5焊接工艺—不锈钢的焊接.

第十章不锈钢的焊接主讲老师：吴新华本章讲述要点：•慨述•不锈钢的焊接性•不锈钢的焊接工艺•奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺•异种钢焊接不锈钢焊接接头的宏观照片YAG-MAG激光电弧复合焊第一节不锈钢及耐热钢的分类及特性一、不锈钢的基本定义不锈钢的定义原义型习惯型广义型仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称泛指耐蚀钢和耐热钢，统称为不锈钢StainlessSteels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（wCr≥12%）、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二、不锈钢及耐热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按用途分类超低碳Cr-Ni钢(如00Cr25Ni22Mo2、00Cr22Ni5Mo3N)等低碳Cr-Ni钢（如0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti）高Cr钢（如1Cr13、2Cr13）不锈钢抗氧化钢热强钢高Cr钢（如1Cr17、1Cr25Si2）Cr-Ni钢如1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6、4Cr25Ni20、4Cr25Ni34等Cr-Ni钢（如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）以Cr12为基的多元合金化高Cr钢（如1Cr12MoWV）包括大气环境下及有浸蚀性化学介质中使用的钢，工作温度一般不超过500℃，要求耐腐蚀，对强度要求不高。在高温下具有抗氧化性能的钢，它对高温强度要求不高。工作温度可高达900～1100℃。在高温下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高温强度，工作温度可高达600～800℃。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18-8:0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti(18-8Ti)25-20:2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni2025-35:0Cr21Ni32、4Cr25Ni35沉淀硬化钢1Cr17、1Cr25Si2000Cr30Mo2Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12、1Cr12MoWV00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr25Ni5Mo3N、00Cr22Ni5Mo3N0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH0Cr17Ni7Al，简称17-7PH按室温组织分类《GB/T20878-2007不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》1)A型不锈钢：基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织为主，无磁性，主要通过冷加工使其强化（并可能导致一定的磁性）的不锈钢。是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为8%～25%）而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。它是应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型。（固溶态供货），综合性能最好18-8型：1Cr18Ni9Ti0Cr18Ni825-20型：2Cr25Ni20Si24Cr25Ni2025-35型：4Cr25Ni354Cr25Ni35Nb2)F型不锈钢：基体以体心立方晶体结构的铁素体组织为主，有磁性，一般不能通过热处理硬化，但冷加工可使其轻微强化的不锈钢。显微组织为铁素体，铬的质量分数在11.5%～32.0%范围。主要用作耐热钢（抗氧化钢），也用作耐蚀钢。铁素体钢以退火状态供货。常为耐蚀钢:1Cr17、1Cr25Si2、000Cr30Mo2按室温组织分类3)M型不锈钢：基体为马氏体组织，有磁性，通过热处理可调整其力学性能的不锈钢。这类钢中铬的质量分数为11.5%～18.0%。Cr13系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12，常用作不锈钢。热处理对马氏体钢力学性能影响很大，须根据要求规定供货状态，或者是退火态，或者是淬火回火态。4)A-F（双相）型不锈钢：基体兼有奥氏体和铁素体两相组织（其中较少相的含量一般大于15%），有磁性，可通过冷加工使其强化的不锈钢。钢中铁素体δ占60﹪～40﹪，奥氏体γ占40﹪～60﹪，故常称为双相不锈钢。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性能。（固溶态供货），腐蚀性能最好18-5型：00Cr18Ni5Mo3Si2；22-5型:00Cr22Ni5Mo3N25-5型：0Cr25Ni5Mo3N；5)沉淀硬化型不锈钢：基体为奥氏体或马氏体组织，经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，主要用作高强度不锈钢。（时效处理态供货）M，A+M0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)；0Cr17Ni7Al(17-7PH)第二节不锈钢的特性类型钢号密度ρ(20℃)/g·cm-3比热容c(0～100℃)/J·(g·℃)-1热导率λ(100℃)/J·(cm·s·℃)-1线膨胀系数α(0～100℃)/μm·(m·℃)-1电阻率μ(20℃)/μΩ·(cm2·cm-1)铁素体钢0Cr134Cr25N7.757.470.460.500.270.2110.810.46167马氏体钢1Cr132Cr137.757.750.460.460.250.259.910.3575518-8型奥氏体钢0Cr19Ni101Cr18Ni9Ti1Cr18Ni12Mo28.038.038.030.500.500.500.150.160.1616.916.716.072747425-20型奥氏体钢2Cr25Ni200Cr21Ni328.038.030.500.500.140.1114.414.278991.不锈钢的物理性能一般地说，合金元素含量越多，热导率λ越小，而线膨胀系数α和电阻率μ越大。马氏体钢和铁素体钢的λ约为低碳钢的1/2，其α与低碳钢大体相当。奥氏体钢的λ约为低碳钢的1/3，其α则比低碳钢大50%，并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。由于奥氏体不锈钢这些特殊的物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种金属焊接时，由于这两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差异，会产生很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。非奥氏体钢均显现磁性；奥氏体钢中只有25-20型及16-36型奥氏体钢不呈现磁性；18-8型奥氏体钢在退火状态下虽无磁性，在冷作条件能显示出强磁性。2.不锈钢的成分及力学性能表3-7常用不锈钢种的化学成分(质量分数，%)AISI牌号GB①CCrMoNi组织结构②17-4PH0Cr17Ni4Cu4Nb0.07max15.0-17.5-3.0-5.0PH4101Cr130.15max11.5-13.5--Mart4301Cr170.12max16.0-18.0--Ferr3040Cr18Ni90.08max18.0-20.0-8.0-10.5Aus304L00Cr18Ni110.03max18.0-20.0-8.0-12.0Aus3160Cr17Ni12Mo20.08max16.0-18.02.0-3.010.0-14.0Aus316L00Cr17Ni14Mo20.03max16.0-18.02.0-3.010.0-14.0Aus317L00Cr19Ni13Mo30.03max18.0-20.03.0-4.011.0-15.0Aus904L00Cr20Ni25Mo40.02max19.0-23.04.0-5.023.0-28.0Aus220500Cr22Ni5Mo30.03max21.0-23.02.5-3.54.5-6.5Dup2205N00Cr22Ni5Mo3N0.03max22.0-23.03.0-3.54.5-6.5Dup一般常用不锈钢种退火后的最低力学性能AISI牌号GB①屈服强度Mpa抗拉强度Mpa伸长率，%17-4PH0Cr17Ni4Cu4Nb11721310104101Cr13207448224301Cr17207448223040Cr18Ni920751740304L00Cr18Ni11172483403160Cr17Ni12Mo220751740316L00Cr17Ni14Mo217248340317L00Cr19Ni13Mo320751740904L00Cr20Ni25Mo422049035220500Cr22Ni5Mo3450620252205N00Cr22Ni5Mo3N450620253.不锈钢的耐蚀性能应力腐蚀（SCC):不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。晶间腐蚀：在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。缝隙腐蚀：在电解液中，如在氯离子环境中，不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时，缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl－而被局部破坏的现象。点腐蚀（孔蚀或坑蚀）：金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生的局部腐蚀均匀腐蚀：接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象(4)晶间腐蚀在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。受这种腐蚀的设备或零件，外观虽呈金属光泽，但因晶粒彼此间已失去联系，敲击时已无金属的声音，钢质变脆。晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬”现象有联系。•18-8奥氏体不锈钢在450～850℃加热（敏化加热）时，由于沿晶界沉淀出铬的碳化物Cr23C6，致使晶界边界层Cr低于12%，形成贫Cr区，在腐蚀介质中即可沿晶粒边界发生所谓晶间腐蚀(Inter-granularcorrosion)。现已证明，若钢中含碳量低于其溶解度，C0.0155-0.03%,就不会析出Cr23C6，因而不会贫铬。钢中含碳量越高，晶间腐蚀倾向越大。若钢中存在碳化物稳定元素，如Ti、Nb等(常称为稳定化元素)，经稳定化处理（加热850℃*2h），优先形成NbC或TIC，因可限制Cr与C结合，而防止Cr的损失，故可提高抗晶间腐蚀性能。(5)应力腐蚀也称应力腐蚀开裂（StressCorrosionCracking，简称SCC），是指不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。不锈钢的应力腐蚀大部分是由氯引起的。高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。什么是敏化区？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。σ相脆化：是Cr的质量分数约45%的典型FeCr金属间化合物，无磁性，硬而脆。Cr20%即可产生一般在500～900℃长时加热有利于σ相的形成。多分布在晶界，降低韧性。475℃脆性：主要出现在Cr＞15%的铁素体钢中。430～480℃之间长期加热并缓冷，导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象。杂质有促进作用，高纯度可抑制。易产生的在600-700℃保温1h空冷可恢复。热强性：在高温下长时间工作时对断裂的抗力（持久强度），或在高温下长时间工作时抗塑性变形的能力（蠕变抗力）。耐热性能：耐热性能是指高温下，既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性，同时又有足够的强度即热强性。不锈钢及耐热钢的高温性能第三节奥氏体不锈钢的焊接性一、奥氏体不锈钢的类型类型18-8型奥氏体不锈钢18-12Mo型奥氏体不锈钢为克服晶间腐蚀倾开发了1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni11Nb等主要牌号有1Cr18Ni9和0Cr18Ni925-20型奥氏体不锈钢超低碳18-8型不锈钢，如00Cr19Ni10等0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti等牌号有0Cr25Ni20等奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%，该类钢是一种十分优良的材料，有极好的抗腐蚀性和生物相容性，因而在化学工业、沿海、食品、生物医学、石油化工等领域中得到广泛应用。奥氏体不锈钢的类型常用的奥氏体型不锈钢根据其主要合金元素Cr、Ni的含量不同，可分为如下三类：(