所謂不銹鋼是指在鋼中加進一定量的鉻元素后,使鋼處于鈍化狀態(tài),具有不生銹的特性。為達到此目的,其鉻含量必須在12%以上。為進步鋼的鈍化性,不銹鋼中還往往需加進能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸,而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。

不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類,即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點

奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼,以高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點:

① 焊接熱裂紋 奧氏體不銹鋼由于其熱傳導率小,線膨脹系數(shù)大,因此在焊接過程中,焊接接頭部位的高溫停留時間較長,焊縫易形成粗大的柱狀晶組織,在凝固結(jié)晶過程中,若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質(zhì)元素含量較高,就會在晶間形成低熔點共晶,在焊接接頭承受較高的拉應(yīng)力時,就易在焊縫中形成凝固裂紋,在熱影響區(qū)形成液化裂紋,這都屬于焊接熱裂紋。防止熱裂紋最有效的途徑是降低鋼及焊材中易產(chǎn)生低熔點共晶的雜質(zhì)元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4% ~ 12%的鐵素體組織。

② 晶間腐蝕 根據(jù)貧鉻理論,在晶間上析出碳化鉻,造成晶界貧鉻是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此,選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩(wěn)定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③ 應(yīng)力腐蝕開裂 應(yīng)力腐蝕開裂通常表現(xiàn)為脆性破壞,且發(fā)生破壞的過程時間短,因此危害嚴重。造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭的組織變化或應(yīng)力集中的存在,局部腐蝕介質(zhì)濃縮也是影響應(yīng)力腐蝕開裂的原因。

④ 焊接接頭的σ相脆化 σ相是一種脆硬的金屬間化合物,主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變。比如對于Cr25Ni20型焊縫在800℃ ~ 900℃加熱時,就會發(fā)生強烈的γ→δ轉(zhuǎn)變。對于鉻鎳型奧氏體不銹鋼,特別是鉻鎳鉬型不銹鋼,易發(fā)生δ→σ相轉(zhuǎn)變,這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的σ化作用,當焊縫中δ鐵素體含量超過12%時,δ→σ的轉(zhuǎn)變非常明顯,造成焊縫金屬的明顯的脆化,這也就是為什么熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將δ鐵素體含量控制在3%~10%的原因。

2. 鐵素體不銹鋼及其焊接特點

鐵素體不銹鋼分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類,其中普通鐵素體不銹鋼有Cr12 ~ Cr14型,如00Cr12、0Cr13Al;Cr16 ~ Cr18型,如1Cr17Mo;Cr25 ~ 30型。

由于普通鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高,故加工成形及焊接都較困難,耐蝕性也難以保證,使用受到限制,在超純鐵素體不銹鋼中嚴格控制了鋼中的碳和氮總量,一般控制在0.035% ~ 0.045%、0.030%、0.010% ~ 0.015%三個層次,同時還加進必要的合金元素以進一步進步鋼的耐腐蝕性和綜合性能。與普通鐵素體不銹鋼相比,超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點蝕及應(yīng)力腐蝕性能,較多的應(yīng)用于石化設(shè)備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點:

① 焊接高溫作用下,在加熱溫度達到1000℃以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會急劇長大,焊后即使快速冷卻,也無法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。

② 鐵素體鋼本身含鉻量較高,有害元素碳、氮、氧等也較多,脆性轉(zhuǎn)變溫度較高,缺口敏感性較強。因此,焊后脆化現(xiàn)象較為嚴重。

③ 在400℃ ~ 600℃長時間加熱緩冷時,會出現(xiàn)475℃脆化,使常溫韌性嚴重下降。在550℃ ~ 820℃長時間加熱后,則輕易從鐵素體中析出σ相,也明顯降低其塑、韌性。

3. 馬氏體不銹鋼及其焊接特點

馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能,從Cr12為基的馬氏體不銹鋼,因加進鎳、鉬、鎢、釩等合金元素,除具有一定的耐腐蝕性能,還具有較高的高溫強度及抗高溫氧化性能。

馬氏體不銹鋼的焊接特點:Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)的淬硬傾向特別大,焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體,在焊接拘束應(yīng)力和擴散氫的作用下,很輕易出現(xiàn)焊接冷裂紋。當冷卻速度較小時,近縫區(qū)及焊縫金屬會形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物,使接頭的塑、韌性明顯降低。

低碳及超級馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)冷卻后,固然全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體,但沒有明顯的淬硬現(xiàn)象,具有良好的焊接性能。

1. 奧氏體不銹鋼焊材選用

奧氏體不銹鋼焊材的選擇原則是在無裂紋的條件下,保證焊縫金屬的耐蝕性能及力學性能與母材基本相當,或高于母材,一般要求其合金成分大致與母材成分匹配。對于耐蝕的奧氏體不銹鋼,一般?？春欢康蔫F素體,這樣既能保證良好的抗裂性能,又能有很好的抗腐蝕性能。但在某些特殊介質(zhì)中,如尿素設(shè)備的焊縫金屬是不答應(yīng)有鐵素體存在的,否則就會降低其耐蝕性。對耐熱用奧氏體鋼,應(yīng)考慮對焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量的控制。對于長期在高溫運行的奧氏體鋼焊件,焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量不應(yīng)超過5%。讀者可根據(jù)Schaeffler圖,按焊縫金屬中的鉻當量和鎳當量估計出相應(yīng)的鐵素體含量。

2. 鐵素體不銹鋼焊材選用

鐵素體不銹鋼焊材基本上有三類:1)成分基本與母材匹配的焊材;2)奧氏體焊材;3)鎳基合金焊材,由于其價格較高,故很少選用。

鐵素體不銹鋼焊材可采用與母材相當?shù)牟牧?但在拘束度大時,很輕易產(chǎn)生裂紋,焊后可采用熱處理,恢復耐蝕性能,并改善接頭塑性。采用奧氏體焊材可免除預熱和焊后熱處理,但對于不含穩(wěn)定元素的各種鋼,熱影響區(qū)的敏化仍然存在,常用309型和310型鉻鎳奧氏體焊材。對于Cr17鋼,也可用308型焊材,合金含量高的焊材有利于進步焊接接頭塑性。奧氏體或奧氏體一鐵素體焊縫金屬基本與鐵素體母材等強,但在某些腐蝕介質(zhì)中,焊縫的耐蝕性可能與母材有很大的不同,這一點在選擇焊材時要留意。

3. 馬氏體不銹鋼焊材選用

在不銹鋼中,馬氏體不銹鋼是可以利用熱處理來調(diào)整性能的,因此,為了保證使用性能的要求,特別是耐熱用馬氏體不銹鋼,焊縫成分應(yīng)盡量接近母材的成分。為了防止冷裂紋,也可采用奧氏體焊材,這時的焊縫強度必然低于母材。

焊縫成分同母材成分相近時,焊縫和熱影響區(qū)將會同時硬化變脆,同時在熱影響區(qū)中出現(xiàn)回火軟化區(qū)。為了防止冷裂,厚度3mm以上的構(gòu)件往往要進行預熱,焊后也往往需要進行熱處理,以進步接頭性能,由于焊縫金屬與母材的熱膨脹系數(shù)基本一致,經(jīng)熱處理后有可能完全消除焊接應(yīng)力。

當工件不答應(yīng)進行預熱或熱處理時,可選擇奧氏體組織焊縫,由于焊縫具有較高的塑性和韌性,能松弛焊接應(yīng)力,并且能較多地固溶氫,因而可降低接頭的冷裂傾向,但這種材質(zhì)不均勻的接頭,由于熱膨脹系數(shù)不同,在循環(huán)溫度的工作環(huán)境下,在熔合區(qū)可能產(chǎn)生剪應(yīng)力,而導致接頭破壞。

對于簡單的Cr13型馬氏體鋼,不采用奧氏體組織的焊縫時,焊縫成分的調(diào)整余地未幾,一般都和母材基體相同,但必須限制有害雜質(zhì)S、P及Si等,Si在Cr13型馬氏體鋼焊縫中可促使形成粗大的馬氏體。降低含C量,有利于減小淬硬性,焊縫中存在少量Ti、N或Al等元素,也可細化晶粒并降低淬硬性。

對于多組元合金化的Cr12基馬氏體熱強鋼,主要用途是耐熱,通常不用奧氏體焊材,焊縫成分?？唇咏覆?。在調(diào)整成分時,必須保證焊縫不致出現(xiàn)一次鐵素體相,因它對性能十分有害,由于Cr13基馬氏體熱強鋼的主要成分多為鐵素體元素(如Mo、Nb、W、V等),為保證全部組織為均一的馬氏體,必須用奧氏體元素加以平衡,也就是要有適當?shù)腃、Ni、Mn、N等元素。

馬氏體不銹鋼具有相當高的冷裂傾向,因此必須嚴格保持低氫,甚至超低氫,在選擇焊材時,必須要留意這一點。

1. 奧氏體不銹鋼焊接要點

總的來說,奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性。幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼的熱物理性能和組織特點決定了其焊接工藝要點。

① 由于奧氏體不銹鋼導熱系數(shù)小而熱膨脹系數(shù)大,焊接時易于產(chǎn)生較大的變形和焊接應(yīng)力,因此應(yīng)盡可能選用焊接能量集中的焊接方法。

② 由于奧氏體不銹鋼導熱系數(shù)小,在同樣的電流下,可比低合金鋼得到較大的熔深。同時又由于其電阻率大,在焊條電弧焊時,為了避免焊條發(fā)紅,與同直徑的碳鋼或低合金鋼焊條相比,焊接電流較小。

③ 焊接規(guī)范。一般不采用大線能量進行焊接 。焊條電弧焊時,宜采用小直徑焊條,快速多道焊,對于要求高的焊縫,甚至采用澆冷水的方法以加速冷卻,對于純奧氏體不銹鋼及超級奧氏體不銹鋼,由于熱裂紋敏感性大,更應(yīng)嚴格控制焊接線能量,防止焊縫晶粒嚴重長大與焊接熱裂紋的發(fā)生。

④ 為進步焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能,焊接時,要特別留意焊接區(qū)的清潔,避免有害元素滲透焊縫。

⑤ 奧氏體不銹鋼焊接時一般不需要預熱。為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長大及碳化物的析出,保證焊接接頭的塑、韌性和耐蝕姓,應(yīng)控制較低的層間溫度,一般不超過150℃。

2. 鐵素體不銹鋼焊接要點

鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對較多,奧氏體形成元素相對較少,材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環(huán)的作用下,熱影響區(qū)晶粒明顯長大,接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區(qū)晶粒長大的程度取決于焊接時所達到的最高溫度及其保持時間,為此,在焊接鐵素體不銹鋼時,應(yīng)盡量采用小的線能量,即采用能量集中的方法,如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等,同時盡可能采用窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施,并嚴格控制層間溫度。

由于焊接熱循環(huán)的作用,一般鐵素體不銹鋼在熱影響區(qū)的高溫區(qū)產(chǎn)生敏化,在某些介質(zhì)中產(chǎn)生晶間腐蝕。焊后經(jīng)700~850℃退火處理,使鉻均勻化,可恢復其耐蝕性。

普通高鉻鐵素體不銹鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高鉻鋼固有的低塑性,以及焊接熱循環(huán)引起的熱影響區(qū)晶粒長大和碳化物、氮化物在晶界集聚,焊接接頭的塑性和韌性都很低。在采用與母材化學成分相似的焊材且拘束度大時,很易產(chǎn)生裂紋。為了防止裂紋,改善接頭塑性和耐蝕性,以焊條電弧焊為例,可以采取下列工藝措施。

① 預熱100 ~ 150℃左右,使材料在富有韌性的狀態(tài)下焊接。含鉻越高,預熱溫度應(yīng)越高。

② 采用小的線能量、不擺動焊接。多層焊時,應(yīng)控制層間溫度不高于150℃,不宜連續(xù)施焊,以減小高溫脆化和475℃脆性影響。

③ 焊后進行750 ~ 800℃退火處理,由于碳化物球化和鉻分布均勻,可恢復耐蝕性,并改善接頭塑性。退火后應(yīng)快冷,防止出現(xiàn)σ相及475℃脆性。

3. 馬氏體不銹鋼焊接要點

對于Cr13型馬氏體不銹鋼,當采用同材質(zhì)焊條進行焊接時,為了降低冷裂紋敏感性,確保焊接接頭塑、韌性,應(yīng)選用低氫型焊條并同時采取下列措施:

① 預熱。預熱溫度隨鋼材含碳量的增加而進步,一般在100℃ ~ 350℃范圍內(nèi)。

② 后熱。對于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭,焊后采取后熱措施,以防止焊接氫致裂紋。

③ 焊后熱處理。為改善焊接接頭塑、韌性和耐蝕性,焊后熱處理溫度一般為650℃ ~ 750℃,保溫時間按1h / 25mm計。

對于超級及低碳馬氏體不銹鋼,一般可不采取預熱措施,當拘束度大或焊縫中含氫量較高時,采取預熱及后熱措施,預熱溫度一般為100℃ ~ 150℃,焊后熱處理溫度為590 ~ 620℃。

對于含碳量較高的馬氏體鋼。或在焊前預熱、焊后熱處理難以實施,以及接頭拘束度較大的情況下,工程中也可用奧氏體型的焊材,以進步焊接接頭的塑、韌性,防止產(chǎn)生裂紋。但此時焊縫金屬為奧氏體組織或以奧氏體為主的組織時,與母材強度相比實為低強匹配,而且焊縫金屬與母材在化學成分、金相組織、熱物理性能、力學性能差別很大,焊接殘余應(yīng)力不可避免,輕易引發(fā)應(yīng)力腐蝕或高溫蠕變破壞。

直徑為800mm,壁厚為10mm的閃蒸罐,殼體材質(zhì)為0Cr18Ni9。

說明:

① 筒體直徑為800mm,焊工可以鉆進筒體內(nèi)焊接,故筒體縱、環(huán)縫故采用焊條電弧焊進行雙面焊。

② 本設(shè)備無人孔,故合攏焊縫只能從外側(cè)焊接。為保證焊接質(zhì)量,采用TIG焊打底。但不銹鋼氬弧焊焊接時背面金屬會被氧化,以前只能通過采用背面充氬保護的方法,但是當設(shè)備較大或背面無法實施氬氣保護時,將大量浪費氬氣,且仍可能出現(xiàn)保護不好。為解決這一工藝困難,日本油脂公司焊接事業(yè)部開發(fā)制造了一種背面自保護不銹鋼TIG焊絲,這是一種具有特殊涂層的焊絲,涂層(即藥皮)熔化后會滲透到熔池背面,形成一層致密的保護層,相當于焊條藥皮的作用。這用焊絲的使用方法與普通的TIG焊絲完全相同,涂層不會影響正面的電弧和熔池形態(tài),大大降低了不銹鋼氬弧焊的焊接本錢。本設(shè)備中,若采用背面氬氣保護,氬氣浪費嚴重,故采用了自保護焊絲。

③ 接管與平焊法蘭角焊縫、接管與殼體角焊縫,鑒于此部位焊縫外形和焊接條件,一般選用焊條電弧焊。若接管直徑太小,為了減少焊接難度,也可以采用TIG焊。

④ 支座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫,采用熔化極氣體保護焊(保護氣體為純CO2),效率高,焊縫成形好。TFW-308L為焊材牌號,其焊材型號為E308LT1-1(AWS A5.22)。