奧氏體型不銹鋼都具有非常好的塑性和韌性,這決定了它具有良好的彎折、卷曲和沖壓成型性,因而常常被用來(lái)制成各種形狀的構(gòu)件、容器或管道。這樣一來(lái),奧氏體不銹鋼被焊接的機(jī)會(huì)也因此比其他不銹鋼大得多。這類(lèi)鋼的韌性、塑性本來(lái)就好,又不會(huì)發(fā)生任何的淬火硬化,所以,盡管其線(xiàn)膨脹系數(shù)比碳鋼大得多,焊接過(guò)程中的彈、塑性應(yīng)力和應(yīng)變量很大,卻極少出現(xiàn)冷裂紋。奧氏體不銹鋼焊接接頭不存在淬火硬化區(qū),又由于它有很強(qiáng)的加工硬化能力,所以,即使受焊接熱影響而軟化的區(qū)域,其抗拉強(qiáng)度仍然不低??梢赃@樣認(rèn)為,只要是不誤用焊接填充材料,焊接接頭強(qiáng)度不是焊接性的重點(diǎn)。該類(lèi)鋼的熱脹冷縮特別大,所帶來(lái)的焊接性問(wèn)題,主要有兩個(gè):一個(gè)是熱裂紋問(wèn)題,這與該類(lèi)鋼的晶界特性和對(duì)某些微量雜質(zhì)如硫、磷等敏感有關(guān);另一個(gè)則是焊接變形較大的問(wèn)題。
奧氏體型不銹鋼的耐腐蝕性能特別優(yōu)良,這是其獲得最為廣泛應(yīng)用調(diào)焊接接頭的各種耐腐蝕的能力。人們針對(duì)各種腐蝕環(huán)境和腐蝕機(jī)理,選用各種耐不同腐蝕的奧氏體型不銹鋼。因此,對(duì)于相應(yīng)于每一種用于某種特定環(huán)境中的不同鋼種,焊接接頭都應(yīng)滿(mǎn)足其在特定環(huán)境中的特殊耐腐蝕性要求。于是,焊接接頭的耐腐蝕問(wèn)題自然也是焊接工作者不可回避的,必須面對(duì)的最主要問(wèn)題,也應(yīng)是不銹鋼焊管生產(chǎn)廠(chǎng)關(guān)注的主題。
奧氏體不銹鋼是使用最為廣泛的不銹鋼,這和它具有良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性能,其焊接性在高合金鋼中被認(rèn)為是最好的有關(guān)。鉻-鎳奧氏體鋼具有良好的焊接性,無(wú)淬硬性,因而在熱影響區(qū)內(nèi)無(wú)淬硬現(xiàn)象,同時(shí)也無(wú)晶粒粗大化。但在焊接中存在以下問(wèn)題:
一、碳化鉻的形成,降低了焊接接頭抗晶間腐蝕的能力
奧氏體不銹鋼焊接接頭可有三種晶間腐蝕的情況:焊縫晶間腐蝕、母材上敏化區(qū)腐蝕及刀狀腐蝕。關(guān)于奧氏體鋼晶間腐蝕的機(jī)理,一般用“貧鉻”理論來(lái)解釋。在固溶狀態(tài)下,奧氏體鋼中的碳過(guò)飽和固溶于奧氏體中。加熱過(guò)程中,過(guò)飽和的碳將以Cr23C6。的形式沿晶界析出。Cr23C6中含鉻量大大超過(guò)奧氏體基體中的含鉻量,因而使晶界附近含鉻量顯著下降,晶內(nèi)的鉻原子又來(lái)不及擴(kuò)散及時(shí)補(bǔ)充,故形成貧鉻層(Cr<11.7%).貧鉻層的電極電位比晶體內(nèi)低得很多,在腐蝕質(zhì)的作用下,電極電位低的晶界將成為陽(yáng)極,被腐蝕溶解。
1. 焊縫晶間腐蝕和母材上敏化溫度區(qū)腐蝕
18-8型不銹鋼在450℃~850℃加熱時(shí),具有晶間腐蝕傾向,這一溫度范圍稱(chēng)為敏化溫度區(qū)間。
焊縫晶間腐蝕可有兩種情況,一種情況為焊接線(xiàn)能量過(guò)大或多層焊時(shí)焊縫金屬在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)所引起,即焊接狀態(tài)下已有碳化鉻析出而形成貧鉻層;另一種情況是焊接狀態(tài)下耐蝕性良好,焊后經(jīng)受了敏化加熱的條件,因而具有晶間腐蝕傾向。
熱影響區(qū)、敏化區(qū)的晶間腐蝕傾向也是由于形成貧鉻層所致。但因?yàn)楹附訜嵫h(huán)具有快速連續(xù)加熱的特點(diǎn),碳化鉻的析出需要在更高的溫度下才能較快進(jìn)行,因此,焊接接頭的敏化區(qū)溫度范圍為600℃~1000℃,高于平衡加熱條件下的敏化區(qū)溫度450℃~850℃。
焊縫和熱影響區(qū)晶間腐蝕傾向與含碳量、加熱溫度和保溫時(shí)間等因素有關(guān)。因此,為提高焊接接頭抗晶腐蝕能力,一般宜采取以下措施:
①. 減小母材及焊縫中的含碳量,使加熱時(shí)減少或避免Cr32C6析出,消除產(chǎn)生貧鉻層的機(jī)會(huì)。例如,超低碳(C≤0.03%)不銹鋼由于含碳量較低,具有優(yōu)良的抗蝕性能,但是超低碳不銹鋼的冶煉成本高。
②. 在鋼中添加穩(wěn)定化元素鈦、鈮等,使之優(yōu)先形成MC,而避免形成貧鉻層。
③. 使焊縫形成奧氏體加少量鐵素體的雙相組織。當(dāng)焊縫中存在一定數(shù)量的鐵素體時(shí),可以細(xì)化晶粒,增加晶界面積,使晶界單位面積上的碳化鉻析出量減少,減輕貧鉻程度。鉻在鐵素體中溶解度較大,Cr2C6優(yōu)先在鐵素體中形成,而不致使奧氏體晶界貧鉻;此外,散布在奧氏體之間的鐵素體,還可能防止腐蝕沿晶界向內(nèi)部擴(kuò)展。
④. 控制在敏化溫度區(qū)間的停留時(shí)間。調(diào)整焊接熱循環(huán),盡可能縮短600℃以上的高溫停留時(shí)間,以防止焊縫及熱影響區(qū)大量析出碳化鉻。如選擇能量密度高的焊接方法(如等離子弧焊),選用較小的焊接線(xiàn)能量,焊縫背面通氬氣或采用銅墊增加焊接接頭的冷卻速度,減少起弧、收弧次數(shù)以避免重復(fù)加熱,多層焊時(shí)與腐蝕介質(zhì)的接觸面盡可能最后施焊等,均可以減少接頭的晶間腐蝕傾向。
⑤. 焊后進(jìn)行固溶處理或穩(wěn)定化退火。固溶處理可使已析出的Cr23C6重新溶入奧氏體中,但一般只適用于較小的工件。穩(wěn)定化退火是將工件加熱到850℃~900℃保溫后空冷。其作用為使碳化物充分析出,并促使鉻加速擴(kuò)散而消除貧鉻區(qū)。
2. 焊接接頭的刀狀腐蝕
刀狀腐蝕簡(jiǎn)稱(chēng)刀蝕,它是焊接接頭中特有的一種晶間腐蝕,只發(fā)生在含有穩(wěn)定劑的奧氏體鋼(如321不銹鋼、316Ti不銹鋼等)的焊接接頭中。刀狀腐蝕的腐蝕部位在熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū),沿熔合線(xiàn)發(fā)展,開(kāi)始寬度僅3~5個(gè)晶粒,逐步擴(kuò)大至1.0mm~1.5mm。因形狀如刀刃,故稱(chēng)刀狀腐蝕。
高溫過(guò)熱和中溫敏化是導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生刀蝕的重要條件。含有穩(wěn)定劑的奧氏體鋼,一般以固溶狀態(tài)供貨,此時(shí)鋼中少部分的碳固溶于奧氏體,其余大部分碳則形成TiC或NbC.焊接時(shí),在溫度超過(guò)1200℃的過(guò)熱區(qū)中,這些碳化物將溶入固溶體。由于碳的擴(kuò)散能力較強(qiáng),在冷卻過(guò)程中將偏聚在晶界形成過(guò)飽和狀態(tài),而鈦則因擴(kuò)散能力低而留于晶內(nèi)。當(dāng)焊接接頭在敏化溫度區(qū)間再次加熱時(shí),過(guò)飽和的碳將在晶間以CraC.形式析出,在晶界形成貧鉻層,使焊接接頭抗蝕性能降低。從以上分析可知,刀狀腐蝕的形成根源也在于在晶間形成貧鉻層。
防止刀蝕的措施如下:
①. 降低含碳量 這是防止刀狀腐蝕的很有效的措施。對(duì)于含有穩(wěn)定化元素的不銹鋼,含碳量最好不超過(guò)0.06%。
②. 采用合理的焊接工藝 盡量選擇較小的線(xiàn)能量,以減少過(guò)熱區(qū)在高溫停留時(shí)間,注意避免在焊接過(guò)程產(chǎn)生“中溫敏化”的效果。因此雙面焊時(shí),與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫應(yīng)最后施焊(這是大直徑厚壁焊管內(nèi)焊在外焊之后再進(jìn)行的原因所在),如不能實(shí)施則應(yīng)調(diào)整焊接規(guī)范及焊縫形狀,盡量避免與腐蝕介質(zhì)接觸的過(guò)熱區(qū)再次受到敏化加熱。
③. 焊后熱處理 焊后進(jìn)行固溶或穩(wěn)定化處理,均能提高接頭的抗刀狀腐蝕能力。
二、 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂
應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是金屬在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下所產(chǎn)生的延遲破壞現(xiàn)象,也稱(chēng)應(yīng)力腐蝕裂紋(Stress Corrosion Cracking,簡(jiǎn)稱(chēng)SCC).
鉻-鎳奧氏體不銹鋼中,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂常見(jiàn)的鋼種,有不含鈦、鈮的18-8型和17-12-Mo型鋼,其次是超低碳不銹鋼。由于介質(zhì)不同,應(yīng)力開(kāi)裂既可呈晶間開(kāi)裂形式,也可呈穿晶開(kāi)裂形式,或?yàn)榇┚Ш脱鼐Щ旌祥_(kāi)裂形式。
不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響因素很多,包括鋼材成分、組織和狀態(tài)、介質(zhì)種類(lèi)、溫度及濃度、應(yīng)力的性質(zhì)、大小以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。
防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要措施如下:
1. 正確選擇材料及合理調(diào)整焊縫成分
根據(jù)介質(zhì)特性選用對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性低的材料,應(yīng)該是防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的最根本措施。此類(lèi)鋼有高純鉻-鎳奧氏體不銹鋼、高硅鉻-鎳奧氏體鋼、鐵素體-奧氏體鋼、高鉻鐵素體鋼等。合理地調(diào)整焊縫成分是提高接頭抗應(yīng)力腐蝕能力的重要措施之一。一般認(rèn)為,當(dāng)焊縫金屬為奧氏體-鐵素體雙相組織時(shí),具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。
2. 消除或減小殘余應(yīng)力
拉伸應(yīng)力的存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的先決條件之一??梢哉J(rèn)為,不銹鋼部件中若不存在拉應(yīng)力,則可以完全避免應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。因此,消除或減少結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力,是防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的重要措施。
焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理是常用的工藝措施。例如,對(duì)奧氏體不銹鋼一般進(jìn)行900℃的消除應(yīng)力退火熱處理。采用機(jī)械的方法也可以降低表面殘余應(yīng)力或造成壓應(yīng)力。如表面拋光、噴丸和錘擊。
3. 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免形成較大的應(yīng)力集中或在制造中避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。在設(shè)備和容器中與腐蝕介質(zhì)的接觸面不能有縫隙,盡可能采用對(duì)接接頭,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意不產(chǎn)生熱流集中而引起的局部過(guò)熱或腐蝕液滯留而局部濃縮等。
三、焊接熱裂紋
奧氏體不銹鋼焊接時(shí),焊縫及熱影響區(qū)均可能出現(xiàn)熱裂紋。最常見(jiàn)的是焊縫結(jié)晶裂紋,有時(shí)在熱影響區(qū)或多層焊層間金屬也可出現(xiàn)液化裂紋。
奧氏體鋼具有較大的熱裂紋敏感性,主要取決于鋼的化學(xué)成分、組織與性能的特點(diǎn)。
奧氏體鋼中合金元素較多,尤其是含有一定數(shù)量的鎳,它不僅提高了奧氏體的穩(wěn)定性,而且還易和硫、磷等雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)化合物或共晶,如Ni-S共晶熔點(diǎn)為645℃、Ni-P共晶為880℃,比Fe-S、Fe-P共晶的熔點(diǎn)更低,危害性也更大。其他一些元素如硼、硅等的偏析,也將促使產(chǎn)生熱裂紋。
奧氏體鋼焊縫易形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶組織,有利于有害雜質(zhì)和元素的偏析,從而促使形成連續(xù)的晶間液膜,提高了熱裂紋的敏感性。
從奧氏體不銹鋼的物理性能看,它具有導(dǎo)熱系數(shù)小、線(xiàn)膨脹系數(shù)大的特點(diǎn),因而在焊接不均勻加熱的情況下,極易形成較大的拉應(yīng)力,促進(jìn)了焊接熱裂紋的產(chǎn)生。
由以上分析可知,與結(jié)構(gòu)鋼相比,奧氏體不銹鋼的焊接熱裂紋傾向較大,尤其是高鎳奧氏體不銹鋼。
防止奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的主要措施如下:
1. 嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)硫、磷的含量,鋼中含鎳量越高,越應(yīng)該嚴(yán)格控制。
2. 調(diào)整焊縫金屬的組織
奧氏體不銹鋼焊縫可以是單相的奧氏體組織,也可以是奧氏體為主的雙相組織。大量實(shí)踐證明,單相奧氏體組織的焊縫,對(duì)熱裂紋的敏感性較大,而雙相組織的焊縫,則具有良好的抗裂性能,如表2-2中所列出的奧氏體焊縫中δ-鐵素體的影響。焊接18-8型不銹鋼時(shí),如果形成γ+5%δ的雙相組織,不僅可以提高抗晶間腐蝕能力,而且又減小了熱裂敏感性。焊縫中的δ相,可以細(xì)化晶粒,消除單相奧氏體的方向性,減少有害雜質(zhì)在晶界的偏析,而且δ相能解較多的硫、磷,并能降低界面能,阻止晶間液膜的形成,從而有利于提高焊縫的抗熱裂紋能力。
3. 調(diào)整焊縫金屬合金成分
當(dāng)在焊縫中不允許有雙相組織時(shí),如表2-2中“不希望有δ-鐵素體的理由”所列出的各項(xiàng),就必須對(duì)焊縫金屬進(jìn)行合理的合金化。如在單相穩(wěn)定奧氏體鋼中適當(dāng)增加錳、碳、氮的含量可以提高焊縫的抗裂性能。此外,加入少量的鈰、鋯、鉭等微量元素,可以細(xì)化焊縫組織、凈化晶界,也可減少焊縫的熱裂紋敏感性。
4. 工藝措施
在焊接奧氏體不銹鋼時(shí),應(yīng)盡量減小熔池過(guò)熱,以防止形成粗大的柱狀晶。奧氏體不銹鋼焊接宜采用小線(xiàn)能量及小截面的焊道。至于液化裂紋,它主要出現(xiàn)于310S不銹鋼的焊接接頭中。為了防止產(chǎn)生液化裂紋,除了嚴(yán)格限制母材中的雜質(zhì)含量以及控制母材的晶粒度以外,在工藝上應(yīng)采用高能量密度的焊接方法、小線(xiàn)能量和提高接頭的冷卻速度等措施,以減小母材的過(guò)熱和避免近縫區(qū)晶粒的粗化。
四、奧氏體鋼焊接接頭的脆化
奧氏體鋼用途頗廣,可在耐熱、耐蝕、低溫等各種條件下使用。不同的工作條件,對(duì)焊接接頭的性能要求也不同。耐蝕鋼通常是在室溫或350℃以下工作,主要要求耐蝕性,對(duì)機(jī)械性能無(wú)特殊要求。用于高溫條件的熱強(qiáng)鋼,如是短時(shí)工作,則要求保證接頭與母材等強(qiáng)度;而長(zhǎng)期工作(10年以上)時(shí),則保證焊接接頭的塑性,防止高溫脆化是關(guān)鍵。對(duì)于低溫工作的奧氏體不銹鋼,則主要要求良好的低溫韌性,防止焊接接頭發(fā)生低溫脆斷。從不同的工作條件下對(duì)接頭性能的要求來(lái)看,奧氏體不銹鋼焊接接頭的低溫脆化和高溫脆化是值得注意的問(wèn)題。
當(dāng)18-8型鋼焊縫為雙相組織時(shí),其拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與塑性略低于母材,但韌性比母材低得多,因而難以保證低溫條件下對(duì)焊接接頭韌性的要求。為了保證18-8型鋼焊縫具有良好的低溫韌性,應(yīng)使焊縫為單相奧氏體組織。
奧氏體焊縫中含有較多的鐵素體化元素或有較多的δ相時(shí),高溫條件下,由于δ→σ轉(zhuǎn)變,引起σ相脆化,焊縫的塑性和韌性均顯著下降。因此,為了保證必要的塑性和韌性,焊縫中的δ相應(yīng)小于5%。
單相的奧氏體焊縫也可能出現(xiàn)σ相,這與合金系統(tǒng)有關(guān)。如310S不銹鋼焊縫中鉻與硅含量偏上限,而碳、鎳含量偏下限時(shí),就容易沿晶界析出σ相,這比晶內(nèi)析出σ相,對(duì)焊接接頭脆化影響更為嚴(yán)重。
為了避免出現(xiàn) σ脆性相,應(yīng)盡量限制焊縫中的δ相數(shù)量,考慮焊縫的合金化時(shí),適當(dāng)減少鐵素體形成元素;多層焊時(shí)采用較小的線(xiàn)能量,以減小熔池體積,提高冷卻速度,縮短高溫停留時(shí)間。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)σ相的焊縫,可將焊接接頭加熱至1050℃~1100℃,保溫1小時(shí)后水冷,進(jìn)行固溶處理,此時(shí)絕大部分 σ 相可重新溶入奧氏體中,性能即可恢復(fù)。
五、焊接變形較大
因?yàn)閵W氏體不銹鋼導(dǎo)熱性能差,膨脹系數(shù)大,焊接變形較大,特別是薄板。因此,焊接時(shí)應(yīng)適當(dāng)采取防形的措施,如夾具等。