材料焊接性第4章 不锈钢及耐热钢

第4章不锈钢及耐热钢的焊接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不锈钢焊接接头的宏观照片YAG-MAG激光电弧复合焊4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.1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StainlessSteels4.1.2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）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）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0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti(18-8Ti)2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni200Cr21Ni32、4Cr25Ni35沉淀硬化钢1Cr17、1Cr25Si2000Cr30Mo2Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12、1Cr12MoWV00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr25Ni5Mo3N、00Cr22Ni5Mo3N0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH0Cr17Ni7Al，简称17-7PH4.1.3不锈钢及耐热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2Cr25Ni200Cr21Ni328.038.030.500.500.140.1114.414.27899表4-1不锈钢及耐热钢的物理性能不锈钢的耐蚀性能应力腐蚀晶间腐蚀缝隙腐蚀点腐蚀均匀腐蚀4.1.4Fe-Cr，Fe-Ni相图及合金元素的影响图4-1Fe-Cr二元合金状态图图4-2Fe-Ni二元合金状态图合金元素对相图的影响碳的影响氮的影响锰的影响钼的影响碳是强奥氏体化元素，会使γ相区增大，而δ相区减小氮是强奥氏体化元素Mo也是铁素体形成元素Mo对γ相区有强烈的缩小作用Mn是奥氏体形成元素，与Ni相似，会扩大γ相区，使γ-α的转变向低温移动4.2奥氏体不锈钢的焊接4.2.1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4.2.2奥氏体不锈钢焊接性分析奥氏体不锈钢焊接性分析奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性热裂纹析出现象低温脆化晶间腐蚀应力腐蚀开裂（SCC）热影响区敏化区晶间腐蚀焊缝区晶间腐蚀点蚀刀状腐蚀腐蚀介质的影响焊接应力的作用合金元素的作用奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向，双相钢有时也会有点蚀产生。图4-318-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位1—HAZ敏化区2—焊缝区3—熔合区图4-50Cr18Ni9不锈钢HAZ晶间腐蚀图4-7不锈钢刀状腐蚀形貌500×图4-100Cr17Ni12Mo2不锈钢焊趾处的应力腐蚀裂纹10×4.2.3奥氏体不锈钢的焊接工艺特点焊接材料选择应注意的问题应坚持“适用性原则”根据所选各焊接材料的具体成分来确定是否适用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根据技术条件规定的全面焊接性要求来确定合金化程度不仅要重视焊缝金属合金系统，而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焊接工艺要点合理选择焊接方法控制焊接参数，避免接头产生过热现象接头设计的合理性应给以足够的重视尽可能控制焊接工艺稳定以保证焊缝金属成分稳定控制焊缝成形防止焊件工作表面的污染4.3铁素体及马氏体不锈钢的焊接4.3.1铁素体不锈钢焊接性分析铁素体不锈钢的类型普通铁素体钢高纯度铁素体钢低Cr（wCr=12％～14％）钢如00Cr12、0Cr13、0Cr13Al等中Cr（wCr=16％～18％）钢如0Cr17Ti、1Cr17Mo等高Cr（wCr=25％～30％）钢，如1Cr25Ti、1Cr28等wC＋wN≤0.035％～0.045％如00Cr18Mo2等wC＋wN≤0.03%，如00Cr18Mo2Ti等wC＋wN≤0.01%～0.015％如000Cr18Mo2Ti、000Cr26Mo1等焊接性分析焊接接头的晶间腐蚀焊接接头的脆化高温脆性σ相脆化475℃脆化4.3.2铁素体不锈钢的焊接工艺特点焊接方法焊接材料的选择低温预热及焊后热处理可采用焊条电弧焊、药芯焊丝电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊和埋弧焊同质铁素体型、奥氏体型和镍基合金一般控制在100～200℃，随着母材金属中铬含量的提高，预热温度可相应提高。4.3.3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图4-21高强度马氏体钢TIG焊后的硬度1—1Cr132—2Cr133—00Cr13Ni7Si34.3.4马氏体不锈钢的焊接工艺特点焊接材料焊条实芯焊丝药芯焊丝母材牌号对焊接性能的要求型号牌号焊丝焊缝类型型号牌号预热及层间温度/C焊后热处理抗大气腐蚀E410-16E410-15G202G207H0Cr14Cr13E410T-GGDQM410150~300700~730C回火，空冷耐有机酸腐蚀并耐热—G211—Cr13Mo2150~300—1Cr132Cr13要求焊缝具有良好塑性E308-16E308-15E316-16E316-15E310-16E310-15E309-16E309-15A102A107A202A207A402A407A302A307H0Cr18Ni9H0Cr18Ni12Mo2HCr25Ni20HCr25Ni13Cr18Ni918-12Mo225-2025-13E308LT1-1E316LT1-1E309LT1-1GDQA308LGDQA316LGDQA309L补预热(厚大件预热200C)不进行热处理1Cr17Ni2—E310-16E310-15E309-16E309-15E308-16E308-15A402A407A302A307A102A107HCr25Ni13HCr25Ni20HCr18Ni925-1325-20Cr18Ni9E308LT1-1E309LT1-1GDQA308LGDQA309L200~300700~750℃回火，空冷Cr11MoV540C以下有良好的热强性—G117—Cr10MoNiV300~400焊后冷至100~200℃，立即在700℃以上高温回火Cr12WMoV600C以下有良好的热强性E11MoVNiW-15R817—Cr11WMo-NiV300~400焊后冷至100~200℃,立即在740~760℃以上高温回火表4-5马氏体不锈钢常用的焊接材料图4-22正确的焊后热处理工艺图4-23不正确的焊后热处理工艺4.4奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接4.4.1奥氏体-铁素体双相不锈钢的类型中合金型双相不锈钢低合金型双相不锈钢高合金双相不锈钢超级双相不锈钢00Cr25Ni6Mo2N00Cr25Ni7Mo3WcuN0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti00Cr18Ni5Mo3Si200Cr23Ni4N钢00Cr22NI5Mo3N00Cr25Ni7Mo4N00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN4.4.2双相不锈钢的耐蚀性双相不锈钢的耐蚀性耐应力腐蚀性能耐晶间腐蚀性能耐点蚀性能4.4.3奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接性分析双相不锈钢焊接的冶金特性双相不锈钢焊接接头的析出现象焊缝金属的组织转变焊接热影响区的组织转变铬的氮化物（如Cr2N、CrN）、二次奥氏体（γ2）及金属间相（如σ相等）4.4.4奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接工艺特点焊接方法焊接材料焊接工艺措施控制热输入采用奥氏体相占比例大的焊接材料除电渣焊外，基本上所有的熔焊方法都可以用多层多道焊焊接顺序及工艺焊缝1.不锈钢焊接时，为什么要控制焊缝中的含碳量？如何控制焊缝中的含碳量？2.为什么18-8奥氏体不锈钢焊缝中要求含有一定数量的铁素体组织？通过什么途径控制焊缝中的铁素体含量？3.18-8不锈钢焊接接头区域在哪些部位可能产生晶间腐蚀，是由于什么原因造成的？如何防止？4.简述奥氏体不锈钢产生热裂纹的原因？在母材和焊缝合金成分一定的条件下，焊接时应采取何种工艺措施防止热裂纹？5.奥氏体钢焊接时为什么常采用“超合金化”焊接材料？6.铁素体不锈钢焊接中容易出现什么问题？焊条电弧焊和气体保护焊时如何选择焊接材料？在焊接工艺上有什么特点？7.何谓“脆化”现象？铁素体不锈钢焊接时有哪些脆化现象，各发生在什么温度区域？如何避免？8.马氏体不锈钢焊接中容易出现什么问题，在焊接材料的选用和工艺上有什么特点？制定焊接工艺时应采取哪些措施？9.双相不锈钢的成分和性能有何特点？与一般奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的焊接性有何不同？在焊接工艺上有什么特点？10.从双相不锈钢组织转变的角度出发，分析焊缝中的Ni含量为什么比母材要高及焊接热循环对焊接接头组织、性能的影响？