【材料课堂】奥氏体不锈钢的焊接特点及焊条选用

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莱氏体钢制具有良好的冲压性，目前工业上应用最广，冲压时一般不需要采取特殊的工艺措施，本论文比较详细的分析了莱氏体钢制在冲压时产生热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、冲压接头的脆化（低温脆化、σ相脆化、熔合线脆断）原因和防治措施，

通过冲压特征理论和实践分析，着重介绍了莱氏体钢制在冲压不同金属材料和处于不同工作环境条件时铜焊的换用原则方法，只有工艺措施和铜焊换用合理，才可以冲压出完美的焊缝。

钢制在航空、石油、化工和原子能等工业中得到日益广泛的应用，钢制按化学成分分为铬钢制、铬镍钢制，按组织分为铁素体钢制、马氏体钢制、莱氏体钢制和莱氏体-铁素体双相钢制。

在钢制中，莱氏体钢制(18-8型钢制)比其他钢制具有更优良的耐腐蚀性；强度较低，而塑性、韧性极好；冲压性能良好，其主要用作化工容器、设备和零件等，它是目前工业上应用最广的钢制。

虽然莱氏体钢制有诸多优点但是若冲压工艺不正确或冲压金属材料换用不当，会产生很多缺陷，最终影响使用性能。

莱氏体钢制的冲压特征

（一）容易出现热裂纹

莱氏体钢制在冲压时热裂纹是比较容易产生的缺陷，包括焊缝的纵向和横向裂纹、火口裂纹、打底焊的根部裂纹和多层焊的层间裂纹等，特别是含镍量较高的莱氏体钢制更容易产生。

1. 产生原因

（1）莱氏体钢制的液、固相线的区间较大，结晶时间较长，且单相莱氏体结晶方向性强，所以杂质偏析比较严重。

（2）导热系数小，线膨胀系数大，冲压时会产生较大的冲压内应力（一般是焊缝和热影响区受拉应力）。

（3）莱氏体钢制中的成分如C、S、P、Ni等，会在熔池中形成低熔点共晶。例如， S与Ni形成的Ni3S2熔点为645℃,而Ni- Ni3S2共晶体的熔点只有625℃。

2. 防止措施

（1）采用双相组织的焊缝  尽量使焊缝金属呈莱氏体和铁素体双相组织,铁素体的含量控制在3～5%以下，可扰乱莱氏体柱状晶的方向，细化晶粒。并且铁素体可以比莱氏体溶解更多的杂质，从而减少了低熔点共晶物在莱氏体晶界的偏析。

（2）冲压工艺措施 在冲压工艺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打底等，可减小冲压应力和弧坑裂。

（3）控制化学成分  严格限制焊缝中 S、P等杂质含量，以减少低熔点共晶。

（二）晶间腐蚀

产生在晶粒之间的腐蚀，其导致晶粒间的结合力丧失，强度几乎完全消失，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂。

1．产生原因

根据贫铬理论,焊缝和热影响区在加热到450～850℃敏化温度（危险温度区）时，由于 Cr原子半径较大，扩散速度较小，过饱和的碳向莱氏体晶粒边界扩散，并与晶界的铬化合物在晶界形成Cr23C6,造成贫铬的晶界,不足以抵抗腐蚀的程度。

2. 防止措施

（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，从而避免在莱氏体晶界造成贫铬。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

由焊丝或铜焊向焊缝中熔入一定量的铁素体形成元素,如 Cr、Si、AL、 MO等，以使焊缝形成为莱氏体+铁素体的双相组织，因为Cr在铁素体内扩散速度比在莱氏体中快，因此Cr在铁素体内较快的向晶界扩散，减轻了莱氏体晶界的贫铬现象。一般控制焊缝金属中铁素体含量为5%～10%，如铁素体过多，会使焊缝变脆。

（4）快速冷却

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

在冲压工艺上，可以采用小电流、大焊速、短弧、多道焊等措施，缩短冲压接头在危险温度区停留的时间，以免形成贫铬区。

（5）进行固溶处理或均匀化热处理  焊后把冲压接头加热到1050～1100℃，使碳化物又重新溶解到莱氏体中，然后迅速冷却，形成稳定的单相莱氏体组织。

另外，也可以进行850～900℃保温2h的均匀化热处理，此时莱氏体晶粒内部的Cr扩散到晶界，晶界处Cr量又重新达到了大于12%，这样就不会产生晶间腐蚀了。

（三）应力腐蚀开裂

金属在应力和腐蚀性介质共同作用下，发生的腐蚀破坏。根据钢制设备与制件的应力腐蚀断裂事例和试验研究，可以认为：在一定静拉伸应力和在一定温度条件下的特定电化学介质共同作用下，现有的钢制均有产生应力腐蚀的可能。

应力腐蚀最大特征之一是腐蚀介质与金属材料的组合上有选择性。容易引起莱氏体钢制应力腐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.产生原因

应力腐蚀开裂是冲压接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。莱氏体钢制冲压接头的应力腐蚀开裂是冲压接头比较严重的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。

2.防止措施

（1）合理制定成形加工和组装工艺 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,易造成腐蚀坑。

（2）合理选择焊材 焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化及硬脆马氏体。

（3）采取合适的冲压工艺 保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,如咬边等采取合理的冲压顺序,降低冲压残余应力水平。例如，避免十字交叉焊缝，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)消除应力处理焊后热处理,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)生产管理措施 介质中杂质的控制,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）冲压接头的脆化

莱氏体钢制的焊缝在高温加热一段时间后，就会出现冲击韧度下降的现象，称为脆化。

1.焊缝金属的低温脆化（475℃脆化）

（1） 产生原因

含有较多铁素体的相（超过15%～20%）的双相焊缝组织，经过350～500℃加热后，塑性和韧性会显著下降，由于475℃时脆化速度最快，故称为475℃脆化。

对于莱氏体钢制冲压接头，耐蚀性或抗氧化性并不总是最为关键的性能，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性就成为关键性能。

为了满足低温韧性的要求，焊缝组织通常希望获得单一的莱氏体组织，避免δ铁素体的存在。δ铁素体的存在，总是恶化低温韧性，而且含量越多，这种脆化越严重。

（2） 防治措施

①在保证焊缝金属抗裂性能和抗腐蚀性能的前提下，应将铁素体相控制在较低的水平，约

5%左右。

②已产生475℃脆化的焊缝，可经900℃淬火消除。

2.冲压接头的σ相脆化

（1）产生原因

莱氏体钢制冲压接头在375～875℃温度范围内长期使用，会产生一种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，使焊缝冲击韧度急剧下降，这种现象称为σ相脆化。σ相一般仅在双相组织焊缝内出现；当使用温度超过800～850℃时，在单相莱氏体焊缝中也会析出σ相。

（2）防止措施

①限制焊缝金属中的铁素体含量(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。

②采用小规范,以减小焊缝金属在高温下的停留时间。

③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。

④把冲压接头加热到1000～1050℃，然后快速冷却。σ相一般在１Cr18Ni9Ti钢中一般不产生。

3.熔合线脆断

（1）产生原因

莱氏体钢制在高温下长期使用，在沿熔合线外几个晶粒的地方，会发生脆断现象。

（2）防治措施

在钢中加入 Mo能提高钢材抗高温脆断的能力。

通过以上的分析，只有合理选择以上的冲压工艺措施或冲压金属材料都可以避免以上冲压缺陷的产生。莱氏体钢制具有优良的冲压性，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有适应各种位置与不同板厚的优点、应用非常广泛。下面着重分析一下莱氏体钢制铜焊在不同用途下的换用原则和方法。

莱氏体钢制的铜焊换用要点

钢制主要用于耐腐蚀,但也用作耐热钢和低温钢。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。

钢制不同钢材牌号和铜焊型号、牌号对照表

钢材牌号

铜焊型号

铜焊牌号

铜焊公称成分

备注

0Cr18Ni11

0Cr19Ni11

E308L-16

A002

00Cr19Ni10

00Cr17Ni14Mo2

00Cr18Ni5Mo3Si2

00Cr17Ni13Mo3

E316L-16

A022

00Cr18Ni12Mo2

良好的耐热、耐腐蚀、抗裂性

00Cr18Ni14Mo2Cu2

E316Cu1-16

A032

00Cr19Ni13Mo2Cu

00Cr22Ni5Mo3N

E309Mo1-16

A042

00Cr23Ni13Mo2

00Cr18Ni24Mo5Cu

E385-16

A052

00Cr18Ni24Mo5

焊缝耐甲酸、醋酸、氯离子腐蚀性能

0Cr19Ni9

1Cr18Ni9Ti

E308-16

A102

0Cr19Ni10

钛钙型药皮

1Cr19Ni9

0Cr18Ni9

E308-15

A107

0Cr19Ni10

低氢形药皮

0Cr18Ni9

--

A122

--

0Cr18Ni11Ti

E347-16

A132

0Cr19Ni10Nb

具有优良的抗晶间腐蚀能力

0Cr18Ni11Nb

1Cr18Ni9Ti

E347-15

A137

0Cr19Ni10Nb

0Cr17Ni12Mo2

00Cr17Ni13Mo2Ti

E316-16

A202

0Cr18Ni12Mo2

1Cr18Ni12Mo2Ti

00Cr17Ni13Mo2Ti

E316Nb-16

A212

0Cr18Ni12Mo2Nb

比A202有更好的抗晶间腐蚀能力

0Cr18Ni12Mo2Cu2

E316Cu-16

A222

0Cr19Ni13Mo2Cu2

由于含Cu,所以在硫酸介质中很耐酸

0Cr19Ni13Mo3

00Cr17Ni13Mo3Ti

E317-16

A242

0Cr19Ni13Mo3

Mo含量高，抗非氧化性酸、有机酸性能佳

1Cr23Ni13

00Cr18Ni5Mo3Si2

E309-16

A302

1Cr23Ni13

异种钢、高铬钢、高锰钢等

00Cr18Ni5Mo3Si2

E309Mo-16

A312

1Cr23Ni13Mo2

1Cr25Ni20

E310-16

A402

2Cr26Ni21

用于硬化性大铬钢和异种钢

1Cr18Ni9Ti

E310-15

A407

低氢形药皮

Cr16Ni25Mo6

E16-25MoN-16

A502

Cr16Ni25Mo6

E16-25MoN-15

A507

（一）要点一

一般来说,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腐蚀性能有很大的影响,因此,一般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

莱氏体钢制的焊缝金属应保证力学性能。可通过冲压工艺评定进行验证。

（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焊缝金属的抗热裂性能和冲压接头的高温性能。

1.对Cr/Ni≥1的莱氏体耐热钢,如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用莱氏体-铁素体钢制铜焊,以焊缝金属中含2～5%铁素体为宜。铁素体含量过低时,焊缝金属抗裂性差；若过高,则在高温长期使用或热处理时易形成σ脆化相,造成裂纹。

如A002、A102、A137。在某些特殊的应用场合,可能要求采用全莱氏体的焊缝金属时,可采用比如A402、A407铜焊等。

2.对Cr/Ni<1的稳定型莱氏体耐热钢,如Cr16Ni25Mo6等,一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时,增加焊缝金属中Mo、W、Mn等元素的含量,使得在保证焊缝金属热强性的同时,提高焊缝的抗裂性。如采用A502、A507。

（五）要点五 （耐蚀钢制）

对于在各种腐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,并保证其耐腐蚀性能(做冲压接头的腐蚀性能试验)。

1.对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质,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,腐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。为保证焊缝金属的耐应力腐蚀能力,采用超合金化的焊材,即焊缝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

对于在低温条件下工作的莱氏体钢制,应保证冲压接头在使用温度的低温冲击韧性,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.由于双相莱氏体钢焊缝金属本身含有一定量的铁素体,具有良好的塑性和韧性,从焊缝金属抗裂性角度进行比较,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。因此在实际应用中,从冲压工艺性能方面着眼较多,大都采用药皮类型代号为17或16的铜焊(如A102A、A102、A132等)。

2.只有在结构刚性很大或焊缝金属抗裂性较差(如某些马氏体铬钢制、纯莱氏体组织的铬镍钢制等)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，采用上述措施能达到针对不同金属材料实施不同的冲压方法和不同金属材料的铜焊,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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整理自：蓝领精英俱乐部。编辑：九雅。

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