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20921-7a第7章不锈钢及耐热钢的焊接7.1不锈钢及耐热钢的成分及性能7.2不锈钢及耐热钢的焊接性分析7.3不锈钢及耐热钢的焊接工艺7.4典型不锈钢及耐热钢的焊接20921-7a7.1不锈钢及耐热钢的成分及性能不锈钢和耐热钢的种类繁多，其主要合金成分为Cr和Ni。一般来讲，只有w(Cr)≥12％时才能在大气环境下不发生锈蚀，增加Ni或提高Cr含量，耐蚀性或耐热性均可提高。20921-7a7.1.1不锈钢及耐热钢的成分及分类表7-1典型不锈钢和耐热钢的主要化学成分(质量分数)(%)国产牌号国际牌号CSiMnCrNi其他1Cr17430≤0．12≤0．75≤1．0016．0～18．0——1Cr13410≤0．15≤1．00≤1．0011．5～13．0——0Cr18Ni9Ti321≤0．07≤1．00≤2．0017．0～19．08．00～11．0Ti:0．5～0．70Cr25Ni20310S≤0．08≤1．00≤2．0024．0～26．019．0～22．0—00Cr25Ni5Mo2N—≤0．03≤1．00≤2．0024．0～26．05．0～8．0—0Cr17Ni7Al631≤0．09≤1．00≤1．0016．0～18．06．5～7．5Al:0．75～1．520921-7a7.1.1不锈钢及耐热钢的成分及分类1.铁素体钢2.马氏体钢3.奥氏体钢4.铁素体-奥氏体双相钢5.沉淀硬化钢20921-7a7.1.2不锈钢的耐蚀性能1.均匀腐蚀2.点蚀和缝隙腐蚀3.晶间腐蚀图7-118-8型奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感温度与时间对应关系曲线20921-7a7.1.2不锈钢的耐蚀性能图7-2晶间腐蚀贫铬理论示意图20921-7a7.1.2不锈钢的耐蚀性能4.应力腐蚀20921-7a7.1.3不锈钢及耐热钢的力学性能1.不锈钢的力学性能2.耐热钢的耐热性能20921-7a7.1.3不锈钢及耐热钢的力学性能表7-2常见不锈钢的力学性能数据类型牌号热处理状态屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率(%)铁素体钢1Cr17退火处理205450220Cr13Al175410马氏体钢1Cr13退火处理20544020奥氏体钢1Cr18Ni9Ti固溶处理205520400Cr25Ni20205520沉淀硬化钢0Cr17Ni7Al固溶处理380103020565℃时效96011403～5510℃时效103012304双相钢00Cr26Ni5Mo2固溶处理3905902020921-7a7.1.3不锈钢及耐热钢的力学性能表7-3奥氏体耐热钢在不同温度下的蠕变强度温度/℃持续时间1h对应的蠕变强度/MPa温度/℃持续时间1h对应的蠕变强度/MPa0Cr19Ni90Cr17Ni12Mo20Cr25Ni200Cr19Ni9500234284216700398355016721914975029546001101679880019．629．4650641235985014．717．620921-7a7.1.4不锈钢及耐热钢的物理性能表7-4不锈钢及耐热钢的物理性能类型牌号密度ρ/(g/c)(20℃)比热容с/［J/(g·℃)］(0～100℃)热导率λ/［W/(cm·℃)］(100℃)线膨胀系数α/(1/℃)(0～100℃)电阻率μ/(1Ω·cm)(20℃)铁素体钢0Cr137．750．460．2710．8614Cr25N7．470．500．2110．467马氏体钢1Cr137．750．460．259．9572Cr137．750．460．2510．35520921-7a7.1.4不锈钢及耐热钢的物理性能表7-4不锈钢及耐热钢的物理性能类型牌号密度ρ/(g/c)(20℃)比热容с/［J/(g·℃)］(0～100℃)热导率λ/［W/(cm·℃)］(100℃)线膨胀系数α/(1/℃)(0～100℃)电阻率μ/(1Ω·cm)(20℃)18⁃8奥氏体钢0Cr19Ni108．030．500．1516．9721Cr18Ni9Ti8．030．500．1616．77425⁃20奥氏体钢2Cr25Ni208．030．500．1414．4780Cr21Ni208．030．500．1114．299低碳钢—7．860．500．5911．71320921-7a7.2不锈钢及耐热钢的焊接性分析焊缝金属的室温组织对不锈钢及耐热钢(Cr-Ni钢)接头的性能有重要的影响。为了获得合适的焊缝金属组织，必须合理调整Cr／Ni比值。这里，Cr为Cr当量，是将每一种铁素体化元素按其铁素体化的强烈程度折合成相当的Cr元素的量的总和20921-7a7.2.1焊接接头的组织转变1.焊缝的组织图图7-3Cr-Ni钢的舍夫勒图20921-7a7.2.1焊接接头的组织转变图7-4标有AF/FA界线的舍夫勒焊缝组织图20921-7a7.2.1焊接接头的组织转变图7-5w(Fe)=60%的Fe-Cr-Ni合金伪二元相图20921-7a7.2.1焊接接头的组织转变2.接头的组织转变图7-624-5Mo2Cu双相钢焊接接头中γ相20921-7a7.2.2焊接接头的耐蚀性1.晶间腐蚀图7-7焊接接头晶间腐蚀产生的部位示意图1—焊缝2—熔合区3—热影响区(1)焊缝区的晶间腐蚀普通的18-8型奥氏体钢焊缝的晶间腐蚀通常在多层多道焊的情况下出现，后一层焊缝对前一层焊缝的加热处于敏化温度区域时，20921-7a7.2.2焊接接头的耐蚀性在晶界上容易析出铬的碳化物，形成贫铬的晶粒边界。图7-818-8Ti奥氏体不锈钢焊接接头的刀状腐蚀20921-7a7.2.2焊接接头的耐蚀性(2)热影响区的晶间腐蚀在普通的18-8型奥氏体钢的焊接热影响区会产生晶间腐蚀，主要出现在焊接热影响区中加热峰值温度处于600～1000℃的区域。(3)熔合区的刀状腐蚀这种刀状腐蚀只出现在含Ti或Nb的18-8Ti或18-8Nb奥氏体不锈钢焊接接头的熔合区内，如图7-8所示。图7-918-8Ti奥氏体不锈钢焊接接头碳化物分布示意图WM—焊缝WI—焊缝边界20921-7a7.2.2焊接接头的耐蚀性2.点蚀和应力腐蚀(1)点蚀不锈钢焊接接头的点蚀常成为应力腐蚀的裂纹源，因此必须解决点蚀问题。(2)应力腐蚀对于不锈钢来说，应力腐蚀断裂的部位通常不存在均匀腐蚀，断裂往往以点蚀、缝隙腐蚀为起始点。图7-10304不锈钢焊接接头表面的应力腐蚀开裂20921-7a7.2.2焊接接头的耐蚀性1)双相不锈钢的屈服强度比奥氏体不锈钢高，产生表面滑移所需的应力水平高，在相同的腐蚀介质中，双相不锈钢的表面膜因表面滑移而破坏所需的应力较大，应力腐蚀开裂较难发生。2)双相不锈钢中一般含有Mo元素，Cr含量也很高，耐点蚀能力强，应力腐蚀开裂缺乏起始点。3)双相不锈钢的两个相的电极电位不同，裂纹在不同相和相界面的扩展机制不同，对裂纹的扩展起到阻止或抑制作用，应力腐蚀开裂的发展速度缓慢。20921-7a7.2.3焊接接头的裂纹1.热裂纹2.冷裂纹20921-7a7.2.4焊缝金属的脆化1.焊缝的粗晶脆化2.焊缝的σ相脆化3.焊缝的475℃脆化20921-7a7.2.5异种钢接头的成分不均匀性图7-11确定18-8不锈钢/低碳钢焊缝中心组织的舍夫勒图20921-7a7.2.5异种钢接头的成分不均匀性图7-12低碳钢母材与奥氏体钢焊缝边界的元素分布图20921-7a7.2.5异种钢接头的成分不均匀性图7-13珠光体钢与23-13奥氏体钢焊接接头的硬度分布20921-7a7.3不锈钢及耐热钢的焊接工艺本节将根据上节焊接性分析的主要观点，分别讨论铁素体钢、马氏体钢、奥氏体钢、双相钢以及异种钢的焊接工艺，主要包括焊接材料的选择和焊接工艺要点。20921-7a7.3.1铁素体钢的焊接工艺1.焊接材料的选择2.焊接工艺要点(1)焊接方法铁素体钢通常采用焊条电弧焊、TIG焊和MIG焊，有时也采用埋弧焊。(2)焊前预热铁素体钢被加热至950～1000℃以上后急冷至室温，塑性和缺口韧性显著降低，在焊接热影响区就会出现高温脆性，同时耐蚀性也显著降低。(3)焊接热输入焊接过程应该采取较小的热输入。(4)焊后热处理铁素体钢多用于要求耐蚀的场合，高Cr铁素体钢也有晶间腐蚀倾向。20921-7a7.3.2马氏体钢的焊接工艺1.焊接材料的选择2.焊接工艺要点(1)焊接方法马氏体钢的焊接通常采用焊条电弧焊、TIG焊和MIG焊。(2)焊前预热为防止接头产生冷裂纹，应该采取预热措施。(3)焊后热处理焊后热处理的作用是通过退火处理降低焊缝金属和热影响区的硬度，改善焊接接头的韧性，还可降低焊接结构的残余应力。20921-7a7.3.3奥氏体钢的焊接工艺1.焊接材料的选择1)根据钢的具体成分和服役条件以及对焊缝金属的性能要求选择焊接材料。20921-7a7.3.3奥氏体钢的焊接工艺表7-5一些典型奥氏体钢及其组配的熔敷金属母材熔敷金属组织0Cr18Ni11Ti0Cr21Ni9Nb、0Cr18Ni9SiV3γ＋δ1Cr18Ni9Ti1Cr19Ni10Nb、1Cr16Ni9Mo2γ＋δ00Cr19Ni1100Cr21Ni10γ＋δ00Cr19Ni13Mo300Cr20Ni13Mo3、00Cr23Ni13Mo2γ＋δ1Cr18Ni12Mo3Ti1Cr18Ni10Mn3Mo2V、Cr19Ni12Mo2Nbγ＋δ0Cr17Ni12Mo20Cr19Ni12Mo2Nbγ＋δ0Cr18Ni12Mo2Cu200Cr19Ni14Mo2Cu2γ＋δ2Cr25Ni20Si22Cr25Ni18Mn7、1Cr25Ni18Si2Bγ(δ＜0．5%)、γ＋2Cr25Ni202Cr26Ni21Mo2γ20921-7a7.3.3奥氏体钢的焊接工艺2)根据焊接材料的具体成分及其变动范围确定其与母材的匹配是否适用。3)必须考虑母材的稀释作用，否则会使焊缝的合金化元素含量降低，难以得到理想的凝固模式和室温双相组织，因而不能保证焊缝金属的抗裂性能。图7-14标有焊接材料成分变化范围的舍夫勒焊缝组织图20921-7a7.3.3奥氏体钢的焊接工艺2.焊接工艺要点(1)焊接方法奥氏体钢对焊接方法没有什么特殊要求，一般的焊条电弧焊、TIG焊、MIG焊、埋弧焊等方法均可采用，只要根据焊接的生产效率和质量要求加以确定即可。(2)焊接热输入合理控制焊接参数，避免接头产生过热现象。(3)预热和后热奥氏体钢焊接时，通常不需要焊前预热，也不需要焊后热处理，而且应该适当加快冷却，严格控制较低的层间温度，还应该避免交叉焊缝。20921-7a7.3.3奥氏体钢的焊接工艺(4)保证熔合比稳定焊缝的化学成分变化对焊缝组织影响很大，为确保理想的焊缝组织，必须保证焊缝的化学成分稳定。(5)保护原焊件表面状态焊前和焊后的清理工作常会影响耐蚀性。20921-7a7.3.4铁素体-奥氏体双相钢的焊接工艺1.焊接材料的选择2.焊接工艺要点(1)焊接方法与奥氏体钢焊接相似，铁素体-奥氏体双相钢的焊接对焊接方法也没有特殊要求，一般的焊条电弧焊、TIG焊、MIG焊、埋弧焊等方法均可采用，激光焊、电子束焊应用的实例也越来越多。20921-7a7.3.4铁素体-奥氏体双相钢的焊接工艺表7-6典型铁素体-奥氏体双相钢及其组配的熔敷金属母材熔敷金属组织0Cr21Ni6Mn9N00Cr21Ni15Mn9Nγ00Cr25Ni6Mo3N00Cr24Ni7Mo3N、00Cr23Ni13Mo3γ+δ00Cr25Ni5Mo2N00Cr25Ni9Mo3N、00Cr23Ni13Mo3γ+δ00Cr25Ni7Mo3WCuN00Cr25Ni11Mo3WCuNγ+δ20921-7a7.3.4铁素体-奥氏体双相钢的焊接工艺(2)合理控制焊接热输入焊接时应该尽量选用小的热输入，以避免接头产生过热现象。(3)预热和后热铁素体-奥氏体双相钢焊接时，通常不需要焊前预热，也不需要焊后热处理，而且应该适当进行缓慢冷却，获得理想的δ/γ相比例。(4)保证熔合比稳定尽可能控制焊接工艺，保证熔合比稳定，从而稳定焊缝的化学成分，以获得理想的焊缝组织。20921-7a7.3.5奥氏