不锈钢耐热钢的焊接

1、3.1 不锈钢、耐热钢的类型和特性,3.1.1 不锈钢及耐热钢类型 不锈钢定义： 在无污染的大气环境中不生锈的钢原义型 在无污染的大气环境中不生锈的钢及能耐酸腐蚀的耐酸钢的统称习惯型（目前普遍接受的定义） 耐蚀钢和耐热钢的统称广义型 不锈钢国家标准 GB4237-84 耐热钢国家标准 GB4238-84, 牛牛文库文档分享,耐热钢 抗氧化和热强钢的统称。 一些不锈钢可作为热强钢，一些热强钢也可作为不锈钢，注意不要混淆。 不锈钢、耐热钢主要成分：Cr和Ni。 Cr12% 才能在大气环境下不锈，要求耐酸， Cr17% ； Ni或进一步Cr，耐腐蚀性或耐热性均可提高。, 牛牛文库文档分享,不锈钢、耐

2、热钢分类 按用途分 不锈钢 在大气环境下及有浸蚀化学介质中使用的钢，工作温度不超过500，要求闹腐蚀，对强度要求不高。 高Cr钢：1Cr13、 2Cr13 低碳Cr-Ni钢：0Cr19Ni9、 1Cr18Ni9Ti 超低碳Cr-Ni钢：00Cr25Ni22Mo2 00Cr22Ni9Mo3N, 牛牛文库文档分享,抗氧化钢 在高温下具有抗氧化性能的钢，对高温强度要求不高，工作温度9001100。 高Cr钢：1Cr17、 1Cr25Si2 Cr-Ni钢： 2Cr25Ni20、 2Cr25Ni20Si2 热强钢 在高温下既有抗氧化能力，又要具有一定的高温强度，工作温度600800。 Cr-Ni钢：1C

3、r18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6、 4Cr25Ni20、 4Cr25Ni34 高Cr钢：以12Cr为基的多元合金 1Cr12MoWV, 牛牛文库文档分享,按组织分类 奥氏体钢 以Cr18Ni8为代表的系列简称18-8钢 0Cr19Ni9、 1Cr18Ni9Ti、 1Cr18Mn8Ni5N、 0Cr18Ni12Mo2Cu 以Cr25Ni20为代表的系列简称25-20钢 2Cr25Ni20Si2、 4Cr25Ni20、 00Cr25Ni22Mo2 25-35系列钢 0Cr21Ni32（Incoloy800）、 4Cr25Ni35（HP）、4 Cr25Ni35Nb（Manaurite36X

4、） 供货状态：固溶处理, 牛牛文库文档分享,铁素体钢 含Cr为1730%的高Cr钢，用作耐热钢（抗氧化），也作为耐蚀钢。 典型钢种：1Cr17、1Cr25Si2 000Cr30Mo2 耐蚀钢 供货状态：退货 马氏体钢 Cr13系列：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、 1Cr17Ni12 常做不锈钢 Cr12为基的马氏体钢： 1Cr12MoWV 热强钢 供货状态：退火/淬火+回火, 牛牛文库文档分享,沉淀硬化钢 经时效强化处理，形成析出硬化相的高强钢 高强度不锈钢（Precipitation hardening Stainless Steels）。 马氏体沉淀硬化钢：0Cr17Ni

5、4Cu4Nb（17-4HP） 半奥氏体（A+M）沉淀硬化钢：0Cr17Ni7Al（17-7HP）, 牛牛文库文档分享,铁素体-奥氏体双相钢 铁素体占6040%，奥氏体占4060%，称为双相不锈钢（Duplex stainless steal）。具有极其优异的抗腐蚀性能。 有18-5、22-5、25-5型：00Cr18Ni5Mo3Si2、 00Cr22Ni5Mo3N、 00Cr25Ni5Mo3N、 00Cr25Ni7Mo4WCuN 与18-8相比，提高Cr降低Ni，同时加入Mo、N 供货状态：固溶, 牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,3.1.2 不锈钢及耐热钢特性,不锈钢的耐蚀性能 均匀腐蚀

6、 总体均匀腐蚀现象 不锈钢对氧化性酸（硝酸）能形成稳定的钝化膜，不易产生腐蚀；对还原性酸（硫酸）只含Cr的马氏体钢和铁素体钢不耐蚀，而含Ni的Cr-Ni奥氏体钢具有良好耐蚀性能。含Cl离子介质， Cr-Ni容易发生钝化膜破坏而发生腐蚀。 钢中含Mo，在各种酸中均有改善耐蚀性能作用。 马氏体钢不适合强酸介质中使用。, 牛牛文库文档分享,点蚀（Pitting Corrosion） 因Cl的存在使钝化膜局部破坏形成腐蚀坑，甚至形成穿孔的腐蚀现象。 腐蚀机理尚不十分明确，一般认为， Cl吸附于表面钝化层，环绕Fe2+形成络合物，因Fe2+向溶液中溶解造成腐蚀。 18-8型不锈钢在100以下的高浓度Cl

7、环境中，主要发生点蚀。 提高Cr、Ni、Mo、Si、Cu，超低C有益于改善耐点蚀性能；双相不锈钢有优异的抗点蚀性能；添加N可提高耐点蚀性能。 耐点蚀性能评价“点蚀指数”PI, 牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,缝隙腐蚀（Crevise Corrosion） 在氯离子环境中，不锈钢间或异物接触表面间存在间隙时，缝隙中溶液流动将发生迟滞现象，局部Cl-浓化，PH值降低，缝隙中不锈钢表面钝化膜易于吸附Cl- ，造成局部破坏而腐蚀。, 牛牛文库文档分享,晶间腐蚀 晶粒边界附近发生有选择性的腐蚀现象。 “贫Cr”现象：对18-8型奥氏体不锈钢，固溶处理在经过450850加热（敏化加热）会沿晶界沉淀析

8、出Cr23C6或M23C6，使晶界边界层含Cr低于12%。 将晶界“贫Cr”的不锈钢再放入腐蚀介质中，将会沿晶界发生腐蚀。 产生晶界腐蚀的条件：C在钢过饱和存在；晶界Cr碳化物形成造成晶界“贫Cr”；腐蚀介质。, 牛牛文库文档分享,防止晶界腐蚀的措施：钢中C含量低于溶解度0.0150.03%（超低碳）；钢中含有碳化物形成元素Nb、Ti，并经稳定化处理（8502h空冷），Nb10（C-0.015）%，Ti6（C-0.015）%。, 牛牛文库文档分享,对于高Cr铁素体不锈钢，从高温（10001200）急冷下来就产生晶界腐蚀倾向，再经过650850加热缓冷可消除晶界腐蚀倾向。 C在铁素体中的溶解度比

9、在奥氏体中小得多，易于沉淀，且扩散速度大，从高温急冷过程中已形成Cr23C6，在晶界发生贫“Cr”；再次在650850加热，相当于稳定化处理，促使Cr的扩散均匀化，贫Cr层消除。, 牛牛文库文档分享,为改善耐晶界腐蚀性能，适当提高铁素体化元素（Cr、Mo、Nb、Ti、Si），同时降低奥氏体化元素（Ni、C、N）。在奥氏体钢中存在一定数量的铁素体相，晶界腐蚀倾向可显著减小。 一般奥氏体化元素多富集于相中，敏化加热时，富Cr碳化物易形成于相一侧，由于Cr在中扩散快， Cr易于均匀化，不致形成贫Cr层；与相共存呈弥撒状态，不能形成连续网状晶界。, 牛牛文库文档分享,应力腐蚀（Stess Corros

10、ion Cracking 简称SCC） 应力腐蚀是材料在拉应力与腐蚀介质共同作用下发生的现象。 Cr-Ni奥氏体不锈钢因氯化物引起的SCC属于伴随阳极溶解生产开裂（Active Path Corrosion称APC）；在有较多相存在时，在高压加氢或含H2S介质中会生产阴极氢脆开裂（Hydrogen Embri-ttlement Cracking称HEC, 牛牛文库文档分享,耐热钢的高温性能 高温性能变化特征, 牛牛文库文档分享,合金化问题 抗氧化：加入Cr、Si、Al形成致密氧化膜防止继续氧化； 热强性高温下长时工作时抗塑性变形能力（蠕变抗力）或抗断裂的能力（持久强度）： 提高Ni稳定基体 利

11、用Mo、W固溶强化，提高原子间的结合力。 形成稳定的第二相 主要是碳化物相（MC、M6C或M23C6）。提高热强性需要增加C含量和碳化物形成元素。 减少晶界和强化晶界 通过控制晶粒度和加入微量B或稀土等。, 牛牛文库文档分享,高温脆化 耐热钢在热加工或长时工作中可能产生脆化，包括Cr13在550附近的回火脆化、高Cr铁素体钢晶粒粗化引起的脆化、奥氏体钢沿晶界析出碳化物引起的脆化、475脆化及相脆化。 475脆化：出现在Cr含量超过15%的铁素体钢中，在430480长期加热并缓冷，可导致在常温时或低温时出现脆化现象。, 牛牛文库文档分享,475脆化机理： 目前尚不清楚，一般认为在Fe-Cr合金系

12、中以共析反应方式时效沉淀，析出富Cr的相（体心立方）所致；也有认为是析出有序固溶体Fe3Cr或FeCr。 已产生475脆化的钢，在600700加热保温1h空冷，可恢复原有性能。, 牛牛文库文档分享,相脆化： 相是FeCr金属间化合物，无磁性，硬而脆；在纯Fe-Cr合金中，Cr20%即可产生相，减少相有减少相形成的作用； 相硬度高达68HRC以上，且多半分布于晶界，显著降低韧性。, 牛牛文库文档分享,不锈钢、耐热钢的物理性能 一般合金元素越多，导热系数越小，膨胀系数和电阻率越大。 奥氏体不锈钢的约为低碳钢1/3，其比低碳钢大50%；马氏体和铁素体钢的约为低碳钢的1/2，其与低碳钢大体相当。 各类

13、钢的比热容c及密度差别不大。, 牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,3.2.1 奥氏体钢焊接接头耐蚀性 晶间腐蚀 18-8焊接接头有 三个部位可能出现 晶界腐蚀，如图示。,3.2 奥氏体钢、双相钢焊接, 牛牛文库文档分享,焊缝区晶界腐蚀 根据贫Cr理论，为防止焊缝发生晶界腐蚀主要有以下措施： 采用超低碳焊接材料，或含有足够稳定化元素Nb（Nb8C或Nb1%）；（一般不采用Ti） 调整焊缝成分以获得一定数量的铁素体相。, 牛牛文库文档分享,焊缝中组织决定于焊缝成分，为获得相必须适当提高铁素体化元素含量，提高Creq/Nieq的比值。 Creq将每一铁素体化元素按其铁素体化的强烈程度折合成相当若

14、干Cr的总和 Nieq将每一奥氏体化元素按其奥氏体化的强烈程度折合成相当若干Ni的总和, 牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,HAZ敏化区晶间腐蚀 焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位所发生的晶间腐蚀敏化区晶间腐蚀 焊接敏化温度通常热处理敏化温度高，因为焊接是快速加热和冷却的过程，铬碳化物的沉淀是一扩散过程，足够扩散需要一定“过热度”。 普通18-8钢才会有敏化区存在，含Ti、Nb及超低C 18-8钢不易形成敏化区。 焊接工艺应采取快速加热冷却，以减少处于敏化加热的时间。, 牛牛文库文档分享,刀口腐蚀（Knife-line corrosion） 在熔合区产生的晶间腐蚀，有如刀削切

15、口形式，称为刀口腐蚀。腐蚀区宽度初期不超过35个晶粒，逐步扩展到1.01.5mm。 刀口腐蚀只发生在含Nb或Ti的18-8钢的熔合区。, 牛牛文库文档分享,刀口腐蚀产生的条件： 母材含Nb、Ti等碳化物稳定元素； 高温过热和中温敏化相继作用。 防止刀口腐蚀措施： 控制碳含量 C0.06% 尽量减少焊接热输入 防止面向腐蚀介质焊缝过热区受到中温敏化。, 牛牛文库文档分享,应力腐蚀开裂 焊接应力的作用 应力腐蚀开裂的拉应力30%来源于焊接残余应力，残余应力愈大，愈易发生SCC。 含氯介质中引起奥氏体钢SCC的临界拉应力th接近s；在高温高压水中， th远小于s；在H2SXO6介质中th=0, 牛牛

16、文库文档分享,防止应力腐蚀开裂，通过退火消除焊接残余应力是重要手段。残余应力消除程度与“回火参数”LMP（Larson Miller Parameter）有关： 合金成分的作用 材质与介质有一定匹配性，才会发生SCC。 从组织上，焊缝中含有一定数量的相有利于提高氯化物介质中的耐SCC性能，但不利于防止HEC型的SCC。, 牛牛文库文档分享,在氯化物介质中，提高Ni、Si、Mo有利于改善耐SCC的性能；超低碳有利于提高抗SCC性能。, 牛牛文库文档分享,点蚀 奥氏体钢焊接接头具有点蚀倾向，双相钢也会产生点蚀。 最易产生点蚀的部位是焊缝中的不完全混合区，其原因主要是Cr与Mo的偏析所致。 为提高抗

17、点蚀性能， 须减少Cr、Mo的偏析； 采用更高Cr、Mo含量焊接材料“超合金化”。提高Ni，晶轴中的Cr、Mo负偏析显著减少。试验结果说明上述规律：, 牛牛文库文档分享,母材为00Cr20Ni18Mo焊接接头的“临界点蚀温度”CPT 结论： 自熔焊缝耐点蚀比母材差； 须“超合金化”匹配； 须考虑母材稀释作用； 提高NI含量有利降低点蚀。, 牛牛文库文档分享,3.2.2 奥氏体钢焊接接头热裂纹,奥氏体钢焊接时，在焊缝及近缝区都有可能产生热裂纹。 25-20型比18-8型奥氏体不锈钢具有更大热裂倾向，目前还没有十分有效措施加以解决。 奥氏体钢焊接热裂的基本原因 奥氏体钢导热系数小和膨胀系数大，接头

18、在冷却过程中形成加大拉应力； 易于以联生结晶形成方向性很强的柱状晶的焊缝组织，有利于杂质偏析，促进液态薄膜形成；, 牛牛文库文档分享,焊缝的合金组成复杂，S、P、Sn、Sb等杂质易形成液态薄膜，一些合金元素（Si、Nb）也能形成液态薄膜。 热裂纹与凝固模式 凝固裂纹最易产生于单相奥氏体组织的焊缝中，双相组织则不易产生凝固裂纹。, 牛牛文库文档分享,热裂倾向与脆性温度区间BTR大小完全对应, 牛牛文库文档分享,凝固裂纹产在实际固相线以上的凝固后期，必须结合凝固模式分析更为合理。 凝固模式是指以何种初生相开始结晶，以何种相完成结晶。 有四种模式：F；FA；AF；A。 润湿理论指出：偏析液膜能润湿-

19、、-界面，不能润湿-异相界面。, 牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,必须指出，焊缝金属并非一定是以某一单一模式形式凝固，也可见到混合模式，焊缝中一个局部区域是AF模式，另一局部区域则是AF模式。 图为E316L焊条的焊缝，裂纹出现在AF模式凝固的区域。, 牛牛文库文档分享,热影响区的液化裂纹，也与Creq/Nieq有同样的依赖关系。 材料纯度增加裂纹倾向减少； Creq/Nieq1.5一般不会产生裂纹。, 牛牛文库文档分享,热裂纹与化学成分 Creq/Nieq比小于1.5的稳定奥氏体钢，不能形成双相组织，热裂倾向较大；如欲形成双相组织势必提高Creq，焊缝成分与母材成分

20、差异太大，性能难以与母材匹配。 25-20型耐热钢为防止裂纹，可采用+C1或+B1双相组织。 某些特殊要求（低温韧性、无磁），希望焊缝为单一相，可考虑在凝固期间为FA模式，焊后室温组织为单一相组织。, 牛牛文库文档分享,焊接工艺的影响 为避免焊缝枝晶粗大和过热区晶粒粗化，增大偏析程度，应尽量减小线能量，且不预热，降低层间温度。 过分增加焊接速度，冷却速度也增加，增大凝固过程的不平衡性，凝固模式将逐渐变化为FAA ，热裂倾向增大。, 牛牛文库文档分享,3.2.3 奥氏体钢焊缝的脆化,焊缝低温脆化 为满足低温韧性，焊缝为单一奥氏体组织比较好，尽量避免出现组织。, 牛牛文库文档分享,焊缝相脆化 相是

21、一种脆硬无磁性的金属间化合物，具有变成分和复杂的晶体结构。 奥氏体钢中，Cr、Mn、Nb、Si、Mo、W、Ni、Cu促进，主要析集于柱状晶界面。 具有双相组织的18-8钢，高温加热时，铁素体化（Cr、Mo）元素加快该转变。, 牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,3.2.4 奥氏体钢焊接工艺,焊接材料选择 焊接材料类型繁多，商品牌号复杂，应对照相应技术标准考虑选择； 应坚持“适应性原则” 必须熟悉钢种类型、成分、用途和使用服役条件，以及对焊缝金属的技术要求； 必须根据所选各焊接材料的具体成分，来确定是否适用，并应通过试验加以验收，决不能只根据商品牌号或标准的名义成分就决定取舍；, 牛牛文库文档

22、分享, 牛牛文库文档分享,必须考虑具体应用的焊接方法和工艺参数可能造成的熔合比大小，即应考虑母材的稀释作用；（熔敷金属不等于焊缝金属）； 必须根据技术条件规定的全面焊接性要求来确定合金化程度，即采用同质还是超合金化焊接材料； 不仅要重视焊缝金属合金系统，且要注意具体合金成分在该合金系统中的作用；不仅考虑使用性能要求，也要考虑防止焊接缺陷的工艺焊接性的要求。, 牛牛文库文档分享,焊接工艺要点 合理选择最合适的焊接方法。 必须控制焊接参数，避免接头参数过热现象 焊接电流和焊接线能量比低碳钢小20%；应避免交叉焊缝。 接头设计的合理性应给以足够重视。 尽可能控制焊接工艺稳定，以保证焊缝金属成分稳定。

23、 控制焊缝成形 控制焊缝表面成形和截面形状。 保护焊件的工作表面应处于正常状态。, 牛牛文库文档分享,3.3 珠光体钢与奥氏体钢的焊接,3.3.1 异种钢的焊接性分析 焊缝成分的稀释 珠光体钢与奥氏体钢的焊接接头，一般都采用超合金化焊接材料，或是高CrNi奥氏体钢，或是Ni基合金。, 牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,异种钢焊接时，为确保焊缝成分合理，必须做到： 正确选择高合金化的焊接材料； 适当控制熔合比或稀释率。, 牛牛文库文档分享,凝固过度层的形成 异种钢焊缝中靠近边界的成分常常有浓度梯度的分布特征。, 牛牛文库文档分享,上述成分上的过渡变化区是因凝固特性造成的，故称为凝固过渡层。

24、同一母材选用Cr、Ni当量不同的填充金属，凝固过渡层中形成不同宽度的马氏体脆化层。, 牛牛文库文档分享,碳迁移过渡层的形成 异种钢焊接时或焊后回火处理后，往往会发生在低合金一侧的C通过焊缝边界向高合金焊缝中“迁移”（Migration）的现象，分别在边界两侧形成脱碳层和增碳层。这种脱碳层和增碳层总称为碳的迁移过渡层。, 牛牛文库文档分享,碳的迁移是因为碳的扩散能力比其它溶质原子大104106倍，且碳在中的扩散能力比在大得多； 此外碳在液态中的溶解度大于固态中的人溶解度；碳在中的溶解度大于碳在的溶解度；奥氏体焊缝中含有更多的碳化物形成元素。 凡是提高母材碳的活度，降低焊缝中碳的活度的因素，都有利

25、于加强碳从母材向焊缝中迁移。 碳在固态中的活度大于液态中的活度；碳化物形成元素（Cr、Mo、V、Nb、Ti）降低碳的活度，非碳化物形成元素（Si、Al、Ni）增大碳的活度。, 牛牛文库文档分享,减小碳迁移过渡层宽度措施： 合理选择成分合适的珠光体钢（含有较多碳化物形成元素）； 焊缝中存在增大碳活度的元素（Ni）； 必须控制焊后热处理。, 牛牛文库文档分享,残余应力的形成 由于两种钢的线膨胀系数相差很大，不仅焊接时会产生较大的残余应力，使用中如有温度作用，也会形成热应力。 焊后回火处理不能消除残余应力，只是使应力从新分布。, 牛牛文库文档分享,3.3.2 异种钢的焊接施工特点,隔离堆焊法 为防止形成凝固过渡层，最好在珠光体钢坡口上先堆焊一层奥氏体（Cr25Ni13）金属隔离层。, 牛牛文库文档分享,直接施焊法 利用高合金材料直接完成珠光体钢与奥氏体钢的焊接，注意尽可能减少珠光体钢的熔深。 利用“过渡段” 两种情况： 防止碳迁移过渡层，选用V、Ti、Nb含量较高的珠光体钢作为过渡段，先与珠光体钢焊接，然后再与奥氏体钢焊接。 着