奥氏体不锈钢的焊接特点及焊接工艺

邵艳庆王荆波王保涛刘胜利李树军

渤海装备石油第一机械厂生产保障中心河北沧州062658

摘要：通过对奥氏体不锈钢的焊接特点及焊接工艺进行全面的分析,指出奥氏体不锈钢在焊接过程中出现的焊接问题,如晶间腐蚀、热裂解、应力腐蚀开裂和焊缝成型,等。奥氏体不锈钢的焊接质量可以通过制定科学合理的焊接工艺,如焊条选择、焊接工艺参数、焊后处理等方面确保奥氏体不锈钢的焊接质量。

关键词：奥氏体不锈钢；焊接特点；焊接工艺

1前言

不锈钢是含铬量超过12%的钢。铬在钢中的作用是在钢表面形成一种坚固的高密度的Cr2O3薄膜，它使钢本身与大气或腐蚀性介质绝缘。在此基础上，添加一定数量的元素，如镍、钛、Nb、W等，可形成一种特殊的耐蚀性，耐高温氧化性，具有一定的性能，如各种不锈钢的高温强度。根据其显微结构，通常可分为铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体+铁素体型和沉淀硬化型不锈钢5种类型。奥氏体不锈钢通常在常温下是纯奥氏体，也有一些为奥氏体+少量铁素体,这种少量铁素体有助于防止热裂纹。奥氏体不锈钢因焊接性良好,在化工、石油容器等行业应用较为广泛。

2奥氏体不锈钢的焊接特点分析

奥氏体不锈钢塑性韧性好，热冷处理性能好，可焊接性优于其它类型的不锈钢(铁素体不锈钢，马氏体不锈钢，F-A双工不锈钢)，因此奥氏体不锈钢在实践中应用最为广泛。但奥氏体不锈钢的导热系数小,熔点低,线膨胀系数大,如果焊缝金属高温长时间,很容易形成厚的铸的结构,并产生很大的应力和变形等。当焊接材料和焊接工艺不正确,也可能有热裂纹或晶间腐蚀等缺陷。

2.1焊接接头的热裂纹

原因分析：奥氏体不锈钢具有高热裂纹敏感性，在焊缝和热区有热裂的可能。首先,这是上面提到的奥氏体不锈钢的物理性质决定了它在该地区的焊接接头不能停留很长一段时间,否则,焊缝和热影响区将承担大型拉伸应力和应变;其次,它是在焊接的过程中凝固温度范围非常大,一些低熔点杂质元素将严重偏析并在晶界聚集,在一定的拉应力作用下起裂、扩展形成晶间裂纹。由此可见，焊接区较大的焊接应力是形成焊接热裂纹的必要条件之一。

防止措施：低氢型焊条或焊丝的选择可以使焊缝晶粒细化，减少杂质的分离，提高金属的热裂纹性能，而低氢含量使金属的非金属夹杂物更少，具有较高的韧性。调整焊接金属的化学成分。对各种合金元素的综合考虑，通过提高铬、硅、锰、钼等元素的含量，降低了C、S、P、镍等元素的含量，降低了热裂纹的含量。由于熔池过热，应采用合理的焊接参数，以避免因熔池过热而形成粗大组织。

2.2焊缝成形不良

原因分析：当奥氏体的不锈钢在进行焊接时，由于焊缝中高合金元素含量，熔池流动性差，易导致焊缝表面成形不良的问题。主要表现在根部焊道背面成形恶化及盖面焊道表面粗糙。在正常温度或高温性能的工况下，对焊缝成形的不利影响是不明显的，但在低温条件下，其不良的形成应力集中，对焊缝低温性能的影响不亚于焊缝内部质量的影响。

防止措施：通过选用科学合理的焊接工艺可以，可以对焊缝成形不良以及焊接热影响区的晶间腐蚀问题进行很好的解决。采用钨极氩弧焊和小的焊接线能控制热影响区处于敏化温度区间的范围。

2.3晶间腐蚀

原因分析：晶间腐蚀主要发生在晶粒的边界上，因此被称为晶间腐蚀。它是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏方式。它的特点是在晶界内腐蚀，并导致金属机械性能和耐腐蚀性能的降低。奥氏体不锈钢在450～850℃温度范围内停留一段时间后,在晶界沉淀Cr23C6,其中的铬主要来自晶粒表层,内部的铬如来不及补充,会使晶界晶粒表层的含铬量下降而形成贫铬区,在强腐蚀介质的作用下,晶界贫铬区受到腐蚀就会形成晶间腐蚀。不锈钢受到颗粒间的腐蚀，表面上没有明显的变化，但在压力的时候，它会断裂，几乎会使其强度完全丧失。

防止措施：用于稳定元素的不锈钢电焊，如超低碳小于0.03%，增加了钛或铌等稳定元素的不锈钢焊条。采用小规格，其目的是为了减少危险温度范围停留的时间，使用小电流，快速焊接和短弧焊接，在此过程中不进行横向摆动。焊接可以采用强制冷却(如铜垫板和水冷)来加速焊接接头的冷却速度，减少热影响区。在进行多层焊接时，温度应在各层之间进行控制，在60℃以下冷却时再焊接。焊接在焊缝的末端焊接。焊后固溶处理。接触介质的那面焊缝最后焊接。焊后固溶处理。将工件加热至1050～1150℃后淬火,使晶界上的Cr23C6溶入晶粒内部,形成均匀的奥氏体组织。

2.4应力腐蚀开裂

原因分析：应力腐蚀裂纹是在某一腐蚀环境下，焊接接缝处的拉伸应力引起的一种延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头的严重失效形式，主要表现为无塑性变形的脆性破坏。

防止措施：建立合理的成形工艺和装配工艺，尽可能减少变形和冷却程度，避免强制装配，防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕,都会成为SCC的裂源,易造成腐蚀坑)。合理选择焊接材料。焊缝应与母材相匹配，不得产生不理想的不良组织，如晶粒粗糙度和硬脆的马氏体等。采用合适的焊接工艺。确保焊缝成形，不会产生应力集中或点腐蚀的缺陷；采用合理的焊接顺序，减少焊接残余应力。消除应力处理。焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。

3奥氏体不锈钢的焊接工艺

根据前文不锈钢的焊接特点,为了确保接头的质量,焊接工艺在此过程中显得十分重要:

焊接前准备。所有可能导致焊缝金属增加碳的污染都必须消除。在焊接槽和焊接区域前，用丙酮或酒精去除油和水。不要用碳钢钢丝刷清洗槽和焊缝表面。清渣和除锈等应选用用砂轮、不锈钢钢丝刷。

（2）电焊的焊条必须存放在一个干净的仓库里。在使用中，电焊应该放置在焊条筒内，要避免用手接触焊条药皮。

（3）在焊接过程中，对于焊接薄板和拘束度较小的不锈钢焊件，氧化钛型药皮焊条通常为主要选用的焊条，由于这类焊条的的电弧稳定，并且焊缝形状美观。

（4）对于垂直的焊接和焊接位置，应该使用氧化钙的焊条。熔渣迅速凝固，在熔焊金属熔化过程中起着一定的作用。

（5）当气体保护焊和埋弧焊的自动焊接时，铬锰含量需要采用于高于母材的焊丝，以弥补焊接过程中合金元素的损失。

（6）焊接过程中，焊接必须保持低通过温，最好不要超过150℃。当不锈钢板焊接时，为了加速冷却，焊缝表面可以被吹出或压缩空气，但必须注意清洗层间，以防止压缩空气污染焊接区。

（7）在进行手工电弧焊时,焊接电流要控制在焊条说明规范中指定的电流范围内进行手工弧焊。由于大型不锈钢电阻往往比较大,靠近夹持端的一段焊条容易受电阻热的作用而发红,在焊至后半段焊条时应加快熔化速度,使焊缝熔深减少,但熔化速度太快又会造成未熔合和熔渣等缺陷。在焊接时需要对接头的耐腐蚀性进行考虑，需要选择较小的焊接电流，减少焊接的热输入，从而避免焊接热影响区的过热问题的出现。

（8）窄焊道工艺技术通常是操作技术上主要采用的技术，焊接速度应在不摆动焊焊条的情况下，尽可能提高焊接速度。

（9）不锈钢焊接后通常不进行消除应力处理。尽管在焊接过程中，由于焊接的良好塑性和韧性，在焊接过程中存在着较高的残余应力，但残余应力的有害影响明显减小。更重要的是，应力处理的温度范围在不锈钢的敏感温度区，消除应力处理可以降低耐蚀性。因此，不锈钢焊接后焊接的目的不是为了消除接头的残余应力，而是为了提高接头的耐腐蚀性能。主要是固溶和稳定处理。

4结语

采用上述焊接工艺，使得奥氏体不锈钢不锈钢的焊接质量得到显著的提高。奥氏体不锈钢在焊接过程中，必选要确保焊工具有良好的技术，因此焊工必须经过培训上岗的测试和认可方可工作，以确保焊接接头和耐腐蚀性的焊接质量。

参考文献

[1]王恒.核电站建造过程中奥氏体不锈钢的焊接质量问题及对策[J].电焊机,2011,10:83-87.

[2]李敬霞.Cr15Mn9Ni1N奥氏体不锈钢的焊接及接头性能[D].兰州理工大学,2009.

[3]孙咸.铬镍奥氏体不锈钢的焊接质量问题及对策[J].机械工人,2006,02:22-26.

[4]戴德平.奥氏体不锈钢焊接接头残余应力的数值模拟研究[D].重庆大学,2016.