奧氏體不銹鋼的焊條選用

1、對(duì)不銹鋼的認(rèn)識(shí)：

不銹鋼是指主加元素Cr高于12%，能使鋼處于鈍化狀態(tài)、又具有不銹鋼特性的鋼。不銹鋼實(shí)際是不銹鋼（耐大氣、水等弱腐蝕介質(zhì)）和耐酸鋼（耐酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)）的總稱。不銹鋼并不一定耐酸，而耐酸鋼一般具有良好的不銹性能。

●不銹鋼的分類

◆不銹鋼根據(jù)其顯微組織分為鐵素體型、馬氏體型、奧氏體型、奧氏體+鐵素體型和沉淀硬化型不銹鋼。

◆不銹鋼根據(jù)主要合金元素大致分為高鉻型不銹鋼和高鉻鎳型不銹鋼。

◆高鉻型不銹鋼包括馬氏體型不銹鋼和鐵素體不銹鋼兩大類。

◆高鉻鎳型不銹鋼則包括奧氏體、奧氏體+鐵素體型和沉淀硬化型不銹鋼。

▼馬氏體不銹鋼：常見的以Cr13不銹鋼為代表，在常溫下具有馬氏體組織，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2、9Cr18MoV。

▼鐵素體不銹鋼：常見的以Cr13、Cr17為代表，在常溫下具有鐵素體組織，如0Cr13、0Cr13Al、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr25Ti。

▼奧氏體不銹鋼：大致分為：

◇Cr18-Ni8型，如0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2等；

◇Cr25-Ni13型，如0Cr23Ni13； 

◇Cr25-Ni20型，如0Cr25Ni20 ；

◇Cr25-Ni35型，如4Cr25Ni35（國(guó)外鑄造不銹鋼） ；

◇超級(jí)奧氏體型，如254SMo（20Cr-18Ni-6Mo）。

☆Cr18Ni9不銹鋼是基本的鉻鎳奧氏體不銹鋼。

★注意：

不銹鋼的不銹性和耐蝕性是相對(duì)的和有條件的，目前還沒有對(duì)任何腐蝕環(huán)境都具有耐蝕性的不銹鋼，所以不銹鋼的選用應(yīng)根據(jù)具體的使用條件加以合理考慮。技術(shù)人員在進(jìn)行材料代用時(shí)應(yīng)注意。

●奧氏體不銹鋼的組織特點(diǎn)：

◆通常在常溫下的組織為純奧氏體，也有一些為奧氏體+少量鐵素體，這種少量鐵素體有助于防止熱裂紋。

◆不能用熱處理方法強(qiáng)化。但具有顯著的冷加工硬化性，可通過冷變形方法提高強(qiáng)度。

◆經(jīng)冷變形產(chǎn)生的加工硬化，可采用固溶處理便之軟化。

2、奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)：

（1）熱裂紋。

★防止措施：

◇盡量使焊縫金屬呈雙相組織，鐵素體的含量控制在3-5%以下。因?yàn)殍F素體能大量溶解有害的S、P雜質(zhì)。

◇盡量選用堿性藥皮的優(yōu)質(zhì)焊條，以限制焊縫金屬中S、P、C等的含量。

（2）晶間腐蝕：根據(jù)貧鉻理論，焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450-850℃敏化溫度區(qū)時(shí)在晶界上析出碳化鉻，造成貧鉻的晶界，不足以抵抗腐蝕的程度。

★防止措施：

◇采用低碳或超低碳的焊材，如A002等；采用含鈦、鈮等穩(wěn)定化元素的焊條，如A137、A132等。

◇由焊絲或焊條向焊縫熔入一定量的鐵素體形成元素，使焊縫金屬成為奧氏體+鐵素體的雙相組織，（鐵素體一般控制在4-12%）。

◇減少焊接熔池過熱，選用較小的焊接電流和較快的焊接速度，加快冷卻速度。

◇焊后穩(wěn)定化退火處理（對(duì)耐晶間腐蝕性能要求很高的焊件而言）：850 ℃/2-3h，空冷。 

（3）應(yīng)力腐蝕開裂：

●應(yīng)力腐蝕開裂——焊接接頭在特定腐蝕環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時(shí)所產(chǎn)生的延遲開裂現(xiàn)象。

●奧氏體不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴(yán)重的失效形式，表現(xiàn)為無塑性變形的脆性破壞。

●應(yīng)力腐蝕開裂的宏觀特征：裂紋從表面開始向內(nèi)部擴(kuò)展，點(diǎn)蝕往往是裂紋的根源。斷口上常附有各種腐蝕產(chǎn)物及氧化現(xiàn)象。

●影響應(yīng)力腐蝕開裂的三要素：化學(xué)成分、拉應(yīng)力、工作介質(zhì)。

▲化學(xué)成分：不同的材料本身對(duì)于應(yīng)力腐蝕敏感性有所不同。

▲工作介質(zhì)：主要是介質(zhì)的濃度和溫度的影響：

① 對(duì)于碳鋼及低合金鋼的應(yīng)力腐蝕開裂：

◇H2S介質(zhì)的存在：H2S的濃度達(dá)到飽和狀態(tài)；H2S水溶液的溫度在室溫附近開裂傾向最大。

◇NaOH介質(zhì)的存在：在超過5% NaOH的幾乎全部濃度范圍內(nèi)都可產(chǎn)生堿脆，而以30% NaOH附近最為危險(xiǎn)。堿脆的臨界溫度約為沸點(diǎn)，堿脆的最低溫度約為60℃。

② 對(duì)于奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂：

◇氯化物介質(zhì)的存在：幾乎只要有Cl- 存在，即可發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂；溫度升高，應(yīng)力腐蝕開裂加速，在Cl- 濃度少的稀溶液中，存在一個(gè)SCC敏感溫度范圍，一般在150-300℃。

◇NaOH介質(zhì)的存在：OH-的濃度高于0.1%即發(fā)生SCC，40-42%的NaOH是最危險(xiǎn)的濃度；最低發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的溫度是115℃左右（對(duì)于40-42%的NaOH）。

◇高溫高壓水介質(zhì)的存在：其中溶解的氧（O）濃度對(duì)不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂傾向影響很大，且存在一敏感溫度范圍150-300℃，在300℃附近最易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。

▲接頭拉應(yīng)力：拉應(yīng)力的存在是SCC的先決條件。壓應(yīng)力不會(huì)引起SCC。據(jù)調(diào)查，造成SCC的應(yīng)力主要是殘余應(yīng)力，約占80%，其中由焊接引起的殘余應(yīng)力約占30%。

★應(yīng)力腐蝕開裂防止措施：

◇合理設(shè)計(jì)：①耐蝕材料的合理選擇，實(shí)用上選用高Cr、Ni且含高M(jìn)o的奧氏體不銹鋼是合理的，雙相不銹鋼具有最好的抗SCC性能，超級(jí)奧氏體不銹鋼顯示明顯的耐應(yīng)力腐蝕能力；②最大限度地減少應(yīng)力集中和減少高應(yīng)力區(qū)。

◇合理制定成形加工和組裝工藝，盡可能減小冷作變形度，避免強(qiáng)制組裝，防止組裝過程中造成各種傷痕（各種組裝傷痕及電弧灼痕都會(huì)成為SCC的裂源，易造成腐蝕坑）。

◇合理選擇焊材：焊縫與母材應(yīng)有良好的匹配，不產(chǎn)生任何不良組織，如晶粒粗化及硬脆馬氏體等；

◇采取合適的焊接工藝：保證焊縫成形良好，不產(chǎn)生任何應(yīng)力集中或點(diǎn)蝕的缺陷，如咬邊等；采取合理的焊接順序，降低焊接殘余應(yīng)力水平；

◇消除應(yīng)力處理：焊后熱處理，如焊后完全退火或退火；在難以實(shí)施熱處理時(shí)采用焊后錘擊或噴丸等。 

◇生產(chǎn)管理措施：介質(zhì)中雜質(zhì)的控制，如液氨介質(zhì)中的O2、N2、H2O等；液化石油氣中的H2S；氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等；防蝕處理：如涂層、襯里或陰極保護(hù)等；添加緩蝕劑。

（4）焊縫金屬的低溫脆化：

對(duì)于奧氏體不銹鋼焊接接頭，在低溫使用時(shí)，焊縫金屬的塑韌性是關(guān)鍵問題。此時(shí)，焊縫組織中的鐵素體的存在總是惡化低溫韌性。

★由此可知，除了單相奧氏體鋼，其他各類不銹鋼均不適用于低溫條件。

★防止措施：通過選用純奧氏體焊材和調(diào)整焊接工藝獲得單一的奧氏體焊縫。

（5）焊接接頭的σ 相脆化：

 ●焊件在經(jīng)受一定時(shí)間的高溫加熱后會(huì)在焊縫中析出一種脆性的σ 相，導(dǎo)致整個(gè)接頭脆化，塑性和韌性顯著下降。 

σ 相的析出溫度范圍650-850℃。在高溫加熱過程中，σ 相主要由鐵素體轉(zhuǎn)變而成。加熱時(shí)間越長(zhǎng)， σ 相析出越多。

★防止措施：

◇限制焊縫金屬中的鐵素體含量（小于15%）；采用超合金化焊接材料，即高鎳焊材。

◇采用小規(guī)范，以減小焊縫金屬在高溫下的停留時(shí)間；

◇對(duì)已析出的σ 相在條件允許時(shí)進(jìn)行固溶處理，使σ 相溶入奧氏體。

3、奧氏體不銹鋼的焊條選用要點(diǎn)：

●不銹鋼主要用于耐腐蝕，但也用作耐熱鋼和低溫鋼。因此，在焊接不銹鋼時(shí)，焊條的性能必須與不銹鋼的用途相符。不銹鋼焊條必須根據(jù)母材和工作條件（包括工作溫度和接觸介質(zhì)等）來選用。

（1）一般來說，焊條的選用可參照母材的材質(zhì)，選用與母材成分相同或相近的焊條。如：A102對(duì)應(yīng)0Cr19Ni9；A137對(duì)應(yīng)1Cr18Ni9Ti。 

（2）由于碳含量對(duì)不銹鋼的抗腐蝕性能有很大的影響，因此，一般選用熔敷金屬含碳量不高于母材的不銹鋼焊條。如316L必須選用A022焊條。

（3）奧氏體不銹鋼的焊縫金屬應(yīng)保證力學(xué)性能?？赏ㄟ^工藝評(píng)定驗(yàn)證

（4）對(duì)于在高溫工作的耐熱不銹鋼（奧氏體耐熱鋼），所選用的焊條主要應(yīng)能滿足焊縫金屬的抗熱裂性能和焊接接頭的高溫性能。

◆對(duì)Cr/Ni≥1的奧氏體耐熱鋼，如1Cr18Ni9Ti等，一般均采用奧氏體-鐵素體不銹鋼焊條，以焊縫金屬中含2-5%鐵素體為宜。鐵素體含量過低時(shí)，焊縫金屬抗裂性差；若過高，則在高溫長(zhǎng)期使用或熱處理時(shí)易形成σ脆化相，造成裂紋。如A002、A102、A137。

在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，可能要求采用全奧氏體的焊縫金屬時(shí)，可采用比如A402、A407焊條等。

◆對(duì)Cr/Ni＜1的穩(wěn)定型奧氏體耐熱鋼，如Cr16Ni25Mo6等，一般應(yīng)在保證焊縫金屬具有與母材化學(xué)成分大致相近的同時(shí)，增加焊縫金屬中Mo、W、Mn等元素的含量，使得在保證焊縫金屬熱強(qiáng)性的同時(shí)，提高焊縫的抗裂性。如采用A502、A507。

（5）對(duì)于在各種腐蝕介質(zhì)中工作的耐蝕不銹鋼，則應(yīng)按介質(zhì)和工作溫度來選擇焊條，并保證其耐腐蝕性能（做焊接接頭的腐蝕性能試驗(yàn)）。

◆對(duì)于工作溫度在300℃以上、有較強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)，須采用含有Ti或Nb穩(wěn)定化元素或超低碳不銹鋼焊條。如A137或A002等。

◆對(duì)于含有稀硫酸或鹽酸的介質(zhì)，常選用含Mo或含Mo和Cu的不銹鋼焊條如：A032、A052等。

◆對(duì)于在常溫下工作，腐蝕性弱或僅為避免銹蝕污染的設(shè)備，方可采用不含Ti或Nb的不銹鋼焊條。

◆為保證焊縫金屬的耐應(yīng)力腐蝕能力，采用超合金化的焊材，即焊縫金屬中的耐蝕合金元素（Cr、Mo、Ni等）含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2類型的焊接材料（如A022）焊接00Cr19Ni10焊件。

（6）對(duì)于在低溫條件下工作的奧氏體不銹鋼，應(yīng)保證焊接接頭在使用溫度的低溫沖擊韌性，故采用純奧氏體焊條。如A402、A407。

（7）也可選用鎳基合金焊條。如采用Mo達(dá)9%的鎳基焊材焊接Mo6型超級(jí)奧氏體不銹鋼。 

（8）焊條藥皮類型的選擇：

◆由于雙相奧氏體鋼焊縫金屬本身含有一定量的鐵素體，具有良好的塑性和韌性，從焊縫金屬抗裂性角度進(jìn)行比較，堿性藥皮與鈦鈣型藥皮焊條的差別不像碳鋼焊條那樣顯著。因此在實(shí)際應(yīng)用中，從焊接工藝性能方面著眼較多，大都采用藥皮類型代號(hào)為17或16的焊條（如A102A、A102、A132等）。

◆只有在結(jié)構(gòu)剛性很大或焊縫金屬抗裂性較差（如某些馬氏體鉻不銹鋼、純奧氏體組織的鉻鎳不銹鋼等）時(shí)，才考慮選用藥皮代號(hào)為15的堿性藥皮不銹鋼焊條（如A107、A407等）。 

4、鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的焊接：

（1）對(duì)國(guó)內(nèi)外雙相不銹鋼的認(rèn)識(shí)：

●用途：主要用于耐強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)（如氯離子含量較高）的石油化工、海水與廢水處理的設(shè)備、管道等場(chǎng)合。

●組織和性能特點(diǎn)：

◇含有較高的鉻（18-28%）和較低的鎳（4-10%），室溫下的組織為奧氏體+鐵素體，通常鐵素體含量不低于50%。

◇屈服強(qiáng)度可達(dá)400-550MPa，是普通不銹鋼的2倍

◇同時(shí)具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的一些特性，韌性良好，強(qiáng)度較高，耐氯化物應(yīng)力腐蝕優(yōu)于普通不銹鋼。

◇具有良好的焊接性能：與奧氏體不銹鋼相比，具有較低的熱裂傾向；與鐵素體不銹鋼相比，具有較低的加熱脆化傾向。

●雙相不銹鋼的類型：

雙相不銹鋼的品種很多，最常用的有3種，即：

◇超低碳的18Cr-5Ni-3Mo型（也稱Cr18型、 1805型）：

如已列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4237《雙相不銹鋼熱軋鋼板》的00Cr18Ni5Mo3Si2（1805）；美國(guó)ASTM S31500（18Cr-5Ni-3Mo-N，抗拉強(qiáng)度下限630MPa）

◇23Cr-4Ni-Mo型（也稱Cr23無Mo型、 2305型）： 

如：美國(guó)ASTM S32304（23Cr-4Ni-Mo-Cu-N，抗拉強(qiáng)度下限600MPa）

◇22Cr-5Ni-3Mo型（也稱Cr22型、 2205型）：

如：美國(guó)ASTM S31803（22Cr-5Ni-3Mo-N，抗拉強(qiáng)度下限620MPa）

◇25Cr-7Ni-4Mo型（也稱Cr25型、2507型）：分普通和超級(jí)兩種類型。

■如：已列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4237-92《雙相不銹鋼熱軋鋼板》和GB13296-91的普通雙相不銹鋼有0Cr26Ni5Mo2；美國(guó)ASTM S31260（普通型，25Cr-6Ni-3Mo-Cu-N-W，抗拉強(qiáng)度下限690MPa）、 ASTM S32750（超級(jí)型，25Cr-7Ni-4Mo-N，抗拉強(qiáng)度下限800MPa）。

（2）雙相不銹鋼的焊接特點(diǎn)：

◇具有良好的焊接性，熱裂紋敏感性較小，當(dāng)雙相組織的比例適當(dāng)時(shí)冷裂紋敏感性也較低。但在拘束度較大及焊縫金屬含氫量較高時(shí)，由于雙相組織中的鐵素體作用，仍存在氫致裂紋的危險(xiǎn)。

◇雙相鋼在300-500℃范圍內(nèi)存在時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生“475℃脆性”，所以雙相鋼的使用溫度常低于250℃。

★各種類型雙相鋼的具體焊條選用：

☆Cr18型雙相鋼：選用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材（如AWS A5.4 E2209和ER2209牌號(hào)）；也可選用含Mo的奧氏體型不銹鋼焊材，如A022Si（E316L-16）、A042（E309MoL-16）。

☆Cr23無Mo型雙相鋼：選用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材（如AWS A5.4 E2209和ER2209牌號(hào)）；也可選用奧氏體型不銹鋼焊材，如A062（E309L-16）。

☆Cr22型：選用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材（如AWS A5.4 E2209和ER2209牌號(hào)）；也可選用含Mo的奧氏體型不銹鋼焊材，如A042（E309MoL-16）。

☆Cr25型：選用Cr25-Ni5-Mo3或Cr25-Ni5-Mo4型超低碳焊材，（如AWS A5.4 E2553和ER2553牌號(hào)） ；也可選用不含Nb的高M(jìn)o鎳基焊材，如無Nb的NiCrMo-3型焊材。

●預(yù)熱：不需要。層間溫度不高于100℃。

●焊接線能量：Cr18型雙相鋼不大于15kJ/cm；Cr23無Mo型和Cr22型雙相鋼為10-25kJ/cm；Cr25型雙相鋼為10-15kJ/cm。

●焊后熱處理：不需要。

（3）雙相不銹鋼的焊接工藝要點(diǎn)：

●焊接方法：

鎢極氬弧焊、手工電弧焊、熔化極鎢極氣體保護(hù)焊、埋弧焊均可均可。

●焊接材料：

◇為防止σ相和保證焊縫金屬正常的奧氏體/鐵素體相比例，焊接雙相鋼也同樣要采用“超合金化”焊材，即高鎳焊材。

◇為防止碳化物析出，焊縫金屬的含碳量應(yīng)控制在超低碳（0.03%）的水平。

◇當(dāng)對(duì)焊縫金屬的耐腐蝕性能有特殊要求時(shí)，還應(yīng)采用超級(jí)雙相鋼成分的堿性焊條。

5、超級(jí)奧氏體不銹鋼的焊接：

目前在國(guó)外廣泛開發(fā)應(yīng)用的新鋼種，用于抗氯離子等強(qiáng)腐蝕的環(huán)境。我公司將在煙臺(tái)萬華MDI項(xiàng)目和寧波臺(tái)塑NAE項(xiàng)目上接觸到。

★國(guó)外最典型的超級(jí)奧氏體不銹鋼是ASTM S31254（254SMo），公稱成分20Cr-18Ni-6Mo，強(qiáng)度比316L高約50%。

（1）組織和性能特點(diǎn)：

◇化學(xué)成分介于普通奧氏體不銹鋼與鎳基合金之間，含有較高的Mo、N、Cu等合金化元素，以提高奧氏體組織的穩(wěn)定性、耐腐蝕性，特別是提高抗Cl-的應(yīng)力腐蝕開裂性能

◇鋼的組織為純奧氏體組織。

◇冷加工硬化傾向較大，冷成形后有較大的反彈。所以加工時(shí)要有一定的成形留量。冷成形后不需熱處理。

◇長(zhǎng)時(shí)間熱成形加熱易導(dǎo)致嚴(yán)重的起皮現(xiàn)象。熱成形后一般需要固溶處理。（2）焊接特點(diǎn)：同其它奧氏體不銹鋼相同。

（3）焊接工藝要點(diǎn)：

●焊接方法：優(yōu)選鎢極氬弧焊，其次手工電弧焊。

●焊接材料：采用鎳基焊材，如焊絲ASTM A5.14 ERNiCrMo-3；焊條ASTM A5.11 ENiCrMo-12。

●預(yù)熱：不需要，層間溫度不高于100℃。

●焊接線能量：控制。

●焊后熱處理：一般不需要。如果采用自熔焊（即不填絲TIG焊）時(shí)，要進(jìn)行固溶處理和淬火，以保證耐蝕性。建議盡量不采用自熔焊工藝。