所謂不銹鋼是指在鋼中加進(jìn)一定量的鉻元素后,使鋼處于鈍化狀態(tài),具有不生銹的特性。為達(dá)到此目的,其鉻含量必須在12%以上。為進(jìn)步鋼的鈍化性,不銹鋼中還往往需加進(jìn)能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸,而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。

不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類,即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼,以高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn):

① 焊接熱裂紋 奧氏體不銹鋼由于其熱傳導(dǎo)率小,線膨脹系數(shù)大,因此在焊接過程中,焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長(zhǎng),焊縫易形成粗大的柱狀晶組織,在凝固結(jié)晶過程中,若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質(zhì)元素含量較高,就會(huì)在晶間形成低熔點(diǎn)共晶,在焊接接頭承受較高的拉應(yīng)力時(shí),就易在焊縫中形成凝固裂紋,在熱影響區(qū)形成液化裂紋,這都屬于焊接熱裂紋。防止熱裂紋最有效的途徑是降低鋼及焊材中易產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4% ~ 12%的鐵素體組織。

② 晶間腐蝕 根據(jù)貧鉻理論,在晶間上析出碳化鉻,造成晶界貧鉻是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此,選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩(wěn)定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③ 應(yīng)力腐蝕開裂 應(yīng)力腐蝕開裂通常表現(xiàn)為脆性破壞,且發(fā)生破壞的過程時(shí)間短,因此危害嚴(yán)重。造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭的組織變化或應(yīng)力集中的存在,局部腐蝕介質(zhì)濃縮也是影響應(yīng)力腐蝕開裂的原因。

④ 焊接接頭的σ相脆化 σ相是一種脆硬的金屬間化合物,主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變。比如對(duì)于Cr25Ni20型焊縫在800℃ ~ 900℃加熱時(shí),就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的γ→δ轉(zhuǎn)變。對(duì)于鉻鎳型奧氏體不銹鋼,特別是鉻鎳鉬型不銹鋼,易發(fā)生δ→σ相轉(zhuǎn)變,這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的σ化作用,當(dāng)焊縫中δ鐵素體含量超過12%時(shí),δ→σ的轉(zhuǎn)變非常明顯,造成焊縫金屬的明顯的脆化,這也就是為什么熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將δ鐵素體含量控制在3%~10%的原因。

2. 鐵素體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

鐵素體不銹鋼分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類,其中普通鐵素體不銹鋼有Cr12 ~ Cr14型,如00Cr12、0Cr13Al;Cr16 ~ Cr18型,如1Cr17Mo;Cr25 ~ 30型。

由于普通鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高,故加工成形及焊接都較困難,耐蝕性也難以保證,使用受到限制,在超純鐵素體不銹鋼中嚴(yán)格控制了鋼中的碳和氮總量,一般控制在0.035% ~ 0.045%、0.030%、0.010% ~ 0.015%三個(gè)層次,同時(shí)還加進(jìn)必要的合金元素以進(jìn)一步進(jìn)步鋼的耐腐蝕性和綜合性能。與普通鐵素體不銹鋼相比,超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕性能,較多的應(yīng)用于石化設(shè)備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn):

① 焊接高溫作用下,在加熱溫度達(dá)到1000℃以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大,焊后即使快速冷卻,也無(wú)法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。

② 鐵素體鋼本身含鉻量較高,有害元素碳、氮、氧等也較多,脆性轉(zhuǎn)變溫度較高,缺口敏感性較強(qiáng)。因此,焊后脆化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

③ 在400℃ ~ 600℃長(zhǎng)時(shí)間加熱緩冷時(shí),會(huì)出現(xiàn)475℃脆化,使常溫韌性嚴(yán)重下降。在550℃ ~ 820℃長(zhǎng)時(shí)間加熱后,則輕易從鐵素體中析出σ相,也明顯降低其塑、韌性。

3. 馬氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級(jí)馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能,從Cr12為基的馬氏體不銹鋼,因加進(jìn)鎳、鉬、鎢、釩等合金元素,除具有一定的耐腐蝕性能,還具有較高的高溫強(qiáng)度及抗高溫氧化性能。

馬氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn):Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)的淬硬傾向特別大,焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體,在焊接拘束應(yīng)力和擴(kuò)散氫的作用下,很輕易出現(xiàn)焊接冷裂紋。當(dāng)冷卻速度較小時(shí),近縫區(qū)及焊縫金屬會(huì)形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物,使接頭的塑、韌性明顯降低。

低碳及超級(jí)馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)冷卻后,固然全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體,但沒有明顯的淬硬現(xiàn)象,具有良好的焊接性能。

1. 奧氏體不銹鋼焊材選用

奧氏體不銹鋼焊材的選擇原則是在無(wú)裂紋的條件下,保證焊縫金屬的耐蝕性能及力學(xué)性能與母材基本相當(dāng),或高于母材,一般要求其合金成分大致與母材成分匹配。對(duì)于耐蝕的奧氏體不銹鋼,一般?？春欢康蔫F素體,這樣既能保證良好的抗裂性能,又能有很好的抗腐蝕性能。但在某些特殊介質(zhì)中,如尿素設(shè)備的焊縫金屬是不答應(yīng)有鐵素體存在的,否則就會(huì)降低其耐蝕性。對(duì)耐熱用奧氏體鋼,應(yīng)考慮對(duì)焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量的控制。對(duì)于長(zhǎng)期在高溫運(yùn)行的奧氏體鋼焊件,焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量不應(yīng)超過5%。讀者可根據(jù)Schaeffler圖,按焊縫金屬中的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量估計(jì)出相應(yīng)的鐵素體含量。

2. 鐵素體不銹鋼焊材選用

鐵素體不銹鋼焊材基本上有三類:1)成分基本與母材匹配的焊材;2)奧氏體焊材;3)鎳基合金焊材,由于其價(jià)格較高,故很少選用。

鐵素體不銹鋼焊材可采用與母材相當(dāng)?shù)牟牧?但在拘束度大時(shí),很輕易產(chǎn)生裂紋,焊后可采用熱處理,恢復(fù)耐蝕性能,并改善接頭塑性。采用奧氏體焊材可免除預(yù)熱和焊后熱處理,但對(duì)于不含穩(wěn)定元素的各種鋼,熱影響區(qū)的敏化仍然存在,常用309型和310型鉻鎳奧氏體焊材。對(duì)于Cr17鋼,也可用308型焊材,合金含量高的焊材有利于進(jìn)步焊接接頭塑性。奧氏體或奧氏體一鐵素體焊縫金屬基本與鐵素體母材等強(qiáng),但在某些腐蝕介質(zhì)中,焊縫的耐蝕性可能與母材有很大的不同,這一點(diǎn)在選擇焊材時(shí)要留意。

3. 馬氏體不銹鋼焊材選用

在不銹鋼中,馬氏體不銹鋼是可以利用熱處理來(lái)調(diào)整性能的,因此,為了保證使用性能的要求,特別是耐熱用馬氏體不銹鋼,焊縫成分應(yīng)盡量接近母材的成分。為了防止冷裂紋,也可采用奧氏體焊材,這時(shí)的焊縫強(qiáng)度必然低于母材。

焊縫成分同母材成分相近時(shí),焊縫和熱影響區(qū)將會(huì)同時(shí)硬化變脆,同時(shí)在熱影響區(qū)中出現(xiàn)回火軟化區(qū)。為了防止冷裂,厚度3mm以上的構(gòu)件往往要進(jìn)行預(yù)熱,焊后也往往需要進(jìn)行熱處理,以進(jìn)步接頭性能,由于焊縫金屬與母材的熱膨脹系數(shù)基本一致,經(jīng)熱處理后有可能完全消除焊接應(yīng)力。

當(dāng)工件不答應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱或熱處理時(shí),可選擇奧氏體組織焊縫,由于焊縫具有較高的塑性和韌性,能松弛焊接應(yīng)力,并且能較多地固溶氫,因而可降低接頭的冷裂傾向,但這種材質(zhì)不均勻的接頭,由于熱膨脹系數(shù)不同,在循環(huán)溫度的工作環(huán)境下,在熔合區(qū)可能產(chǎn)生剪應(yīng)力,而導(dǎo)致接頭破壞。

對(duì)于簡(jiǎn)單的Cr13型馬氏體鋼,不采用奧氏體組織的焊縫時(shí),焊縫成分的調(diào)整余地未幾,一般都和母材基體相同,但必須限制有害雜質(zhì)S、P及Si等,Si在Cr13型馬氏體鋼焊縫中可促使形成粗大的馬氏體。降低含C量,有利于減小淬硬性,焊縫中存在少量Ti、N或Al等元素,也可細(xì)化晶粒并降低淬硬性。

對(duì)于多組元合金化的Cr12基馬氏體熱強(qiáng)鋼,主要用途是耐熱,通常不用奧氏體焊材,焊縫成分?？唇咏覆摹Ｔ谡{(diào)整成分時(shí),必須保證焊縫不致出現(xiàn)一次鐵素體相,因它對(duì)性能十分有害,由于Cr13基馬氏體熱強(qiáng)鋼的主要成分多為鐵素體元素(如Mo、Nb、W、V等),為保證全部組織為均一的馬氏體,必須用奧氏體元素加以平衡,也就是要有適當(dāng)?shù)腃、Ni、Mn、N等元素。

馬氏體不銹鋼具有相當(dāng)高的冷裂傾向,因此必須嚴(yán)格保持低氫,甚至超低氫,在選擇焊材時(shí),必須要留意這一點(diǎn)。

1. 奧氏體不銹鋼焊接要點(diǎn)

總的來(lái)說,奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性。幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼的熱物理性能和組織特點(diǎn)決定了其焊接工藝要點(diǎn)。

① 由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小而熱膨脹系數(shù)大,焊接時(shí)易于產(chǎn)生較大的變形和焊接應(yīng)力,因此應(yīng)盡可能選用焊接能量集中的焊接方法。

② 由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小,在同樣的電流下,可比低合金鋼得到較大的熔深。同時(shí)又由于其電阻率大,在焊條電弧焊時(shí),為了避免焊條發(fā)紅,與同直徑的碳鋼或低合金鋼焊條相比,焊接電流較小。

③ 焊接規(guī)范。一般不采用大線能量進(jìn)行焊接 。焊條電弧焊時(shí),宜采用小直徑焊條,快速多道焊,對(duì)于要求高的焊縫,甚至采用澆冷水的方法以加速冷卻,對(duì)于純奧氏體不銹鋼及超級(jí)奧氏體不銹鋼,由于熱裂紋敏感性大,更應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線能量,防止焊縫晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大與焊接熱裂紋的發(fā)生。

④ 為進(jìn)步焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能,焊接時(shí),要特別留意焊接區(qū)的清潔,避免有害元素滲透焊縫。

⑤ 奧氏體不銹鋼焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱。為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大及碳化物的析出,保證焊接接頭的塑、韌性和耐蝕姓,應(yīng)控制較低的層間溫度,一般不超過150℃。

2. 鐵素體不銹鋼焊接要點(diǎn)

鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對(duì)較多,奧氏體形成元素相對(duì)較少,材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環(huán)的作用下,熱影響區(qū)晶粒明顯長(zhǎng)大,接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大的程度取決于焊接時(shí)所達(dá)到的最高溫度及其保持時(shí)間,為此,在焊接鐵素體不銹鋼時(shí),應(yīng)盡量采用小的線能量,即采用能量集中的方法,如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等,同時(shí)盡可能采用窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施,并嚴(yán)格控制層間溫度。

由于焊接熱循環(huán)的作用,一般鐵素體不銹鋼在熱影響區(qū)的高溫區(qū)產(chǎn)生敏化,在某些介質(zhì)中產(chǎn)生晶間腐蝕。焊后經(jīng)700~850℃退火處理,使鉻均勻化,可恢復(fù)其耐蝕性。

普通高鉻鐵素體不銹鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高鉻鋼固有的低塑性,以及焊接熱循環(huán)引起的熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大和碳化物、氮化物在晶界集聚,焊接接頭的塑性和韌性都很低。在采用與母材化學(xué)成分相似的焊材且拘束度大時(shí),很易產(chǎn)生裂紋。為了防止裂紋,改善接頭塑性和耐蝕性,以焊條電弧焊為例,可以采取下列工藝措施。

① 預(yù)熱100 ~ 150℃左右,使材料在富有韌性的狀態(tài)下焊接。含鉻越高,預(yù)熱溫度應(yīng)越高。

② 采用小的線能量、不擺動(dòng)焊接。多層焊時(shí),應(yīng)控制層間溫度不高于150℃,不宜連續(xù)施焊,以減小高溫脆化和475℃脆性影響。

③ 焊后進(jìn)行750 ~ 800℃退火處理,由于碳化物球化和鉻分布均勻,可恢復(fù)耐蝕性,并改善接頭塑性。退火后應(yīng)快冷,防止出現(xiàn)σ相及475℃脆性。

3. 馬氏體不銹鋼焊接要點(diǎn)

對(duì)于Cr13型馬氏體不銹鋼,當(dāng)采用同材質(zhì)焊條進(jìn)行焊接時(shí),為了降低冷裂紋敏感性,確保焊接接頭塑、韌性,應(yīng)選用低氫型焊條并同時(shí)采取下列措施:

① 預(yù)熱。預(yù)熱溫度隨鋼材含碳量的增加而進(jìn)步,一般在100℃ ~ 350℃范圍內(nèi)。

② 后熱。對(duì)于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭,焊后采取后熱措施,以防止焊接氫致裂紋。

③ 焊后熱處理。為改善焊接接頭塑、韌性和耐蝕性,焊后熱處理溫度一般為650℃ ~ 750℃,保溫時(shí)間按1h / 25mm計(jì)。

對(duì)于超級(jí)及低碳馬氏體不銹鋼,一般可不采取預(yù)熱措施,當(dāng)拘束度大或焊縫中含氫量較高時(shí),采取預(yù)熱及后熱措施,預(yù)熱溫度一般為100℃ ~ 150℃,焊后熱處理溫度為590 ~ 620℃。

對(duì)于含碳量較高的馬氏體鋼?；蛟诤盖邦A(yù)熱、焊后熱處理難以實(shí)施,以及接頭拘束度較大的情況下,工程中也可用奧氏體型的焊材,以進(jìn)步焊接接頭的塑、韌性,防止產(chǎn)生裂紋。但此時(shí)焊縫金屬為奧氏體組織或以?shī)W氏體為主的組織時(shí),與母材強(qiáng)度相比實(shí)為低強(qiáng)匹配,而且焊縫金屬與母材在化學(xué)成分、金相組織、熱物理性能、力學(xué)性能差別很大,焊接殘余應(yīng)力不可避免,輕易引發(fā)應(yīng)力腐蝕或高溫蠕變破壞。

直徑為800mm,壁厚為10mm的閃蒸罐,殼體材質(zhì)為0Cr18Ni9。

說明:

① 筒體直徑為800mm,焊工可以鉆進(jìn)筒體內(nèi)焊接,故筒體縱、環(huán)縫故采用焊條電弧焊進(jìn)行雙面焊。

② 本設(shè)備無(wú)人孔,故合攏焊縫只能從外側(cè)焊接。為保證焊接質(zhì)量,采用TIG焊打底。但不銹鋼氬弧焊焊接時(shí)背面金屬會(huì)被氧化,以前只能通過采用背面充氬保護(hù)的方法,但是當(dāng)設(shè)備較大或背面無(wú)法實(shí)施氬氣保護(hù)時(shí),將大量浪費(fèi)氬氣,且仍可能出現(xiàn)保護(hù)不好。為解決這一工藝?yán)щy,日本油脂公司焊接事業(yè)部開發(fā)制造了一種背面自保護(hù)不銹鋼TIG焊絲,這是一種具有特殊涂層的焊絲,涂層(即藥皮)熔化后會(huì)滲透到熔池背面,形成一層致密的保護(hù)層,相當(dāng)于焊條藥皮的作用。這用焊絲的使用方法與普通的TIG焊絲完全相同,涂層不會(huì)影響正面的電弧和熔池形態(tài),大大降低了不銹鋼氬弧焊的焊接本錢。本設(shè)備中,若采用背面氬氣保護(hù),氬氣浪費(fèi)嚴(yán)重,故采用了自保護(hù)焊絲。

③ 接管與平焊法蘭角焊縫、接管與殼體角焊縫,鑒于此部位焊縫外形和焊接條件,一般選用焊條電弧焊。若接管直徑太小,為了減少焊接難度,也可以采用TIG焊。

④ 支座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫,采用熔化極氣體保護(hù)焊(保護(hù)氣體為純CO2),效率高,焊縫成形好。TFW-308L為焊材牌號(hào),其焊材型號(hào)為E308LT1-1(AWS A5.22)。