【焊接技术交流站】奥氏体不锈钢的焊接特点及焊条选用

莱氏体钢制具备较好的冲压性，现阶段轻工业上应用领域较广，冲压时通常不需要采取特殊的工艺技术举措，本学术论文较为详细的预测了莱氏体钢制在冲压时造成热裂缝、晶间锈蚀、形变锈蚀脱落、冲压接点的差排（高温差排、σ相差排、charged线脆断）其原因和预防举措，

通过冲压特征理论和实践预测，着重于介绍了莱氏体钢制在冲压相同金属材料和处于相同工作环境条件时铜焊的换用原则方法，多于工艺技术举措和铜焊换用合理，才可以冲压出轻松的沟槽。

钢制在航空、石油、化工和原子武器等轻工业中得到日益广泛的应用领域，钢制按成份分成铬钢制、铬镍钢制，按组织机构分成电感钢制、纤维状钢制、莱氏体钢制和莱氏体-电感PR320钢制。

在钢制中，莱氏体钢制(18-8型钢制)比其他钢制具备更卓越的抗锈蚀；强度较高，而脆性、延展性极佳；冲压性能较好，其主要用作化工罐子、设备和配件等，它是现阶段轻工业上应用领域较广的钢制。

虽然莱氏体钢制有诸多缺点但是若冲压工艺技术不正确或冲压金属材料换用失当，会造成很多瑕疵，最终负面影响操纵性。

莱氏体钢制的冲压特征

（一）难出现热裂缝

莱氏体钢制在冲压时热裂缝是较为难造成的瑕疵，包括沟槽的纵向和纵向裂缝、古滕科裂缝、腮红焊的表皮裂缝和第二层焊的接合处裂缝等，特别是含镍量较高的莱氏体钢制更难造成。

1. 造成其原因

（1）莱氏体钢制的液、固同轴电缆的区间非常大，沉淀时间极短，且交流电莱氏体沉淀反之亦然强，所以沉淀物偏析相当严重。

（2）热传导常数小，线电阻率大，冲压时能造成非常大的冲压内形变（通常是沟槽和热负面影响区受拉形变）。

（3）莱氏体钢制中的成分如C、S、P、Ni等，会在硝酸锶中逐步形成低沸点固相。例如， S与Ni逐步形成的Ni3S2沸点为645℃,而Ni- Ni3S2固相体的沸点多于625℃。

2. 防止举措

（1）采用PR320组织机构的沟槽 尽量使沟槽金属呈莱氏体和电感PR320组织机构,电感的含量控制在3～5%以下，可搅乱莱氏体柱状晶的方向，明晰孔隙。并且电感可以比莱氏体熔化更多的沉淀物，从而减少了低沸点固相物在莱氏体微结构的偏析。

（2）冲压工艺技术举措 在冲压工艺技术上尽量换用碱性药皮的优质铜焊、采用小线能量，小电流、快速不摆动焊,收尾时尽量填满弧坑及采用氩弧焊腮红等，可减小冲压形变和弧坑裂。

（3）控制成份 严格限制沟槽中 S、P等沉淀物含量，以减少低沸点固相。

（二）晶间锈蚀

造成在孔隙之间的锈蚀，其导致孔隙间的结合力丧失，强度几乎完全消失，当受到形变作用时，即会沿微结构断裂。

1．造成其原因

根据贫铬理论,沟槽和热负面影响区在加热到450～850℃敏化温度（危险温度区）时，由于 Cr原子半径非常大，扩散速度较小，过饱和的碳向莱氏体孔隙边界扩散，并与微结构的铬化合物在微结构逐步形成Cr23C6,造成贫铬的微结构,不足以抵抗锈蚀的程度。

2. 防止举措

（1）控制含碳量

采用低碳或超低碳（W(C)≤0.03%）钢制冲压焊材。如A002等。

（2）添加稳定剂

在钢材和冲压金属材料中加入Ti、Nｂ等与Ｃ亲和力比Cr强的元素，能够与Ｃ结合成稳定碳化物，从而避免在莱氏体微结构造成贫铬。常用的钢制材和冲压金属材料都含有Ti、Nb，如１Cr18Ni9Ti、１Cr18Ni12MO2Ti钢材、E347-15铜焊、H0Cr19Ni9Ti焊丝等。

（3） 采用双向组织机构

由焊丝或铜焊向沟槽中熔入一定量的电感逐步形成元素,如 Cr、Si、AL、 MO等，以使沟槽逐步形成为莱氏体+电感的PR320组织机构，因为Cr在电感内扩散速度比在莱氏体中快，因此Cr在电感内较快的向微结构扩散，减轻了莱氏体微结构的贫铬现象。通常控制沟槽金属中电感含量为5%～10%，如电感过多，会使沟槽变脆。

（4）快速冷却

因为莱氏体钢制不会造成淬硬现象，所以在冲压过程中，可以设法增加冲压接点的冷却速度，如焊件下面用铜垫板或直接浇水冷却。

在冲压工艺技术上，可以采用小电流、大焊速、短弧、多道焊等举措，缩短冲压接点在危险温度区停留的时间，以免逐步形成贫铬区。

（5）进行固溶处理或均匀化热处理 焊后把冲压接点加热到1050～1100℃，使碳化物又重新熔化到莱氏体中，然后迅速冷却，逐步形成稳定的交流电莱氏体组织机构。

另外，也可以进行850～900℃保温2h的均匀化热处理，此时莱氏体孔隙内部的Cr扩散到微结构，微结构处Cr量又重新达到了大于12%，这样就不会造成晶间锈蚀了。

（三）形变锈蚀脱落

金属在形变和锈蚀性介质共同作用下，发生的锈蚀破坏。根据钢制设备与制件的形变锈蚀断裂事例和试验研究，可以认为：在一定静拉伸形变和在一定温度条件下的特定电化学介质共同作用下，现有的钢制均有造成形变锈蚀的可能。

形变锈蚀最大特征之一是锈蚀介质与金属材料的组合上有选择性。难引起莱氏体钢制形变锈蚀主要是盐酸和氯化物含有氯离子的介质，还有硫酸、硝酸、氢氧化物（碱）、海水、水蒸气、H2S水溶液、浓NaHCO3+NH3+NaCl水溶液等介质等。

1.造成其原因

形变锈蚀脱落是冲压接点在特定锈蚀环境下受拉伸形变作用时所造成的延迟脱落现象。莱氏体钢制冲压接点的形变锈蚀脱落是冲压接点相当严重的失效形式,表现为无脆性变形的脆性破坏。

2.防止举措

（1）合理制定成形加工和组装工艺技术 尽可能减小冷作变形度,避免强制组装,防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为SCC的裂源,易造成锈蚀坑。

（2）合理选择焊材 沟槽与母材应有较好的匹配,不造成任何不良组织机构,如孔隙粗化及硬脆纤维状。

（3）采取合适的冲压工艺技术 保证沟槽成形较好,不造成任何形变集中或点蚀的瑕疵,如咬边等采取合理的冲压顺序,降低冲压残余形变水平。例如，避免十字交叉沟槽，Y形坡口改为X形坡口、适当减小坡口角度、采用短焊焊道、采用小线能量。

(4)消除形变处理焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。

(5)生产管理举措 介质中沉淀物的控制,如液氨介质中的O2、N2、H2O等、液化石油气中的H2S、氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等、防蚀处理:如涂层、衬里或阴极保护等、添加缓蚀剂。

莱氏体304钢制金相

（四）冲压接点的差排

莱氏体钢制的沟槽在高温加热一段时间后，就会出现冲击韧度下降的现象，称为差排。

1.沟槽金属的高温差排（475℃差排）

（1） 造成其原因

含有较多电感的相（超过15%～20%）的PR320沟槽组织机构，经过350～500℃加热后，脆性和延展性会显著下降，由于475℃时差排速度最快，故称为475℃差排。

对于莱氏体钢制冲压接点，耐蚀性或抗氧化性并不总是最为关键的性能，在高温使用时，沟槽金属的塑延展性就成为关键性能。

为了满足高温延展性的要求，沟槽组织机构通常希望获得单一的莱氏体组织机构，避免δ电感的存在。δ电感的存在，总是恶化高温延展性，而且含量越多，这种差排越严重。

（2） 预防举措

在保证沟槽金属抗裂性能和抗锈蚀性能的前提下，应将电感相控制在较高的水平，约

5%左右。

已造成475℃差排的沟槽，可经900℃淬火消除。

2.冲压接点的σ相差排

（1）造成其原因

莱氏体钢制冲压接点在375～875℃温度范围内长期使用，会造成一种FeCr间化合物，称为σ相。σ相硬而脆（HRC>68）。

由于σ相析出的结果，使沟槽冲击韧度急剧下降，这种现象称为σ相差排。σ相通常仅在PR320组织机构沟槽内出现；当使用温度超过800～850℃时，在交流电莱氏体沟槽中也会析出σ相。

（2）防止举措

限制沟槽金属中的电感含量(小于15%);采用超合金化冲压金属材料,即高镍焊材,并严格控制Cr、Mo、Ti、Nb等元素的含量。

采用小规范,以减小沟槽金属在高温下的停留时间。

对已析出的σ相在条件允许时进行固溶处理,使σ相溶入莱氏体。

把冲压接点加热到1000～1050℃，然后快速冷却。σ相通常在１Cr18Ni9Ti钢中通常不造成。

3.charged线脆断

（1）造成其原因

莱氏体钢制在高温下长期使用，在沿charged线外几个孔隙的地方，会发生脆断现象。

（2）预防举措

在钢中加入 Mo能提高钢材抗高温脆断的能力。

通过以上的预测，多于合理选择以上的冲压工艺技术举措或冲压金属材料都可以避免以上冲压瑕疵的造成。莱氏体钢制具备卓越的冲压性，几乎所有的冲压方法都可用于莱氏体钢制的冲压。

在各种冲压方法中铜焊电弧焊具备适应各种位置与相同板厚的缺点、应用领域非常广泛。下面着重于预测一下莱氏体钢制铜焊在相同用途下的换用原则和方法。

莱氏体钢制的铜焊换用要点

钢制主要用于耐锈蚀,但也用作耐热钢和高温钢。因此,在冲压钢制时,铜焊的性能必须与钢制的用途相符。钢制铜焊必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来换用。

钢制相同钢材牌号和铜焊型号、牌号对照表

（一）要点一

通常来说,铜焊的换用可参照母材的材质,换用与母材成分相同或相近的铜焊。如:A102对应0Cr18Ni9、A137对应1Cr18Ni9Ti。

（二）要点二

由于碳含量对钢制的抗锈蚀性能有很大的负面影响,因此,通常换用熔敷金属含碳量不高于母材的钢制铜焊。如316L必须换用A022铜焊。

(三)要点三

莱氏体钢制的沟槽金属应保证力学性能。可通过冲压工艺技术评定进行验证。

（四）要点四 （莱氏体耐热钢）

对于在高温工作的耐热钢制(莱氏体耐热钢),所换用的铜焊主要应能满足沟槽金属的抗热裂性能和冲压接点的高温性能。

1.对Cr/Ni≥1的莱氏体耐热钢,如1Cr18Ni9Ti等,通常均采用莱氏体-电感钢制铜焊,以沟槽金属中含2～5%电感为宜。电感含量过低时,沟槽金属抗裂性差；若过高,则在高温长期使用或热处理时易逐步形成σ差排相,造成裂缝。

如A002、A102、A137。在某些特殊的应用领域场合,可能要求采用全莱氏体的沟槽金属时,可采用比如A402、A407铜焊等。

2.对Cr/Ni

（五）要点五 （耐蚀钢制）

对于在各种锈蚀介质中工作的耐蚀钢制,则应按介质和工作温度来选择铜焊,并保证其抗锈蚀能(做冲压接点的锈蚀性能试验)。

1.对于工作温度在300℃以上、有较强锈蚀性的介质,须采用含有Ti或Nb稳定化元素或超低碳钢制铜焊。如A137或A002等。

2.对于含有稀硫酸或盐酸的介质,常换用含Mo或含Mo、Cu的钢制铜焊如:A032、A052等。

3.工作,锈蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备,方可采用不含Ti或Nb的钢制铜焊。为保证沟槽金属的耐形变锈蚀能力,采用超合金化的焊材,即沟槽金属中的耐蚀合金元素(Cr、Ni等)含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2类型的冲压金属材料(如A022)冲压00Cr19Ni10焊件。

（六）要点六

对于在高温条件下工作的莱氏体钢制,应保证冲压接点在使用温度的高温冲击延展性,故采用纯莱氏体铜焊。如A402、A407。

（七）要点七

也可换用镍基合金铜焊。如采用Mo达9%的镍基焊材冲压Mo6型超级莱氏体钢制。

（八）要点八 铜焊药皮类型的选择

1.由于PR320莱氏体钢沟槽金属本身含有一定量的电感,具备较好的脆性和延展性,从沟槽金属抗裂性角度进行较为,碱性药皮与钛钙型药皮铜焊的差别不像碳钢铜焊那样显著。因此在实际应用领域中,从冲压工艺技术性能方面着眼较多,大都采用药皮类型代号为17或16的铜焊(如A102A、A102、A132等)。

2.多于在结构刚性很大或沟槽金属抗裂性较差(如某些纤维状铬钢制、纯莱氏体组织机构的铬镍钢制等)时,才可考虑换用药皮代号为15的碱性药皮钢制铜焊(如A107、A407等)。

结 论

综上所述,莱氏体钢制的冲压是有其独特特征的,莱氏体钢制在冲压时铜焊换用尤其值得注意,通过长时间的实践证明，采用上述举措能达到针对相同金属材料实施相同的冲压方法和相同金属材料的铜焊,钢制铜焊必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来换用。它对我们有很好的指导意义，这样才有可能能达到所预期的冲压质量。

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