奥氏体不锈钢的焊接.ppt

奥氏体不锈钢在加热到400~800℃时，对晶 间腐蚀最为敏感，此温度区间称敏化温度 区。 当温度低于400℃是，碳原子的活动能 力很弱，Cr23C6析出困难而不会形成贫铬层； 当温度高于800℃是，晶粒内部的铬获 得了足够的动能，扩散到晶界，从而使已 形成的贫铬区消失。
当温度在400-800℃之间，既有利于 Cr23C6的析出，晶内的铬原子又不能扩散 到晶界，最容易形成贫铬层，对晶间腐蚀 也最敏感。 如果在400～800℃温度区间加热足够 长的时间，晶内的铬原子也可以扩散到晶 界使贫铬层消失。
（3）奥氏体不锈钢 室温组织为奥氏体 它是在高铬不锈钢中加入适当的镍（镍的 质量分数WNi为8％～25％）而形成的。其主 要合金元素是铬、镍。 奥氏体不锈钢属于耐蚀钢，它有更优良的 耐腐蚀性，强度较低，而塑性、韧性极好， 焊接性能良好。是目前工业上应用最广泛 的不锈钢。 主要用作化工容器、设备和零件等。
③ 合理安排焊接顺序 刀口腐蚀不仅产生于焊后在敏化温度 再热时，而在多层焊与双面焊时后一焊缝 的热作用，有可能对先焊焊缝的过热区起 到敏化温度加热作用，在于腐蚀介质接触 时也会产生刀口腐蚀。 ④ 焊后进行稳定化处理 使过热区的碳与稳定剂结合为稳定的 碳化物，从而不会再以Cr23C6的形式析出。
1Cr18Ni2Mo2Ti不锈钢焊接接头的刀状腐蚀
（2）超高纯度铁素体不锈钢 通过真空或保护气体精炼技术炼出超低碳 和超低氮含量（C和N总质量分数≤0.025 ％～0.035％）的超高纯度铁素体不锈钢， 其典型牌号有00Cr18Mo2和00Cr27Mo等。这 类钢不论在韧性、耐蚀性还是焊接性等方 面均优于普通纯度的铁素体不锈钢，并得 到了广泛的应用。
（二）不锈钢的性能 1.不锈钢的物理性能 与焊接有关的物理性能主要有： （1）不锈钢的热导率低于碳钢，尤其是奥氏 体不锈钢的热导率，约为碳钢的1/3。 （2）不锈钢的电阻率高，尤其是奥氏体不锈 钢的电阻率，约为碳钢的5倍。 （3）奥氏体不锈钢的线膨胀系数比碳钢约大 50％，马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线 膨胀系数大体上与碳钢相等。
（2）消除残余应力 （3）对材料进行防腐措施 （4）改进部件结构及接头设计
二、奥氏体不锈钢的焊接性
奥氏体不锈钢焊接时存在的主要问题是：
（1）焊缝及热影响区热裂纹敏感性大； （2）接头产生碳化铬沉淀析出，耐蚀性下降； （3）接头中铁素体含量高时，可能出现 475℃脆化或σ 相脆化。
（一）焊接接头的抗腐蚀性 奥氏体不锈钢焊接容易造成降低焊接接 头抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力。 1.晶间腐蚀 （1）焊缝的晶间腐蚀 多层多道焊时，前面已焊焊缝处于敏化 温度区时，会产生贫铬。使用时接触腐蚀 介质，就会发生晶间腐蚀。防止焊缝晶间 腐蚀，可选用含钛或铌稳定剂的奥氏体不 锈钢焊接材料，也可选用超低碳焊接材料
在焊接过程中防止热裂纹的形成。
当铁素体的体积分数在30％～60％时， 不锈钢具有特殊的抗点蚀、抗应力腐蚀的 性能，如00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr26Ni5Mo2 等牌号，这类钢的屈服点约为一般奥氏体 不锈钢的两倍。 主要广泛应用于化肥厂和化工厂等设备装 置，其机械加工、冷冲压和焊接性能良好， 且具有较好的耐蚀性能。
（4）奥氏体不锈钢的密度大于碳钢，马氏体 不锈钢和铁素体不锈钢的密度稍小于碳钢。 （5）奥氏体不锈钢没有磁性，马氏体不锈钢 和铁素体不锈钢有磁性。 2.不锈钢的耐腐蚀性能 金属受腐蚀介质的化学及电化学作用而损 坏的现象称为腐蚀。 不锈钢的腐蚀形式有均匀腐蚀（整体腐 蚀）、晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应 力腐蚀等。
一、奥氏体不锈钢的分类及性能 （一）不锈钢的分类 1、按其合金元素的特点分，可划分为铬 不锈钢和铬镍不锈钢。 2、按其正火状态下钢的组织状态分，可 划分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥 氏体不锈钢和奥氏体-铁素体型不锈钢。 （1）马氏体不锈钢 室温组织为马氏体
铬的质量分数较高(13%~17%),碳的质量 分数也较高(0.1%~1.1%)。马氏体不锈钢 具有一定的淬硬性、耐酸腐蚀性和较好的 热稳定性及热强性。 主要用于力学性能要求较高、且在弱腐 蚀介质中工作的零件和工具，也可作为温 度在700℃以下长期工作的耐热钢使用， 如汽轮机的叶片、内燃机排气阀和医疗器 械等。 这类钢的焊接性较差，其典型牌号的钢 板有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。
材料，还可以选用焊缝有少量铁素体组织的 焊接材料和熔合比。
0Cr18Ni9不锈钢晶间腐蚀
图4-5-2奥氏体不锈钢接头的晶间腐蚀 a-焊缝晶间腐蚀；b-敏化区腐蚀；c-刀状腐蚀
（2）热影响区的敏化温度区的晶间腐蚀 由于焊接热循环的加热速度和冷却速度 都非常快，因此焊接热影响区的敏化温度 区略高于热处理敏化温度区，在 600~1000℃范围内。 防止热影响区晶间腐蚀的措施：选用含 钛或铌的奥氏体不锈钢母材；在焊接工艺 上选用小热输入焊接、快速冷却的焊接工 艺等；以减少在敏化温度区范围的停留时 间，减少晶界Cr23C6产生。
（4）采用小热输入，小电流快速不摆动焊， 可减小焊接应力。 （5）填满弧坑，可防止弧坑裂纹。 （6）选用双相组织焊条，使焊缝形成奥氏体 及少量铁素体的双相组织，以细化晶粒， 打力腐蚀 应力腐蚀的最大特点之一是腐蚀介质与 材料的组合上有选择性。 防止应力腐蚀的措施 （1）正确的选用材料 （2）合理地设计焊接接头，避免腐蚀介质在 焊接接头部位聚集，降低或消除焊接接头 应力集中。 （3）消除或降低焊接接头的残余应力。
消除焊接残余应力的焊后热处理，以及焊接工艺上采取措施减小残余应力。
§4-5
奥氏体不锈钢的焊接
奥氏体钢 的焊接
奥氏体钢的 分类及特点
奥氏体钢的 焊接性
奥氏体钢的 焊接工艺
不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及
其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的、具有高度 化学稳定性的合金钢的总称。 不锈钢实际上是不锈钢和不锈耐酸蚀钢的 总称。 在空气或弱介质中能抵抗侵蚀的钢称为 不锈钢； 在某些强腐蚀介质中能抵抗侵蚀的钢称 为不锈耐酸蚀钢。 不锈钢不一定能耐（酸）腐蚀，而耐蚀钢 一定具有良好的耐蚀性。
典型牌号的钢板0Cr18Ni9,00Cr19Ni10， 1Cr18Ni9,1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni10Ti， 18Ni11Nb, 1Cr18Ni12,0Cr18Ni12Mo2Ti， 0Cr25Ni20,0Cr23Ni13等。 （4）奥氏体-铁素体不锈钢 室温组织为奥氏体+铁素体 与含碳量相同的奥氏体不锈钢相比，具有较 小的晶间腐蚀倾向和较高的力学性能，且 韧性比铁素体不锈钢好。同时，由于少量 铁素体的存在，还有利于奥氏体不锈钢
（1）均匀腐蚀 接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀 的现象，称为均匀腐蚀，也称整体腐蚀。 它是一种表面腐蚀。不锈钢具有良好的耐 腐蚀性能，它的均匀腐蚀量并不大。 （2）晶间腐蚀 在腐蚀介质作用下，起源于金属表面的 晶界，沿晶粒边界深入金属内部，产生在 晶粒之间的一种腐蚀，称晶间腐蚀。
① 产生晶间腐蚀的机理 晶粒边界的铬的质量分数降至12%以下， 即在晶间形成铬的质量分数小于12%的贫铬 区，因此晶间在腐蚀介质作用下发生腐蚀。 产生晶间贫铬的原因是:奥氏体钢在固溶状 态下碳以过饱和形式溶解于γ 固溶体中， 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，因而使 晶界附近ω Cr降到低于钝化所需的最低量 12%，形成了贫铬层。贫铬层的电极电位比 晶粒内低得多。当金属与腐蚀介质
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。
图4-5-1 晶间腐蚀贫铬理论示意图
② 防止晶间腐蚀的主要措施： （1）采用超低碳不锈钢 （2）采用双相组织 （3）添加稳定剂 （4）进行固溶处理 （5）进行均匀化处理 ③ 防止晶间腐蚀的工艺措施： （1）选择合适的焊接方法 即热输入最小，让 焊接接头尽可能地缩短在敏化温度区间停 留时间；
（4）缝隙腐蚀 缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状 或溃疡形宏观蚀坑，常发生在垫圈、铆接、 螺钉连接缝、搭接的焊接接头等部位。主 要是由介质的电化学不均匀性引起的。 适当加入铬、钼含量可以改善抗缝隙腐蚀 的能力。实际上只有采用钛、高钼镍基合 金和铜合金等才能有效地防止缝隙腐蚀的 发生。
（5）应力腐蚀 它是指在静拉伸应力和电化学腐蚀介质 共同作用下，因阳极溶解过程引起的腐蚀 断裂。产生应力腐蚀开裂的影响因素： （1）应力性质、大小及结构特点。 （2）钢的成分和组织状态。 （3）腐蚀介质的种类、温度、浓度等。 防止应力腐蚀的措施： （1）正确的选用材料
（2）铁素体不锈钢 室温组织为铁素体 铬的质量分数较高(13%~30%)，碳的质量 分数较低(低于15%)。此类钢的耐酸能力强； 加入钼后，则可以提高耐酸腐蚀性和抗应 力腐蚀的能力。此外，还有很好的抗氧化 能力，强度低，塑性好， 主要用于制作化工设备中的容器、管道 等，广泛用于硝酸、氮肥工业中。 典型牌号的钢板有00Cr17Mo、00Cr30Mo2 、00Cr12、1Cr17、1Cr17Mo等。
大，热裂纹的产生主要有两种形式，分别为 结晶裂纹和液化裂纹。 防止热裂纹的措施： （1）严格限制焊缝中硫、磷等杂质元素的质 量分数，以减少低熔点共晶杂质。 （2）选用碱性焊条和焊剂，以降低焊缝中的 杂质含量，改善偏析程度。 （3）控制焊接电流和电弧电压大小，适当提 高焊缝形状系数；采用多层多道焊，避免 中心线偏析，可防止中心线裂纹。

18-8型奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感区 温度与时间对应关系曲线
（3）熔合线和过热区的“刀蚀” 使用时，在一定的腐蚀介质作用下，将 从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀状 腐蚀的破坏，简称“刀蚀”。 防止“刀蚀”的措施： ① 选用超低碳奥氏体不锈钢母材，对于稳定 化不锈钢，要求Wc≤0.06%。 ② 减少近缝区过热，尽量选用小的线能量， 以减小过热区在高温停留的时间。
根据其C和N的总含量分，铁素体不锈钢分 为普通纯度铁素体不锈钢和超高纯度铁素 体不锈钢两种。 （1）普通纯度铁素体不锈钢 其碳的质量分数wc为0.1％左右，并含有 少量的氮，其典型的牌号为1Cr17Mo等。与 奥氏体不锈钢相比，缺点是材质较脆，焊 接性较差。其主要原因是其中碳和氮的总 质量分数较高、在高温加热条件下造成钢 的脆性转变温度升高。