、00Cr18Ni14Mo3、00Cr18Ni5Mo3Si2等钢。比185型钢要好得多。 Cr21型双相不锈钢与Cr18型一样，由于裂纹倾向很低，不需预热和焊后热处理。适用的焊接方法有钨极氩弧焊和焊条电弧焊。钨极氩弧焊时推荐用H00Cr18Ni14Mo2做填充材料，焊条电弧焊时推荐采用E309MoL焊条。施焊时，为了防止近缝区晶粒粗化，应尽量使用低的线能量焊接。,第7章 常用金属材料的焊接,（3）Cr25型双相不锈钢的焊接特点 Cr25型双相不锈钢分为三类：不含Mo的；含Mo的；含Mo、N的
48、。 不含Mo的Cr25型双相不锈钢，由于Ni含量较低。正常状态下含30%40%的奥氏体和60%70%的铁素体。如00Cr25Ni5Ti双相不锈钢。 00Cr25Ni5Ti双相不锈钢具有良好的焊接性，既可采用钨极惰性气体保护焊，也可采用焊条电弧焊，不需进行预热和焊后热处理。,第7章 常用金属材料的焊接,00Cr26Ni6Ti焊接后，焊缝和热影响区会出现单相铁素体组织，且晶粒粗化，此时无论是耐蚀性能还是力学性能均趋于恶化。若必须进行焊接时建议采用Cr-Ni奥氏体焊丝或焊条，焊接工艺与常用的Cr-Ni奥氏体钢相同。,第7章 常用金属材料的焊接,含Mo的Cr25Ni5型双相不锈钢，如00Cr26Ni7
49、Mo2Ti钢系在00Cr26Ni6Ti中加入WMo=2%的一种不锈钢。Mo的加入。使钢具有双相组织和起到强化作用。此钢的强度也比00cr26Ni6Ti高，屈服强度约为18-8型的两倍，而且具有一定的韧性。00Cr26Ni7Mo2Ti钢经=1200高温加热（或焊后）有出现单相铁素体组织的倾向，但钢中含有稳定化元素Ti，故此钢无产生晶间腐蚀的危险。同其它双相不锈钢一样，具有良好的耐应力腐蚀的能力，特别是在含Cl-的水介质中，此钢对耐点蚀诱导的应力腐蚀性能远比18-8奥氏体不锈钢优越。00Cr26Ni7Mo2Ti的焊接与00Cr26Ni6Ti钢相同。,第7章 常用金属材料的焊接,含Mo、N的Cr25型双相不锈钢，如00cr25Ni6Mo3N是双相不锈钢中耐局部腐蚀，特别是耐点蚀最好的一种，耐应力腐蚀的能力也优于一般Cr-Ni奥氏体不锈钢，特别适用于耐稀硫酸及各种氯化物水溶液的腐蚀。具有高强度、焊接性好的特点。适合于制造石油、化工和动力工业中以河水、地下水和海水为冷却介质的热交换设备。,
