不銹鋼焊接工藝現(xiàn)狀及進(jìn)展研究

郭顥

[摘 要]隨著我國(guó)不銹鋼消費(fèi)量的快速增長(zhǎng)， 不銹鋼的焊接技術(shù)越來(lái)越重要， 它直接影響著不銹鋼的使用質(zhì)量和應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。本論文主要從不銹鋼的類型及其特點(diǎn)和焊接性、不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)及存在問(wèn)題兩方面進(jìn)行闡述不銹鋼焊接工藝現(xiàn)狀及進(jìn)展研究，希望能為研究不銹鋼焊接工藝現(xiàn)狀及進(jìn)展的學(xué)者提供理論參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]不銹鋼 焊接工藝 現(xiàn)狀及發(fā)展

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）13-0307-01

1.不銹鋼的類型及其特點(diǎn)和焊接性

1.1奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣的一種， 高鉻鎳鋼及高鉻錳氮鋼均屬此類，其中，鉻鎳奧氏體不銹鋼是最通用的鋼種。18-8鋼主要用于耐蝕環(huán)境下，25-20鋼主要用作熱穩(wěn)定鋼，提高含碳量則可用做熱強(qiáng)鋼。奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種，由于其在高溫、極低溫度（-196 ℃）下均具有優(yōu)良的塑韌性、冷熱加工性能和耐腐蝕性能，因此大量用于石油、化工、宇航及核工程等重要焊接結(jié)構(gòu)。目前的主要問(wèn)題是接頭的刀狀腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂，以及含鎳較高的單相奧氏體鋼接頭熱裂問(wèn)題， 有時(shí)也會(huì)有接頭熱強(qiáng)性和再熱裂紋問(wèn)題。

1.2 鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼由于熱膨脹系數(shù)與碳鋼接近而比奧氏體小，并且S、P等雜質(zhì)元素在鐵素體中溶解度大，Si、Nb等又是鐵素體形成元素，因此，焊縫結(jié)晶時(shí)不易形成低熔點(diǎn)共晶，熱裂紋的傾向比奧氏體不銹鋼小得多，同時(shí)焊接熱影響區(qū)超過(guò)臨界溫度的區(qū)域形成的馬氏體量也少，比馬氏體不銹鋼的延遲裂紋的敏感性小。鐵素體不銹鋼在焊接中的主要問(wèn)題是晶粒易于長(zhǎng)大形成粗大鐵素體而脆化和475℃脆化問(wèn)題。

1.3 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼的主要問(wèn)題是接頭的冷裂和脆化。馬氏體型不銹鋼與鐵素體型不銹鋼相比，其鐵素體形成元素鉻的含量較少，含有較高的奧氏體形成元素碳。這類鋼中高溫下存在的奧氏體在通常不太慢的冷卻條件下會(huì)發(fā)生奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變，屬于淬硬組織的鋼種。在焊接時(shí)，由于焊接熱循環(huán)的作用，焊縫和熱影響區(qū)焊后狀態(tài)的組織為硬脆的馬氏體組織，易形成冷裂紋。并隨著碳含量的提高，形成冷裂紋的傾向會(huì)越來(lái)越大。另外，馬氏體鋼也有較大的晶粒粗化傾向。在冷卻速度小時(shí)，近縫區(qū)就會(huì)出現(xiàn)粗大的鐵素體和碳化物組織，因而塑性和韌性顯著下降；若冷卻速度大，由于產(chǎn)生粗大的馬氏體組織，塑性的韌性也要下降。

2.不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)及存在問(wèn)題

2.1 奧氏體不銹鋼

由于奧氏體不銹鋼（ 主要是指鉻鎳奧氏體不銹鋼） 應(yīng)用最廣， 所以焊接技術(shù)也最為成熟， 研究也最為深入， 許多問(wèn)題已得到了很好的解決。且由于奧氏體組織本身的性能特點(diǎn)， 只要選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に?，奧氏體不銹鋼就易于得到合格的焊縫。

2.1.1 奧氏體不銹鋼焊接工藝要點(diǎn)

奧氏體不銹鋼可采用各種熔焊方法，其中使用最多的是焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊，以機(jī)械化快速焊為好。焊接奧氏體不銹鋼時(shí)必須考慮產(chǎn)生較大變形的傾向，因此焊接時(shí)應(yīng)遵循以卜原則：

（1）焊接接頭的坡口形式應(yīng)盡可能選擇U形、X形、雙U形等，以減少焊縫金屬的填充量，降低焊縫的收縮應(yīng)力，防止熱裂紋的產(chǎn)生。即使焊薄板的時(shí)候也要開坡口。

（2）盡可能地采用固定夾具，尤其是焊薄板時(shí)，避免角焊縫。

（3）先從中間開始焊而后向兩邊焊或采用分段退焊技術(shù)。

（4）由于焊絲的電阻率大、導(dǎo)熱系數(shù)小，所以熔化系數(shù)大，焊絲伸出長(zhǎng)度要短一些。

（5）盡量采用短弧焊并不做擺動(dòng)，以防止合金元素不必要的燒損。

（6）為了防止焊縫中產(chǎn)生氣孔，應(yīng)盡量限制氣體來(lái)源并改善氣體逸出條件。

2.1.2 奧氏體不銹鋼焊接工藝參數(shù)

奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小、電阻率大，焊接時(shí)母材和焊材都容易被加熱、熔化，故選擇焊接電流應(yīng)較小，短弧快速焊，采用窄焊道、窄焊縫，減少高溫停留時(shí)間。

一般情況卜，奧氏體不銹鋼焊接時(shí)不需要預(yù)熱，但對(duì)焊縫鐵素體很少或根木沒(méi)有鐵素體時(shí)，奧氏體焊縫可能會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。這種情況卜，預(yù)熱是必要的。

為了防止和消除焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂，有必要進(jìn)行焊后熱處理。常規(guī)碳含量不銹鋼結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行固溶處理；含穩(wěn)定化元素的和超低碳的不銹鋼結(jié)構(gòu)需進(jìn)行穩(wěn)定化和消除應(yīng)力熱處理。

2.2 鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼焊接時(shí)，由于加熱時(shí)沒(méi)有相轉(zhuǎn)變發(fā)生，熱影響區(qū)的晶粒易于長(zhǎng)大而形成粗大鐵素體，且不可能通過(guò)熱處理來(lái)改善，因而會(huì)造成明顯的脆化的后果。無(wú)論采用何種焊接方法，都應(yīng)采用小的熱輸入、少層次的焊接，層間溫度控制在200℃以卜，以減少焊縫和HAZ晶粒過(guò)分長(zhǎng)大和碳化物和氮化物析出，引起接頭脆化和晶間腐蝕傾向。

鐵素體鋼焊接工藝要點(diǎn)可總結(jié)如下：

（1）如果要求焊縫和母材的性能相同，特別是要求焊縫顏色、拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和母材一致時(shí)，則要用含v（Cr）12%的填充材料進(jìn)行焊接。

（2）當(dāng)構(gòu)件承受交變載荷時(shí)，焊縫的拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度更重要。

（3）當(dāng)焊后不能進(jìn)行熱處理時(shí)，最好采用奧氏體填充材料。焊條或焊劑在焊前應(yīng)烘干。嚴(yán)格控制焊接熱輸入。多層多道焊時(shí)，層間溫度應(yīng)根據(jù)板厚確定上限。

2.3 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中焊接性較差。因?yàn)樵诤附永鋮s過(guò)程中出現(xiàn)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，由于體積發(fā)生變化，促使硬度增加和塑性降低，致使有強(qiáng)烈的淬硬傾向。母材含碳量越高，淬硬傾向就越大。在焊縫擴(kuò)散氫和焊接應(yīng)力作用下，焊接殘余應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋，因此，根據(jù)焊件厚度和剛性大小，焊接時(shí)應(yīng)采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷等工藝措施。馬氏體鋼一般是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊接工藝要點(diǎn)可總結(jié)如下：

（1）控制焊縫金屬的化學(xué)成分。焊縫金屬的化學(xué)成分主要取決于焊接材料，最好是用與母材金屬成分相同或相接近的焊接材料。但焊縫與熱影響區(qū)將會(huì)硬化變脆，有很高的冷裂紋傾向，需限制S、P、Si的含量，并添加少量Ti，、A、1，、N以細(xì)化晶粒和降低淬硬性。使用與母材金屬化學(xué)成分不相同的奧氏體不銹鋼焊接材料時(shí)，可防止冷裂，但強(qiáng)度不與母材匹配，且由于焊縫與母材在物理、化學(xué)、冶金的性能上都存在很大差異，所以可能反而容易出現(xiàn)破壞事故。

（2）焊前預(yù)熱和焊后熱處理。對(duì)于用同質(zhì)焊接材料焊接馬氏體不銹鋼時(shí)，預(yù)熱是防止冷裂紋的重要措施。預(yù)熱溫度與鋼淬硬傾向有關(guān)，淬硬傾向越大，預(yù)熱溫度也應(yīng)選擇越高。焊后熱處理可降低焊縫金屬與熱影響區(qū)的硬度，改善焊接接頭的韌性，降低焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。采用奧氏體焊接材料時(shí)焊接構(gòu)件可不進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。

參考文獻(xiàn)

[1] 張先龍.L360Q NS鋼含硫天然氣管道焊接工藝應(yīng)用研究[J].金屬加工（熱加工）.2016（04）.

[2] 張文君.淺談高效焊接工藝研究現(xiàn)狀[J].民營(yíng)科技.2014（08）.

[3] 尹伯清，吳波，樊祥云，檀彥平.氨氣儲(chǔ)罐用鋼選擇及其焊接工藝研究[J]. 金屬加工（熱加工）.2013（24）.