常规不锈钢的焊接

1、常规不锈钢的焊接常规不锈钢的焊接目 录 一、不锈钢的分类 二、部分不锈钢的特性 三、奥氏体不锈钢的焊接 四、铁素体不锈钢的焊接 五、马氏体不锈钢的焊接 六、不锈钢焊条的型号及选用不锈钢不锈钢是耐蚀和耐 热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr（wCr12%）、Ni、Mn、Mo等元素， 具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学性能， 适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备一、 不锈钢的分类按主要化学成 分分类 铬锰氮 不锈钢 铬镍不锈钢 铬不锈钢 指Cr的质量分数介于12%30%之间的不锈钢，其基本类型为Cr13型 Cr的质量分数介于12%30%，Ni的质量分数介于6%12%和含其他

2、少量元素的钢种，基本类型为Cr18Ni9钢 属于节镍型奥氏体不锈钢，化学成分中部分镍被锰、氮替代，可减少镍的含量如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N 不锈钢的分类按用途分类 超低碳Cr-Ni钢(如022Cr25Ni22Mo2、022Cr22Ni5Mo3N)等低碳Cr-Ni钢（如06Cr19Ni9、12Cr18Ni9Ti） 高Cr钢（如12Cr13、20Cr13） 不锈钢 抗氧 化钢 热强钢 高Cr钢（如12Cr17、12Cr25Si2） 如12Cr18Ni9Ti、12Cr16Ni25Mo6、Cr-Ni钢（如20Cr25Ni20、20Cr25Ni20Si2） 以Cr12为基的多元

3、合金化 高Cr钢（如1Cr12MoWV） 不锈钢的分类按组织分类 奥氏体钢 铁素体钢 马氏体钢 铁素体奥 氏体双相钢 06Cr19Ni10 022Cr17Ni14Mo2 沉淀硬化钢 06Cr13Al 10Cr17 12Cr13、06Cr13、S31803SAF2205SAF 2507 06Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH 06Cr17Ni7Al，简称17-7PH 不锈钢的分类二、 部分不锈钢的特性表 1 不锈钢及耐热钢的物理性能三、奥氏体不锈钢的焊接1、奥氏体不锈钢的主要类型 奥氏体不锈钢通常有 18-8型（TP304、 TP347、 TP321 ） 18-12型（TP316）、 2

4、3-13型（309）、 25-20型（TP310）等 奥氏体不锈钢类型为克服晶间腐蚀倾开发了12Cr18Ni9Ti(TP321)和06Cr18Ni11Nb(TP347)等 主要牌号有12Cr18Ni9(TP304H)和06Cr18Ni9 (TP304)超低碳18-8型不锈钢，如022Cr19Ni10等(TP304L) 06Cr17Ni12Mo2、(TP316)06Cr18Ni12Mo2Ti(TP316)等 牌号有06Cr23Ni13等（TP309） 牌号有06Cr25Ni20等（TP310） 18-8型奥氏体不锈钢 18-12Mo型奥氏体不锈钢23-13型奥氏体不锈钢 25-20型奥氏体不锈钢

5、 奥氏体不锈钢的焊接2、奥氏体不锈钢焊接性分析 奥氏体不锈钢没有磁性 不锈钢因为由Cr,Ni等元素组成，熔点较普通碳钢高。 不锈钢的线膨胀系数大，（比碳钢约大50%）， 不锈钢的导热系数小，（约为碳钢的1/3）， 以上原因导致焊接应力比较大，因此在冷却时产生的收缩应力大，产生的变形大。 熔池流动性差，成型较难掌握，特别是全位置焊接是更为突出； 奥氏体不锈钢接头中有多种合金元素，在焊接过程中，如果对熔池及高温成型区保护不好，将引起合金元素的氧化，奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢焊接性分析热裂纹晶间腐蚀应力腐蚀开裂焊接接头的脆化焊接变形与收缩2.1 焊接热裂纹2.1.1热裂纹的一般

6、特征 热裂纹奥氏体不锈钢具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有产生热裂纹的可能。 凝固裂纹 凝固裂纹主要发生在焊缝区，最常见的弧坑裂纹就是凝固裂纹。 液化裂纹 液化裂纹多出现在靠近熔合线的近缝区。在多层多道焊缝中，层道间也有可能出现液化裂纹。高温失塑裂纹 高温失塑裂纹，通常发生在焊缝金属凝固结晶完了的高温区 2.1.2产生热裂纹的原因奥氏体不锈钢的物理特性是热导率小、线膨胀系数大，因此在焊接的局部加热和冷却条件下，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝金属及近缝区在高温承受较高的拉伸应力与拉伸应变，这是产生热裂纹的基本条件之一。对于奥氏体不锈钢焊缝，通常联生结晶形成方向性很强的粗大柱状晶组织

7、，在凝固结晶过程中，一些杂质元素及合金元素，如S、P、Sn、Sb、B、Nb易于在晶间形成低熔点的液态膜，因此造成焊接凝固裂纹。对于奥氏体不锈钢母材，当上述杂质元素的含量较高时，将易产生近缝区的液化裂纹。2.1.3 避免奥氏体型不锈钢焊接热裂纹的途径 冶金措施焊缝金属中增添一定数量的铁素体组织，使焊缝成为奥氏体-铁素体双相组织，能很有效地防止焊缝热裂纹的产生。常用以促成铁素体的元素有铬、钼、钒等。控制焊缝金属中的铬镍比，对于18-8型不锈钢来说，当焊接材料的铬镍比小于1.61时，就易产生热裂纹；而铬镍比达到2.33.2时，就可以防止热裂纹的产生。这一措施的实质也是保证有一定量的铁素体存在。上述冶

8、金因素主要是通过焊接材料(焊条、焊丝和焊剂)的化学成分来调整。目前我国生产的18-8型不锈钢焊条的熔敷金属，都能获得奥氏体-铁素体双相组织。 工艺措施采用适当的焊接坡口或焊接方法，使母材金属在焊缝金属中所占的比例减少(即小的熔合比)。应尽量减少母材金属熔入焊接熔池的数量。尽量选用低氢型焊条，以防止热裂纹的产生。焊接时应选用小的热输入(即小电流快速焊)。在多层焊时，要等前一层焊缝冷却后再焊接次一层焊缝，层间温度不宜高，以避免焊缝过热。施焊过程中焊条不摆动或小摆动。选择合理的焊接结构、焊接接头形式和焊接顺序，以降低焊接应力，减少热裂纹的产生。在焊接过程结束和中途断弧前，收弧要慢且要设法填满弧坑，以

9、防止弧坑裂纹的形成。 2.2 晶间腐蚀 2.2.1 分类 根据不锈钢及其焊缝金属化学成分、所采用的焊接工艺方法，焊接接头可能在三个部位出现晶间腐蚀，包括： 焊缝的晶间腐蚀、 紧靠熔合线的过热区“刀蚀” 热影响区敏化温度区的晶间腐蚀。 18-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位 1HAZ敏化区 2焊缝区 3熔合区 0Cr18Ni9不锈钢HAZ晶间腐蚀 敏化区：18-8钢型奥氏体不锈钢在450-850温度范围内加热后对晶间腐蚀最为敏感，通常把这一温度区间成为敏化温度区间，在此区间内加热的过程称为敏化过程。超低碳以及含Ti或Nb的奥氏体不锈钢不易有敏化区出现。 晶间腐蚀的机理是：贫铬区：不锈钢表面

10、或内部局部铬含量低于平均含量的区域。贫铬区的出现，通常是碳化铬析出的结果。由于铬是保证不锈钢耐腐蚀的元素，贫铬区往往优先发生腐蚀。例如不锈钢中沿晶界析出碳化铬后导致晶界附近贫铬，从而容易发生晶间腐蚀。 刀状腐蚀 定义： 在熔合区产生的晶间腐蚀，如刀削切口形式，故称为刀状腐蚀。发生部位： 只发生18-8钢的熔合区。实质： 与Cr23C6沉淀形成贫铬层有关。必要条件： 高温过热和中温敏化的相继作用。图4-6 Cr23C6、TiC的析出温度Cr23C6的析出温度：600-850； TiC的析出温度：1100 2.2.2防止焊接接头产生晶间腐蚀的措施 1）防止焊接接头晶间腐蚀的工艺措施 A) 首先要选

11、用适当的焊接方法，使输入焊接熔池的热量最小，让焊接接头尽可能地缩短在敏化温度区段下停留时间，减低危险温度对它的影响。 B) 应使焊接熔池停留时间最短。在保证焊缝质量的前提下，用小的焊接电流、最快的焊接速度，来达到这一目的。 C) 操作方面尽量采用多层多道焊，每一道焊缝或每一层焊缝焊后，要等焊接处冷却到100以下再进行次一道或次一层焊； D）强制焊接区快速冷却 E）进行稳定化处理或固溶处理 这是行之有效的方法，即焊后将整个焊接构件进行整体热处理，可以减少或避免晶间腐蚀倾向。2)防止焊缝晶间腐蚀的冶金措施 A 使焊缝金属具有奥氏体-铁素体双相组织，其铁素体的体积分数应超过35%，直至12%。在此范

12、围，不仅能提高焊缝金属抗晶间腐蚀能力和抗应力腐蚀能力，同时还能提高焊缝金属抗热裂纹性能。 B 在焊缝金属中渗入比铬更容易与碳结合的稳定化元素，如钛、铌、钽和锆等。 C 最大限度地降低碳在焊缝金属中的含量，达到低于碳在18-8型不锈钢中室温溶解极限值以下，使碳不可能与铬生成铬的碳化物，从而从根本上消除晶界的贫铬区。碳的质量分数在焊缝金属中小于0.03%时，就能提高焊缝金属的抗晶间腐蚀能力。0Cr17Ni12Mo2不锈钢焊趾处的应力腐蚀裂纹 102.3 应力腐蚀开裂 1）腐蚀介质的影响 腐蚀介质与材料组合上的选择性，在此特定组合之外不会产生应力腐蚀。 2）焊接应力的作用 应力腐蚀开裂是应力和腐蚀介

13、质共同作用的结果。由于低热导率及高热膨胀系数，不锈钢焊后常常产生较大的残余应力。 3 )合金元素的作用 在晶界上的合金元素偏析引起合金晶间开裂是应力腐蚀的主要因素之一。三个条件： 环境 选择性的腐蚀介质 拉应力要防止应力腐蚀的发生，需要采取的措施有： 合理设计焊接接头，避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除焊接接头的应力集中。 尽量降低焊接残余应力，在工艺方法上合理布置焊道顺序，如采用分段退步焊。采取一些消应力措施，如焊后完全退火，在难以实施热处理时，采用焊后锤击或喷丸等。 合理选择母材与焊接材料，如在高浓度氯化物介质中，超级奥氏体不锈钢就显示出明显的耐应力腐蚀能力。在选择焊接材料时，为了

14、保证焊缝金属的耐应力腐蚀性能，通常采用超合金化的焊接材料，即焊缝金属中的耐蚀合金元素(Cr、Mo、Ni等)含量高于母材。 采用合理工艺方法保证焊接接头部位光滑洁净，焊接飞溅物、电弧擦伤等往往是腐蚀开始的部位，也是导致应力腐蚀发生的根源，因此，焊接接头的外在质量也是至关重要的。2.5焊接变形与收缩 奥氏体型不锈钢与碳钢相比，在物理性能上有很大差异，前者在焊接过程中会产生较大的变形和焊后收缩。 18-8型不锈钢焊后产生较大变形的原因： 与碳钢相比，其热导率低，约为碳钢的1/3，导致热量传递速度缓慢，热变形增大； 再则18-8型不锈钢的线膨胀系数又比碳钢大40%左右，更引起加热时热膨胀量和冷却时收缩

15、量的增加，当然焊后的变形量就显得更加突出了。 事实证明，焊接变形量的大小与焊接参数的选择、焊接次序的正确性、操作的合理性都有一定的关系。 为了尽量减少18-8型不锈钢焊接变形和焊后收缩引起焊件尺寸的不足，对接接头的焊接构件要留有足够的收缩余量。 3 奥氏体不锈钢焊接工艺 3.1、焊接方法不锈钢管道焊接通常有钨极氩弧焊、焊条电弧焊、熔化极MIG焊、SAW自动焊的焊接方法等。钨极氩弧焊焊条电弧焊3.2 常用不锈钢管道焊接材料类别类别钢号钢号焊丝焊丝焊条焊条国内国内国外国外型号型号牌号牌号型号型号牌号牌号铬镍奥氏体不锈钢0Cr18Ni9TP304ER308H08Cr21Ni10SiE308-15A1

16、0700r19Ni10TP304LER308LH03Cr21Ni10SiE308L-16A0021Cr18Ni9Ti0Cr18Ni10TiTP321HTP321ER347H08Cr20Ni10NbE347-15A1370Cr18Ni11NbTP347、TP347HER347H08Cr20Ni10NbE347-15A13700Cr17Ni14Mo2TP316LER316LH03Cr19Ni12Mo2SiE316l-16A0220Cr17Ni12Mo2TP316ER316H08Cr19Ni12Mo2SiE316-15A207 3.3、焊接工艺要点 GTAW+SMAW焊接工艺 1)管道根层焊道采用钨

17、极氩弧焊； 2）焊条电弧焊时采用小线能量、短电弧、不摆动或小摆动操作，坡口两侧各100范围内涂上白垩粉或者盖上石棉布，以防止飞溅，损伤母材； 3）焊接时采用多道焊，每层焊接接头错开； 4）铬镍奥氏体不锈钢层间温度控制在150以下，奥氏体-铁素体（双相）不锈钢、镍合金、铁镍合金层间温度控制在100以下； 5）采用实芯焊丝的钨极氩弧焊焊接时，管道焊缝背面须充氩气或氮气进行保护； 6）焊接时所用氩气纯度不低于99.99%，氮气纯度不低于99.5%，含水量小于50mg/L；熔化极MAG、脉冲MIG焊接工艺介绍 熔化极焊接方法是利用焊枪连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电

18、弧来进行焊接的焊接方法。 熔化极气体保护电弧焊通常用的保护气体有：氩气、氦气、CO2气或这些气体的混合气。 以氩气或氦气为保护气时称为熔化极惰性气体保护电弧焊（简称为MIG焊）； 以惰性气体与氧化性气体(O2,CO2)混合气为保护气体时，称为熔化极活性气体保护电弧焊（简称为MAG焊）。 熔化极气体保护电弧焊的主要优点：是可以方便地进行各种位置的焊接，同时也具有焊接速度较快、熔敷率高等优点。不锈钢MAG焊接不锈钢MIG焊接 铁素体型不锈钢的焊接 代表性的材料有06Cr13Al 、10Cr17 。 1.焊接性高温 脆性 铁素体不锈钢焊接接头加热至9501000以上后急冷至室温，焊接热影响区的塑性和

19、韧性显著降低，称为“高温脆性”。其脆化程度与合金元素碳和氮的含量有关。相 脆化 普通纯度铁素体不锈钢中wCr21%时，若在520820之间长时间加热，可析出相。相的形成与焊缝金属中的化学成分、组织、加热温度、保温时间以及预先冷变形等因素有关。475脆化 wCr15%的普通纯度铁素体不锈钢在400500长期加热后，即可出现475脆性。 475脆化可通过焊后热处理消除。四、铁素体型不锈钢的焊接2. 铁素体不锈钢的焊接工艺特点焊接方法 可采用焊条电弧焊、药芯焊丝电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊和埋弧焊 焊接材料的选择 同质铁素体型、奥氏体型和镍基合金 低温预热及焊后热处理 预热在10020060

20、0-700焊后热处理五、马氏体不锈钢焊接性分析马氏体不锈钢的类型Cr13系钢1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 热强马氏体钢 2Cr12WMoV、2Cr12MoV、超低碳复相马氏体钢 0.01C-13Cr-7Ni-3Si、0.03C-12.5Cr-4Ni-0.3Ti 焊接性分析 焊接接头的冷裂纹 焊接接头的硬化现象 马氏体不锈钢焊接性分析焊接接头的冷裂纹 马氏体型不锈钢Cr12%，增加钢的奥氏体稳定性,适量的碳和镍，淬硬性和淬透性高，经固溶再空冷也会发生马氏体转变。马氏体型不锈钢焊缝和热影响区焊后状态的组织为硬脆的马氏体组织。马氏体型不锈钢导热性较碳钢差，焊后残余应力较大，如果焊接

21、接头刚度又大或焊接过程中含氢量又较高，当从高温直接冷至120100以下时，很容易产生冷裂纹。马氏体不锈钢焊接性分析焊接接头的硬化现象Cr13类马氏体不锈钢以及Cr12系列的热强钢，可以在退火状态或淬火状态下进行焊接。无论焊前原始状态如何，冷却速度较快时，近缝区必会出现硬化现象，形成粗大马氏体的硬化区。在冷却速度较小时，近缝区会出现粗大的铁素体，塑性和韧性也明显下降。所以，焊接时冷却速度的控制是一个难题。马氏体不锈钢焊接性分析马氏体不锈钢的焊接工艺特点马氏体不锈钢的焊接工艺特点 焊接材料的选择+预热及焊后热处理同质焊缝焊接时，宜预热。预热温度与材料厚度、填充金属种类、焊接方法和构件的拘束度有关，

22、与碳含量关系最大。最好采用同质填充金属来焊接马氏体钢，同时应考虑合理的合金化，加少量Ti、Al、N、Nb等以细化晶粒，降低淬硬性。焊接构件不能进行预热或不便进行热处理时，可采用奥氏体不锈钢焊接材料。对于热强型马氏体钢，最希望焊缝成分接近母材。马氏体型不锈钢的预热温度不宜过高，否则将使奥氏体晶粒粗大，并且随冷却速度降低，还会形成粗大铁素体加晶界碳化物组织，使焊接接头塑性和强度均有所下降。马氏体不锈钢焊接性分析六、不锈钢焊条的型号及选用 （1）不锈钢焊条的型号 根据GB/T983不锈钢焊条的规定，不锈钢焊条型号根据熔敷金属的化学成分、药皮类型、焊接位置及焊接电流种类划分。 其型号编制方法是：首字母

23、“E”表示焊条，“E”后面的数字表示熔敷金属化学成分分类代号，如有特殊要求的化学成分，该化学成分用元素符号表示，放在数字的后面；短划“-”后面的两位数字表示药皮类型、焊接位置及焊接电流种类。不锈钢焊条分类见所示。E 410 NiMo-26焊条为碱性或其他类型药皮，适用于平焊和横焊位置，采用交流或直流反极性焊接熔敷金属中Ni和Mo的含量有特殊要求熔敷金属成分分类代号焊条 （2）不锈钢焊条的牌号 牌号前加“G”（或“铬”字）或“A”（或“奥”字），分别表示铬不锈钢焊条或奥氏体铬镍不锈钢焊条。 牌号第一位数字，表示熔敷金属主要化学成分组成等级，见表10-2所示。 牌号第二位数字，表示同一熔敷金属主要化学成分组成等级中的不同牌号。对同一组成等级焊条，可