不锈钢焊接——焊材的选择

三种类别的钢制以及钛原素的作用

钢制可分成三种类别：莱氏体型、纤维状型、电感型和PR320钢制（表1）。

这是根据钢制在常压时的林国组织机构分割的。当盒形被冷却到1550℉时，其组织机构从常压时的电感相变为莱氏体相。而冷却时，盒形组织机构又再次变为电感。低温时存有的莱氏体组织机构是cey的，所以较之常压电感组织机构其气压较细，延展性良好。

当钢中的Cr浓度小于16%时，常压的电感组织机构获得一般来说使废钢在所有环境温度范围内维持电感态。因而，称作电感钢制。当Cr浓度小于17%，Ni浓度小于7%时，莱氏体相获得一般来说，使从低温到基本上沸点的范围内均维持莱氏体态。

莱氏体钢制一般来说称作Cr-Ni型，纤维状和电感钢制直接称作Cr型。钢制和充填合金中的原素可分成莱氏体逐步形成原素和电感逐步形成原素。最主要的莱氏体逐步形成原素有Ni、C、Mn和N，电感逐步形成原素有Cr、Si、Mo和Nb。调整原素浓度可控制沟槽中的电感浓度。

莱氏体型钢制较之含Ni量高于5%的钢制更容易冲压所以冲压产品质量更快。莱氏体钢制的冲压接点强延展性较好，一般不需要焊前紧接著和焊后退火。在钢制冲压应用领域，莱氏体钢制占全部钢制使用量的80%，因而责任编辑的重点项目是莱氏体钢制的冲压。

怎样优先选择恰当的钢制焊材？

如果助焊剂是完全相同的，重中之重准则是与助焊剂相适应。比如冲压310或316钢制，就优先选择适当的焊材。

冲压自体金属材料，则遵从优先选择与钛原素浓度高的助焊剂相相适应的准则。比如冲压304和316钢制，则优先选择316型焊材。

但，也存有很多不遵从相适应助焊剂准则的特定情况，此时要是翻查焊材优先选择表。比如，304型钢制是最常用的助焊剂，但没有304型的铜焊。

倘若要焊材与助焊剂相适应，怎样优先选择焊材来冲压304钢制？

冲压304钢制时，使用308型焊材，因为308钢制中的附加原素可以更快的平衡沟槽地区。

308L也是一个可拒绝接受的优先选择。L则表示低碳浓度，3XXL钢制则表示碳浓度≤ 0.03%，而国际标准的3XX钢制可最低所含0.08%的碳浓度。

由于L型焊材与非L型焊材属于同一类别的分类，因而生产产商应该特别考虑使用L型焊材，因为它的低碳浓度可以减少晶间腐蚀的倾向。

采用GMAW方法冲压的生产厂商也考虑使用3XXSi型焊材，因为Si可改善润湿性。在焊件具有较高隆起或者在角沟槽或搭接沟槽的焊趾处冲压熔池连接不良的情况下，使用含Si的气保焊丝可润湿沟槽并提高熔敷率。

如果考虑碳化物析出，可优先选择所含少量Nb原素的347型焊材（最后一个问题）。

怎样冲压钢制与碳钢？

为了降低成本，一些结构件会在碳钢表面冲压一层耐腐蚀层。当冲压不含钛原素的助焊剂与含钛原素的助焊剂时，使用钛浓度更高的焊材以平衡沟槽中的稀释率。

冲压碳钢和304或316钢制时，以及其他自体钢制冲压时（表2），多数情况下考虑选用309L焊材。如果希望获得更高的Cr浓度，则选用312型。

需要指出的是，莱氏体钢制的热膨胀率比碳钢高50%。当冲压时，热膨胀率的差异会产生内应力，从而导致裂纹产生，此时需要优先选择合适的焊材或指定合适的冲压工艺（下图）。

图3 冲压碳钢和钢制时，由于热膨胀率不同导致的翘曲变形需更大程度的补偿

什么是合适的焊前清理操作？

当与其他金属材料冲压时，首先使用不含氯离子的溶剂清除油污、标记和灰尘。此外，冲压钢制时首先要注意的是避免受到碳钢的污染而影响耐蚀性。一些公司采用钢制和碳钢分开存放以避免交叉污染。在清理坡口周围地区时，使用针对钢制的专用磨砂轮和刷子。有时还需要对接点处进行二次清理。由于钢制冲压时的电极补偿操作比冲压碳钢时更难，因而其接点清理工作非常重要。

什么是恰当的焊后清理操作？为什么钢制焊件会生锈？

首先，我们回想一下，钢制不生锈的原因是：Cr与O的反应在金属材料表面生成了一层致密的氧化物层，并起到了保护作用。钢制生锈是因为碳化物的析出（见最后一个问题）以及冲压过程中的冷却造成焊件表面生成了铁的氧化物。在焊态，完美的焊件也可能在24小时内在冲压热影响区边界处的生锈地方产生咬边。

因而，为了使新的铬氧化物再次生成，钢制冲压后需要磨光、酸洗、打磨或者洗刷。需要强调的是，打磨机和刷子必须专有专用。

为什么钢制焊丝有磁性？

全莱氏体组织机构的钢制是无磁性的。但，冲压时较高的环境温度使组织机构中晶粒长大，焊后裂纹敏感性增大。为了降低热裂纹敏感性，焊材制造商向焊材中加入电感逐步形成原素（下图）。电感相使莱氏体晶粒变细，从而抗裂纹能力增大。

图4 避免热裂纹，多数莱氏体型焊材都所含少量的电感。图片则表示309L焊材中的莱氏体基体上分布的电感相（灰色部分）。

磁铁不会吸住莱氏体沟槽合金，但手持磁铁时可以感受到轻微的吸力。但，这也造成一些用户错认为产品贴错了标签，或者用错了焊材（特别是包装上标签被撕掉时）。

焊材中的电感数量取决于应用的服役环境温度。比如，过多的电感降低了低温时的延展性。因而，用于LNG管道的308型焊材的电感数在3-6之间，而国际标准308型焊材的电感数为8。简言之，焊材可能看起来很相似，但很微小的成分差别有时就会造成很大的差别。

怎样更轻松地冲压PR320钢制？

一般来说，PR320钢制组织机构中的莱氏体相和电感相各占50%左右。电感相的存有可以提高气压和耐应力腐蚀性能，而莱氏体相可以提高延展性。两相的共同作用使PR320钢制的性能更加优异（图5）。PR320钢制的范围很广，最常用的型号是2205：所含22%Cr，5%Ni，3%Mo以及0.15%N。

图5 PR320钢制综合了电感和莱氏体的优点。图片是电感基体上分布着莱氏体相（白色部分）的PR320沟槽组织机构

在冲压PR320钢制时，太多电感的存有可能造成一些问题（电弧的热量使电感基体中的原子再次排序）。为此，焊材需要提供更多的莱氏体逐步形成原素，一般来说是比助焊剂高2-4%的Ni。比如，冲压2205钢制时用的药芯焊丝所含8.85%Ni。

焊后，沟槽中的电感浓度在25-55%之间（也可能更高）。注意：焊后冷却速度要足够慢，使莱氏体再次逐步形成，但不能太慢，太慢会析出合金间相，也不能太快，太快会在热影响区产生过多的电感。务必遵从产商提供的冲压工艺和焊材优先选择手册。

为什么冲压钢制时要随时调整参数？

焊工在冲压钢制时，随时调整冲压参数（电压、电流、电弧长度、感应系数、脉冲宽度等）的最主要原因是不相适应的焊材成分。化学成分很重要，批次之间成分的差异可以造成冲压行为很大的不同，比如差的润湿性和脱渣性。焊材直径、表面清洁度、浇注性能、以及螺旋形状均可影响GMAW和FCAW时的冲压行为。

怎样控制莱氏体钢制中的碳化物析出？

在800-1600℉时，碳浓度超过0.02%时，C会向莱氏体晶界扩散迁移并在晶界处与Cr发生反应逐步形成铬的碳化物。如果Cr被C原素大量一般来说下来，耐蚀性会下降。此时如果暴露在腐蚀性环境下，就会发生晶间腐蚀，造成晶界被侵蚀掉（图6）。

图6 装有腐蚀性介质的水槽里，在冲压热影响区发生了晶间腐蚀。使用含碳量低的或者特定钛化的焊材可降低碳化物析出倾向，并增强耐蚀性。

为了控制碳化物析出，采用低含碳量的焊材来保证沟槽合金中碳浓度尽可能低（最多不超过0.04%）。也可以通过添加Nb和Ti原素来一般来说C，相对于Cr原素，原素Nb和Ti与C的亲和力更大。347型焊材是为此目的设计的。

怎样为优先选择焊材做准备？

首先，要在焊件的终端应用方面收集信息，包括服役环境（特别是服役环境温度，是否有腐蚀介质以及期望的耐腐蚀程度）和期望的服役寿命。服役条件下所需的力学性能的信息也很重要，如气压，延展性，塑性和疲劳性能。

大多数领先的焊材厂商都会为优先选择焊材提供指导手册，在此，笔者再次强调：建议参阅焊材应用手册或者联系他们的技术专家。他们会帮助我们更恰当的优先选择钢制焊材。

文章来源于冲压切割联盟

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