合金元素对金属材料焊接性能的影响

1、合金元素对金属材料焊接性能的影响摘 要 本文研究了 M n、C、Si、Mo 、Cr、 N i、T i、N b 等合金元素对低合金钢和不 锈钢焊接性能(包括焊缝的机械性能、 耐蚀性、 耐热性等)的影响。合金元素的含量对 低合金钢焊接过程中组织的变化，及到达最正确性能是某些合金元素得到含量值；同时分 析了合金元素对25-20 型奥氏体不锈钢、00Cr12NiTi 铁素体不锈钢、2205 双相不锈钢， 超级马氏体不锈钢(SMSS)组织和性能的影响。分析结果说明：合金元素的参加, 对焊 缝的组织及其性能具有明显的改善和提高的作用，为钢材在工程工程中的应用起到了关 键作用。 关键词: 合金元素 焊接性能

2、 组织及性能 Alloying elements on weldability of metallic materials Abstract This paper studies the M n, C, Si, Mo, Cr, N i, T i, N b and other alloying elements on the low-alloy steel and stainless steel welding performance (including the weld mechanical properties,corrosion resistance, heat resistance e

3、tc.) influence.Content of alloying elements during welding of low alloy organizational changes, and to achieve the best performance is the value of certain alloying elements to be content; Simultaneous analysis of alloy elements on the 25-20 type austenitic stainless steel, 00Cr12NiTi ferritic stain

4、less steel, 2205 duplex stainless steel, super martensitic stainless steel (SMSS) organization and performance. The results showed that: Alloy elements added, the performance of the weld and its obvious to improve and enhance the role of steel in the project application has played a key role. Keywor

5、ds: Alloying elements Welding performance Organization and Performance 前言 产品的技术条件中所规定的使用性能是根据产品的使用条件制定的。工作条件越苛 刻(如高温、 高压、 与强腐蚀介质接触) , 对焊接接头质量要求越高, 满足这些条件的 难度也随之增加, 致使对钢材性能的稳定和焊接技术提出了更新更高的要求, 这就要求 不但有良好稳定的原始组织, 而且要具有良好的焊接性能。焊接性一直是人们所关注的 一项重要性能 ,它在很大程度上决定了某种钢能否大量应用。要保证良好的焊接性能, 又要保证合金钢的实用价值，不可防止地要参加合金元

6、素，而参加元素的选择那么成了必 须考虑的问题。先就将各种合金元素对焊接性能的影响分析如下： 1 合金元素对低合金钢焊接性能的影响 1.1 锰(Mn)对焊接性能的影响 在焊缝中增加锰的含量，增加了针状铁素体的数量，同时相应减少了先共析铁素体 和层状组分的数量,细化了焊缝的针状铁素体和粗晶区、细晶区的纤维组织；改善组织和 细化珠光体晶粒，提高焊缝的强度和淬透性，故可以降低脆性转变温度；增加0.1%Mn， 焊缝的屈服强度和抗拉强度约提高10MPa；含1.5%Mn 时焊态和消除应力状态下焊缝的 冲击韧性为最正确；经应变时效焊缝的冲击韧性，在含锰量较高时到达最正确值；锰可以用 来脱硫, 从而减少低熔点化

7、合物在晶间的分布, 降低了焊缝金属的结晶裂纹敏感性。 1.2 碳(C)对焊接性能的影响 碳是合金钢中必不可少的元素, 但也是使焊接性恶化的元素, 焊缝中随着碳的含量 增加, 焊缝的强度、 硬度会有所增加, 同时, 焊缝的结晶裂纹和焊接接头的冷裂纹倾向 都要增大, 因而在选用焊接材料时, 应控制焊材向焊缝中过渡的碳的数量。 1碳在低强度焊缝中 增加碳就增加了针状铁素体的数量，同时减少了先共析铁素 体数量；细化了粗晶区、细晶区的组织；增加了细晶区的二次相数量；提高了硬度、屈 服强度和抗拉强度；显著减少了冲击吸收功的分散度；当含碳量为0.07%0.09%时含 1.4%Mn 可获得最正确韧性。 2碳在

8、高强度焊缝中 碳增加，增加针状铁素体的比例，减少晶界铁素体的数量； 焊态下焊缝的硬度、屈服强度、抗拉强度匀随含碳量的增加0.05%0.12%而提高， 焊口的冲击韧性随含碳量的增加而减小；含碳量为0.07%0.10%的焊缝在焊态和消除 应力状态匀可得到良好的强度与韧性匹配。 1.3 硅(Si)对焊接性能的影响 硅会引起固溶强化和二次相系数增多，而导致焊缝金属变脆，所以从韧性考虑添加 硅是有害的。但从防止焊缝气孔形成考虑，焊缝金属中至少应含有0.2%Si，在冶金方面, 硅是良好的脱氧剂并可防止CO 气孔因此, 焊缝中应含有一定量的硅, 但应注意到脱氧 产物很容易形成硅酸还将夹渣, 低熔点的硅酸盐可

9、能导致结晶裂纹, 此外, 硅酸盐还会 增加熔渣和熔化金属的粘度, 引起较严重的飞溅, 影响焊接量。随硅含量的增加焊缝的 硬度、屈服强度、抗拉强度会呈非线性增加；韧性下降，其损坏程度与含锰量有关，当 含锰量处在1.4%最正确时，含硅量可允许高达0.5%，那么焊缝可具有所需的各项力学性能。 1.4 钼(Mo)对焊接性能的影响 钼是提高热强性有效元素, 能提高热影响区的淬硬倾向, 使裂纹敏感性增大。 添加 钼后由于焊缝金属固溶硬化，先共析铁素体量逐渐减少，针状铁素体比例开始时增多， 随后减少，提高了柱晶区、粗晶区、细晶区和不完全相变区的硬度，并减少了这些不同 区域之间硬度的差异。无钼焊缝和含1.1%

10、Mo 焊缝之间的硬度相差40-50HV。钼对焊缝 强度的影响比锰大，由于钼引起的固溶强化和碳化物析出所致，含钼量超过0.5%的焊 缝经消除应力后强度有所提高。对于焊缝的韧性，在焊态，一般认为W MO = 0、25- 0、 50% , 既可强化金属, 又可改善韧性,W MO > 0、5%韧性开始恶化,为防止脆化,W MO 不超 过0、65%。低锰时添加0.25%Mo 是有益的，在消除应力下添加钼匀有害。另外, 钼还 可以提高焊缝的耐蚀性, 但只有当焊缝中钼的含量处于 0、16% 0、33%的范围内时, 随焊缝中钼含量的增加, 其SCC (抗应力腐蚀开裂)能力才有大幅度提高, 所以为了提高

11、焊缝的SCC 抗力, 其理想钼的含量应为0、33%左右。 1.5 铬(Cr)对焊接性能的影响 铬对提高焊缝的淬透倾向作用比拟强裂, 焊态焊缝的金属的硬度随含铬量的增加而 逐渐提高，且在低锰时根本上是呈线性的，并可以提高脆性转变温度, 因而从这点来讲, 对焊接是不利的, 铬可以提高焊缝的耐热性, 当焊缝中含一定铬时, 在氧化性介质中可 在外表形成致密、 稳定氧化膜, 从而提高其耐蚀性, 此外, 铬可以提高铁基固溶体的电 极电位, 因此, 其耐蚀性能可以大大提高, 为保证铬的防腐蚀作用, 焊缝中必须控制碳 的含量, 铬对焊缝组织的改变表现在, 它可以使贝氏体转变曲线左移, 扩大贝氏体转变 区。 1

12、.6 镍(N i)对焊接性能的影响 对一般非热处理强化的低合金钢的焊接来说, 镍的参加可以起到提高焊缝的强度而 根本上组织的角度来讲, 镍对焊接性能有利, 但当镍的含量较高时, 可能与焊缝中的杂 质(如硫)形成低熔点化合物, 而使热裂纹敏感性明显增大。在含锰的低合金钢焊缝中增 加镍后，焊态焊缝中先共析铁素体的比例减少，二针状铁素体曾多，在高锰焊缝中还出 现马氏体，在粗晶区多边形铁素体的比例减少，针状铁素体增加，在含1.8%Mn 焊缝中 出现马氏体岛，细晶区的等轴细晶逐渐改变，铁素体晶粒减少，含二次相的铁素体团增 多，条带状显微组织和化学不均匀性增加，使焊缝的硬度，屈服强度，抗拉强度匀有提 高。

13、在低锰时对抗解理断裂是有益的，而在高锰时有害的，在含0.6%Mn 时得到最正确韧 性，消除应力处理对锰镍匹配的焊缝韧性几乎没有影响，但在镍与锰含量不匹配时产生 严重脆性。 1.7 钛(T i)对焊接性能的影响 钛可以起到细化晶粒的作用, 钛控制在一定范围内时, 可以保证焊缝具有较高强度, 同时仍可获得较高的冲击韧性, 但钛含量过高, 那么使韧性恶化, 这样证明了以微合金化 取代镍等贵重合金的可能性。此外, 在奥化体不锈钢焊缝中, 焊缝参加少量的钛作为稳 定剂, 可改变碳化物的类型, 钛将优先与碳结合从而防止形成碳化铬(钛与碳亲和力大 于铬与碳亲和力) , 从而防止了贫铬层的产生, 这样保证了奥

14、化体不锈钢焊缝抗晶间腐 蚀的能力。 1.8 铌(N b)对焊接性能的影响 70 年代以来, 铌作为合金化元素广泛于低碳合金钢生产中, 一般认为, 铌可以细化 晶粒, 少量的铌可以提高根本钢焊缝的屈服强度(Rs) , 由于含铌的母材稀释率较大(薄 板焊接时, 稀释率可达70%以上) , 所以焊缝金属中的铌将由母材过渡,而含铌钢时焊接 材料中一般不含铌。铌对低合金钢焊缝, 金属低温韧性有一定影响, 在C- M n 系焊缝中, 能促进焊缝金属侧板条铁素体组织的产生, 使焊缝金属韧性恶化, 而在C- M n- T i- B 系焊缝金属中, 铌促进焊缝金属细小均匀针状铁素体组织的产生, 从而提高焊缝金属

15、的 低温韧性。除此以外, 还有许多微合金元素亦对焊缝性能有着不同的影响, 例如, 硼(B) 可以细化晶粒,并可提高焊缝的抗腐蚀开裂的能力: 钒(V )可以细化焊缝金属的铸态组织, 防止热影响区晶粒过分长大。 近年来, 在焊接材料中广泛应用的稀土元素可以细化晶粒, 并可提高焊缝组织的耐腐蚀能力。 2 合金元素对不锈钢焊接性能的影响 2.1 对25-20 型奥氏体不锈钢焊接性的影响 1Ni 的影响： Ni 是奥氏体化元素，是强烈形成热裂纹的元素；另外他与 S、 P 、 Ti 、Nb 等易形成低熔点共晶体，在644 时，可促进热裂纹的产生。 2Mn 的影响： Mn 有脱 S 的作用，可与 S 形成M

16、nS，从而减弱产生热裂纹的倾向； 同时，在高Ni 纯奥氏体钢中， Ni 促使产生低熔点共晶NiS 2 ，形成焊接裂纹， 假设用部 分Mn 代替Ni，可大大提高抗热裂纹性能。 3C 的影响：当 (C)在 0.18%0.2%时，热裂倾向增大，因消除了西格玛相之故，对 于 25- 20 钢，当焊缝金属中含 Si 量不变时，假设含 C 量增加，热裂倾向减弱并促使焊 缝金属强度 、塑性提高；但含 (C)提高到 0.2%0.3%时，焊缝中会出现一次碳化物而 使 Cr25Ni20Si2 钢强度极限提高到72 kg/mm 2 ，延伸率降低到20%25%，冲击值 K 可 达2026 kg m/cm 2 当在 7

17、00900 下短时加热后，焊缝中二次碳化物析出，而使 K 由 24.9 kg m /cm 2 降到7.6 kg m /cm 2 所以，在 25- 20 钢焊缝中，适当提高 C 含量对焊缝 机械性能利多而弊少。 4Si 的影响：在 A 焊缝中，Si 是形成热裂纹的一个主要有害元素 在 Cr Ni 钢焊 接时， Si 与其他元素易发生冶金反响而形成 Ni- Si Fe- Si 低溶点共晶物，从而促进焊 接裂纹的产生一般情况下，(Si)=0.3%0.4%时，就会形成热裂纹。 5P 的影响： P 对25- 20 钢焊缝的热裂纹影响最明显 当用酸性渣或酸性焊条时，(P) 由 0.015%0.018%增到

18、0.035%时，焊缝金属延伸率由 40%降到20%；用碱性渣或碱性 焊条时，(P)增到0.05%，焊缝金属的塑性才会显著降低，这说明碱性渣或碱性焊条抗裂 性强 6其他元素的影响： W与Mo 对焊缝机械性能有利； Ti Al 在高 Cr Ni 奥氏体焊缝 中与 Si 的作用相似； V 对焊缝抗热裂性能有利，但V 会形成莱氏体共晶，在25- 20 钢焊缝中加V 有损于高温抗氧化性能。 2.2 对00Cr12NiTi 铁素体不锈钢焊接性的影响 铁素体不锈钢由于热膨胀系数与碳钢接近而比奥氏体小 ,并且 S、 P 等杂质元素在 铁素体中溶解度大 , Si、Nb 等又是铁素体形成元素 ,因此 ,焊缝结晶时

19、不易形成低熔点 共晶 ,热裂纹的倾向比奥氏体不锈钢小得多 ,同时焊接热影响区超过临界温度的区域形 成的马氏体量也极少 ,比马氏体不锈钢的延迟裂纹的敏感性小。铁素体不锈钢在焊接中 的主要问题是晶粒易于长大 ,形成粗大的铁素体晶粒,而脆化导致冲击韧度降低和 475 脆化问题。硅在不锈钢中的含量一般 0. 8% ,随着硅含量的增加 ,钢中、 等 脆性相析出的敏感性增加 ,会降低钢材的塑性和韧度 ,耐蚀性下降 ,焊接性不良。但硅也 使不锈钢具有优异的耐高温性能 ,在焊接加工时可降低对热裂纹的敏感性。锰在不锈钢 中的有益作用是形成 MnS,抑制 S 的有害作用 ,提高了钢的热塑性。锰是一种弱奥氏体 形成

20、元素 ,在不锈钢中是一种脱氧剂。但锰在不锈钢中会促进 等脆性相的析出。钛和 铌作为不锈钢中强烈形成碳、 氮化合物的稳定化元素 ,主要是防止钢中铬与碳结合形成 铬碳化合物而引起的贫铬所导致耐蚀性下降 ,特别是引起晶间腐蚀。在不锈钢中 ,由于 钛和氮的亲合力要大于铌 ,铌和碳的亲合力要大于钛 ,因此 ,钛和铌的同时存在可防止 大量形成 NbN,又可利用铌的固碳作用和强化作用 ,提高不锈钢的强度。它们可与镍形 成金属间化合物 ,在钢中弥散析出 ,起到第二相强化的作用。不锈钢中钛和铌的复合加 入称为双稳定化 ,可提高铁素体钢的抗疲劳性、 冷成型性和焊接性。但钛和铌的氮化物 Ti N 和 NbN 是钢中

21、的杂质 ,对不锈钢的性能有不利的影响。氮在铁素体不锈钢中是一 种有害元素 ,应尽量降低。 2.3 对2205 双相不锈钢焊接性的影响 2205 双相不锈钢主要的合金元素是 Cr、 Ni、Mo 和 N, 其质量百分比为22% 的铬、 5%的镍、 3%的钼和0.15%的氮。该材料一般以固溶处理状态交货, 在正 常的交货状态下其显微组织为具有大约 50%的铁素体和大约 50%的奥氏体双相组织, 图 1 为 2205 DSS 板材典型的显微组织, 表 1 是其力学性能典型值。 表 1 2205DSS 力学性能典型值 图 1 2205DSS 板材典型的显微组织 早期的双相不锈钢的焊接性很差, 也因焊接问

22、题出现了许多质量事故。 甚至直到现 在, 对于双相不锈钢的焊接性仍有人担忧。现代双相不锈钢具有最正确的铁素体- 奥氏体 比例 (各约 50% ) , 并采用氮合金化使得现代双相不锈钢具有良好的焊接性, 因而在热 影响区能够很好地重新形成奥氏体并获得力学性能和耐蚀性能良好的焊接接头。与奥氏 体不锈钢相比, 2205 DSS 材料导热系数大, 线膨胀系数小, 又包含两种组织, 因此热裂 倾向和变形小; 与低合金高强钢相比, 因组织中含有约 50%的奥氏体, 因此冷裂纹倾向 小。总的来说, 2205 DSS 可焊性良好, 一般焊前不需预热, 焊后不需热处理, 可与 18-8 型奥氏体不锈钢或碳钢等异

23、种钢焊接。双相不锈钢优良的性能是靠适当比例的两相组织 来保证的。焊接工艺参数对焊缝的组织有很大的影响。 焊接过程采用的线能量过低, 工 件冷却速度过快, 焊缝及热影响区会产生过多的铁素体和氮化物, 从而降低焊接接头的 腐蚀抗力和韧性;线能量过高, 工件的冷却速度过慢, 焊缝及热影响区可能析出金属间相, 也会使焊接接头的腐蚀抗力和韧性降低。 可见, 适宜的焊接工艺参数和一定的技术措施 相结合才能保证焊缝及热影响区的组织和性能。图 2 是试验得到的焊接接头腐蚀速率 (VW) 和低温韧性(AKV- 40) 随线能量的变化曲线; 图 3 是工艺参数不当时焊缝产 生的点蚀形貌。 2.4 对超级马氏体不锈

24、钢(SMSS)焊接性的影响 由瑞士引入超级马氏体不锈钢这个概念,亦称软马氏体不锈钢 ( SupermartensiticStainless Steel 简称 SMSS) 。他是在传统马氏体的根底上通过降低碳 含量(最高含碳量为 0. 07 %) ,增加镍(3. 5 %4. 5 %)和钼(1. 5 %2. 5 %)的含量 ,使其 强度、 硬度提高的同时 ,改善韧性。此外 ,他还克服了传统马氏体在焊接过程中应力裂 纹敏感性以及可焊性差等缺点。 1Cr 和 Ni 的影响 由于碳强化作用的减弱 , SMSS 的强度和硬度主要通过提高 Cr、 Ni 含量加以弥补。铬、镍含量的增加不仅可以提高 SMSS

25、的强度和韧性 ,而且可 以提高抗疲劳性能和抗磨损性能 ,这是因为材料在保持了马氏体为主要基体的根底上 , 形成了稳定的逆变奥氏体。研究说明 ,由马氏体逆转变为高稳定性的奥氏体可用Ni 和 Cr 的富集和相硬化来解释。需要注意的是 ,提高了铬含量会引起 铁素体的增加 ,为了 抑制 铁素体的增加 ,要对 Cr/ Ni 当量比进行控制。正如舍夫勒相图给出的低碳马氏体 不锈钢 Cr/ Ni 当量与组织的关系 ,当铬当量在14 %左右 ,镍当量在 8 %左右 ,图上的 位置位于单相区和两相区的边界 ,其金相组织为回火马氏体 + 少量的逆变奥氏体。另 外 ,铬和碳的相互作用使钢在高温时具有稳定的 或+ 相

26、区 ,铬可以降低奥氏体向铁 素体和碳化物的转变速度 ,从而提高淬透性。在焊材中参加 Ni 不仅增加 SMSS 焊接 接头强度 ,而且还可提高韧性 ,这是因为 Ni 的参加可以使碳含量降得更低 ,由于碳含 量很低 ,单一的铁素体组织将会减少但 Ni 含量不能过高 ,否那么由于 Ni 扩大 相区和 降低 Ms 点温度的双重作用 ,将使钢成为单相奥氏体不锈钢 ,从而丧失淬火能力。 2Mo 的影响 钼也是 SMSS 中参加的元素之一。为了提高焊缝抗腐蚀能力 ,在 焊材中参加 1. 5 %2. 5 %的Mo 是有利的 ,因为 Mo 的抗氢腐蚀性能比 Cr 高 4 倍。 同时钼也是铁素体形成元素 ,除改善

27、接头的耐蚀性外,还可以提高接头的强度和硬度以 及增强2 次硬化效应。 3碳的影响 众说周知 ,碳是影响焊接性能的重要因素 ,因此在设计钢的成分配比 时 ,首先注意到碳的含量要低。当碳含量为 0. 05 %0. 06 %时 ,SMSS 可以在 - 10 环境下不预热补焊 ,或在室温下施焊。此外 ,由于 Cr 是强碳化物形成元素 ,在不恰当的 热处理温度下 ,SMSS 焊接接头的晶界上会析出Cr 的碳化物 ,这种碳化物在较低温度 下会使接头的韧性急剧下降;同时由于 Cr 的碳化物的形成 ,还会使基体中的 Cr 含量 降低 ,当 Cr 含量低于下限的时候 ,那么钢的耐蚀性也会下降。超低碳可以减少这种

28、 Cr 的碳化物形成 ,因而有利于保持 SMSS 焊接接头的韧性和耐蚀性。 4氮的影响 氮是促奥氏体形成元素 ,可以提高焊缝的强度和耐腐蚀性。氮可以增 加SMSS 的屈服强度 ,每增加0. 001 %氮 ,可增加约6MPa 的强度。而且焊接 SMSS 时 , 还可采取保护气体中添加氮的方法来提高焊接接头的质量。这是因为氮可以使焊缝金属 中产生少量的剩余奥氏体 ,弥散分布于马氏体中。可以显著提高焊缝金属的韧性 ,但氮 含量过高 ,易导致产生热裂纹。SH. X. Wang 等人研究结果说明 ,焊缝中含0. 018 %N , 低氮 SMSS 未出现中温回火脆性 ,这是由于焊缝中碳、 氮含量极低 ,中

29、温回火后沿晶 界析出的碳或氮的化合物很少 ,韧性根本保持不变。而含0. 054 %N 的高氮 SMSS 有 中温回火脆性出现 ,是由于晶界上出现了析出物。回火脆性不能通过热处理方法消除 , 只有向钢中参加 Mo、 V 等元素减轻回火脆性,但经淬火和 600 高温回火后有良好的 强韧性 ,其 - 60 低温韧性显著高于低氮 SMSS。 5Nb 元素的影响 Nb 是 SMSS 焊接接头中的有益元素之一。Nb 可以与碳形成 稳定的碳化物 ,防止 “贫铬 现象产生。因而 ,可以提高焊接接头的抗腐蚀性能;同时 , 由于Nb 具有固溶强化作用 ,还可以提高焊接接头的抗拉强度。焊缝在很低的温度退火 时 ,N

30、b 可迅速渗透到基体中。因此 ,Nb 可以有效地提高钢的高温强度。在 550 和 600 回火时 ,SMSS 焊缝中有细小的 Nb (C ,N)析出 ,还可提高焊缝的抗回火软化性。 3 结束语 综上所述, 焊缝的性能可以通过向焊缝中过渡不同的合金元素得到不同程度的提 高, 从而更好地满足技术条件规定的使用要求, 这样焊接结构不仅可以使用可靠, 而 且还可以延长寿命, 所以, 通过焊缝合金化的深入研究, 不断研制出各种新型焊接材 料, 对焊接技术的开展以及推广必将起到积极而深远的作用。 参考文献 1 吴树雄,伊士科，李春范. 金属焊接材料手册M. 北京: 化工工业出版社, 2021.45-74. 2 李为卫, 宫少涛, 熊庆人等.