Cr18双相不锈钢焊接性能分析与工艺探讨 - 副本

1 Cr18 双相不锈钢焊接性能分析
Cr18 双相不锈钢是一种超低碳型双相不锈钢，其 化学成分见表 1。
收稿日期：2011－01－27
表 1 Cr18 双相不锈钢化学成分
类型
牌号
化学成分（质量分数 /%） C Cr Ni Mo Si Mn N
Cr18 00- Cr18Ni5Mo3Si2 ≤0.03 18~19.5 4.5~5.5 2.5~3.0 1.3~2 1~2 ≤0.10
目前，随着产品质量要求和行业标准的不断提高， 在林业机械和木工机械设备的设计和制造中，不锈钢 材料的使用比率出现逐渐上升的趋势。很多实例证明， 机械设备及其零部件的失效，并不是因为其材料的物 理和力学性能不能满足要求，而是由于在大气、酸、碱 条件下长期工作的设备及其零部件受到了腐蚀所致。 因此，在机械设备的设计和制造中，不锈钢的不可代替 性凸现出来。双相不锈钢（A+F）是不锈钢系列中极为重 要的钢种，而 Cr18 双相不锈钢又是双相不锈钢系列中 使用最广、焊接性能最好的品种之一。因此，研究 Cr18 双相不锈钢的焊接性能及工艺，在实际应用中具有十 分重要的意义。
决定 Cr18 双相不锈钢（00-Cr18Ni5Mo3Si2）焊接性 能优劣的根本因素是焊接接头的组织变化。影响接头 组织变化的条件包括母材和焊接材料的化学成分及加 热与冷却速度。因此合理选择焊接材料及焊接方法，正 确制定焊接参数，是提高 Cr18 双相不锈钢焊接性能的 重要因素。
综上分析可知：Cr18 双相不锈钢的焊接性能既具 有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢各自的优点（韧性好、 强度高、焊接性能良好），也具有较高的耐中性氯化物 应力腐蚀能力，同时还具有很高的抗孔蚀、抗应力腐蚀 和缝蚀的能力。如果铁素体的比例控制合理，还可以大 大提高抗点蚀的能力，这样可节省大量的稀缺镍元素。
第 39 卷 第 4 期 2011 年 4 月
工艺技术
林业机械与木工设备 FORESTRY MACHINERY & WOODWORKING EQUIPMENT
Vo1 39 No. 4 Apr. 2011
Cr18 双相不锈钢焊接性能分析与工艺探讨
商福志 （重庆机电职业技术学院，重庆 400036）
摘 要：分析了 Cr18 双相不锈钢（A+F）的焊接特点，介绍了其在实际焊接中产生的主要缺陷与机理。在工艺 上，以焊条电弧焊和 TIG 焊接方法为重点，以在腐蚀介质条件下工作的钢管和平板材料焊接为实例，总结了 Cr18 双相不锈钢焊接工艺的要点及防止缺陷产生的措施。
1.3.1 两相比例对焊接性能的影响
δ、γ 两相的含量互相变化。如果冷却速度较慢，δ→ γ 比较充分，室温下 δ、γ 两相含量的比例较为合适，冷 却速度较慢还会导致 δ 以粗大的铁素体组织出现。两 相的含量达到最佳值时形成双相组织（不锈钢 γ+δ 相） 而打乱单相晶体组织，可以细化晶粒组织，防止热裂的 产生，同时也降低了冷裂纹的倾向，提高焊接性能。铁 素体与奥氏体含量的最佳比值为 50%±10%。
③通过舍夫勒不锈钢图可计算出 Cr18 双相不锈钢 铁素体和奥氏体的含量与两相的比例，见图 1。
④加 Ti 元素可防止不锈钢晶间腐蚀；加 AI、Si 可 提高不锈钢的抗氧化性。
1.3.3 固溶处理温度对焊缝组织的影响
100
温度 /℃
900 10000℃/h
800
5000℃/h
σ、x 相
1000℃/h
图 1 舍夫勒不锈钢图
铁素体含量与奥氏体含量比值、室温焊缝组织的 比例和形态与 Cr18 双相不锈钢的供货状态和固溶处 理温度有关。
①同一牌号的 Cr18 双相不锈钢由于固溶处理温度 不同，其 δ、γ 两相的比例也大不相同。试验表明，Cr18 双相不锈钢的最佳固溶处理温度为 980℃，此时的抗腐 蚀能力最强，无论提高或降低固溶处理温度都会改变 铁素体含量即焊缝组织结构，降低抗腐蚀能力。
51
温度 /℃
Cr2N χ相 1000 900 800 700 600 500
400
M21C6
σ相
475℃脆性
300 2min 6min 20min 1h 3h 10h 30h
图 3 双相不锈钢等温转变（TTT）图
③加热温度高、冷却速度慢将导致热影响区中近焊 缝区的铁素体 δ 变得粗大，这将改变原来的组织状态 和性能。
④加热温度高、冷却速度较快将阻止 δ 向 γ 相的转 变，δ 和 γ 的比例因冷却速度加快发生 δ 相增加的变 化。同时 γ 相不仅减少，而且形态也发生变化（针状）。 因此，冷却速度加快可使 HAZ 的高温区两相比例失调， 组织形态变差，性能变坏。
通过以上分析可知，加热与冷却速度在不同的温 度区间应采取不同的变化速度，因为速度变化在一定 程度上决定了不锈钢各种组织的比例和各相的形态， 在制定不锈钢焊接工艺时对此应引起高度重视。
③N 元素是促进奥氏体化元素，是保证两相（δ+γ） 合理比例的重要元素，合理的 N 元素含量可平衡 N 元 素的有利和有害因素。
1.3 焊缝组织对焊接性能的影响 Cr18 双相不锈钢在高温下（1150～1400°C）首先结
晶 δ，随着温度的降低 δ 开始析出 γ。在平衡条件下 δ 保存到室温，其组织为 δ+γ。
SHANG Fu-zhi
（Chongqing Electromechanical Vocational Institute, Chongqing 400036, China）
Abstract：The welding property of Cr18- type double phase stainless steel (austenite+ ferrite)is analyzed, and its main welding defects and relevant mechanisms in the actual welding operation are introduced. Technically, with focus on the shielded metal arc welding and TIG welding methods and with steel pipes and plate material welding as an example, the key points of Cr18 double phase stainless steel welding process and relevant measures for preventing defects are summarized. Key words：stainless steel; weldability; technology; probe
℃ 1100
1.3.2 化学元素对 Cr18 双相不锈钢组织的影响
焊缝组织不仅与化学成分有关，而且还与固溶状 态有关。
①影响铬当量的元素为促进铁素体生成元素，这些 元素（Cr、Si、Al、Ti、V、Nb、Mo、W）可缩小 γ 区。
②影响镍当量的元素为促进奥氏体生成元素，这些 元素（Ni、Mn、Cu、C、N）可扩大相图的 γ 区。
抗点蚀能力是衡量不锈钢抗腐蚀能力的一个重要 指标。点蚀不仅是一种特定的腐蚀形式，而且也是其他 腐蚀形式（如均匀腐蚀、缝蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀）的 诱因。Cr18 双相不锈钢中的铁素体比例如果控制合理 可以提高抗点蚀的能力，大大减少奥氏体不锈钢易腐 蚀断裂的缺陷，这正是双相不锈钢使用日益广泛的主 要原因。
1.1 含碳量对焊接性能的影响 ①Cr18 双相不锈钢含碳量 W（C）≤0.03，在其他条
件相同的情况下，超低碳型合金的焊接性能比较好，随 着含碳量的增加，其焊接性能会逐渐变差。
②当碳含量小于 0.1%时，才能从液体中直接结晶 出 100%的 δ 相且不发生包晶反应。
③S、P 有害元素在 δ 铁素体的溶入量远远大于 S、 P 在 γ（奥氏体）相里的溶入量。因此，随着 C 的增加，当 碳含量大于 0.1%时液体开始结晶出 γ 相，液体的含 S、 P 量增高，热裂纹增加。Cr18 双相不锈钢是超低碳型合 金，高温析出 100%的 δ 相，可完全消除 S、P 产生热裂 的倾向。
④C 元素是促进奥氏体化元素，是造成合金腐蚀最
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有害的化学成分，其与 Cr 结合可生成富 Cr 碳化物，形 成“贫 Cr 区”而引起晶间腐蚀。
1.2 含氮量对焊接性能的影响 N 元素是仅次于 C 的引起不锈钢腐蚀第二位有害
元素。腐蚀机理与碳相同，与 Cr 结合可生成富 Cr 氮化 物，形成“贫 Cr 区”而引起晶间腐蚀。
②将固溶处理温度提高到 1250℃，γ 晶粒长大，γ→ δ，δ 含量增加，耐腐蚀能力会大大下降。
1.3.4 加热与冷却速度对焊缝组织的影响
合金金属从液态到室温经历相变过程，在这个过 程中焊缝及接头的组织不仅与化学成分有关，而且还 与冷却速度有关。
①从图 2 可知，在 600~1000℃温度区间长时间加 热（加热或冷却速度缓慢），会有 σ、x 相转变和碳化物、 氮化物及其他金属化合物析出。这些脆性析出物可使 金属组织脆化，降低不锈钢的抗腐蚀能力。
①Cr2N、CrN 和 σ 相的析出使金属的塑性和韧性大 大降低，当 Cr18 双相不锈钢的 Cu、W 元素增加，Cr2N、 CrN 和 σ 相析出更加敏感。
②N 元素在铁素体中溶解度很低（小于 0.05%），而 在奥氏体中的溶解度很高，为 0.2%~0.5%，这样就增加 了双相不锈钢中的奥氏体 γ，实际减少了 N 元素的副 作用，即减少了 Cr2N、CrN 和 σ 相析出的可能性。
N 镍当量 F+M
28
实用双相钢范围
24
γ
奥氏体区
0%5%10%
20 γ＋M
16
12
马氏体
8
M
4 Cr 当量