不锈钢焊接技术探讨

不同类型的不锈钢焊接时出现的主要问题不尽相同。

1.奥氏体不锈钢的焊接

与其他类型不锈钢相比，奥氏体不锈钢焊接性最好。但是在焊接热循环作用下，可能产生如下的一些问题。

（1）热裂纹倾向 奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，焊接时产生较大的残余应力；奥氏体不锈钢的热导率小、热阻比较大，容易过热，熔池结晶时容易形成粗大柱状晶，且方向性比较强；由于奥氏体不锈钢中含有Ni和其他合金元素以及杂质，如S、P、Sn、Sb、Si、B、Nb等，容易形成低熔点共晶体和化合物，如Ni₃S₂的熔点是645℃，Ni-Ni₃S₂共晶体的熔点是625℃，Ni-P共晶体的熔点是880℃，FeS的熔点是980℃，Fe-P共晶体的熔点是1050℃；同时奥氏体不锈钢液固相区间大，合金元素容易形成局域偏析；局域成分偏析和液固相区间扩大，有利于焊接热裂纹的形成。

对于18-8型奥氏体不锈钢来说，防止热裂纹的主要措施如下：

1）调整焊缝化学成分 向焊缝加填充金属，使其生成含5%～10%铁素体（体积分数）的双相组织。在18-8型奥氏体不锈钢焊接时，焊缝中具有少量铁素体的双相组织，不仅可以有效地防止热裂纹。而且可以有效地防止焊缝的晶间腐蚀。

2）降低焊缝金属中有害元素 如S、P、C等，在铬-镍奥氏体不锈钢中，由于Ni的存在，S、P和Ni能形成熔点很低的共晶体和化合物；另一方面S、P在Fe和Ni中的溶解度极低，更容易偏析。碳不仅增加热裂倾向，而且增加晶间腐蚀倾向。

3）采用小热输入焊接 限制热输入，增大冷却速度，防止熔池过热、晶粒粗化等，有利于降低热裂倾向。

奥氏体不锈钢焊接时，不仅焊缝中会产生结晶裂纹，还会产生液化裂纹，液化裂纹多发生在熔合区的母材一侧，多层焊时也可能发生在层间熔合区。从本质上讲，液化裂纹也是由于晶界低熔点液膜在焊接热应力作用下形成的，也属于热裂纹的范畴，所不同的是结晶裂纹是在焊缝冷却凝固过程形成的，而液化裂纹是在过热区的母材侧加热过程中形成的。通常情况下，液化裂纹多发生在单相25-20型奥氏体不锈钢中，在双相奥氏体不锈钢中比较少见。因为单相奥氏体不锈钢的晶粒在加热时容易长大，例如加热到1350～1360℃时，25-20型不锈钢的晶粒尺寸要比18-8型不锈钢大50%～60%，晶界液膜的熔点为1355～1360℃，比实际固相线1420℃要低60℃以上。

减轻液化裂纹的根本措施是：减少母材及焊缝中的有害杂质的含量，防止局域成分偏析与低熔点共晶体的形成；在焊接工艺上防止过热，减小晶粒长大程度，采用较小的焊接热输入等都有利于防止液化裂纹的产生。

（2）焊接接头的腐蚀破坏 奥氏体不锈钢焊接接头在服役过程中，接触腐蚀介质，常常发生腐蚀性破坏。不锈钢焊接接头的腐蚀分为晶间腐蚀、点蚀、坑蚀、缝隙腐蚀等，有时也会出现熔合区刀状腐蚀。

1）晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的原因是焊接过程中焊缝的合金元素发生变化，其中主要是渗碳和铬的烧损以及杂质的偏析；其次是过大的焊接热输入引起的粗晶；另外多层多道焊时，后一道焊缝对前一道焊缝的“敏化处理”，都可能引起晶间腐蚀。

2）刀状腐蚀。沿熔合区发生宽度为1.0～1.5mm（最大可达3～5mm）的集中腐蚀，像刀切一样，称为刀状腐蚀。对于1Cr18Ni9Ti^[1]、Cr18Ni12Mo3Ti^[1]等含Ti、Nb稳定化元素的奥氏体不锈钢，刀状腐蚀往往发生在熔合区的母材一侧，这是由于焊接加热过程中，在峰值温度超过1200℃的过热区发生了碳化物分解重溶，在随后的冷却过程中碳又向晶界扩散聚集，在敏化温度区间形成铬的碳化物，导致沿晶界的贫铬区，而产生晶界腐蚀，因此刀状腐蚀是一种特殊形式的晶间腐蚀。

对于14Cr17Ni2^[2]等双相不锈钢或铁素体不锈钢，在焊接热循环的作用下，由于碳从母材向液态熔池扩散，并在熔合区的焊缝侧形成增碳层，在腐蚀介质中发生增碳层的选择性腐蚀，形成刀状腐蚀。

3）焊缝的均匀腐蚀和热影响区的集中腐蚀。焊缝的均匀腐蚀或热影响区的集中腐蚀产生的主要原因是焊接材料使用不当。当焊缝的电极电位低于母材金属时，焊缝将会发生均匀腐蚀；反之，近缝区母材将会发生集中腐蚀。

4）点蚀。焊接接头的点蚀，特别是焊缝的点蚀，主要与焊缝的杂质含量及其成分偏析有关。

5）应力腐蚀破坏。在含有Cl-离子腐蚀介质的环境中服役时，焊接接头还会出现应力腐蚀破坏。焊接残余应力是引起接头应力腐蚀破坏的主要原因。

对18-8型奥氏体不锈钢，防止晶间腐蚀的主要措施如下：

1）降低焊缝的含碳量，选用超低碳不锈钢焊接材料，焊接材料中碳的质量分数≤0.03%。

2）在焊缝中加入一定量的稳定化元素，如Ti、Nb等，焊缝中稳定化元素与碳的比值要求大于母材。

3）调整焊缝金属化学成分，使焊缝金属具有5%～10%（体积分数）的铁素体，由于高铬铁素体沿奥氏体晶界存在，因而就堵塞了沿奥氏体晶界的腐蚀通道。

4）采用较小的焊接热输入。

5）焊后进行固溶处理，如1Cr18Ni9Ti加热到920～1150℃，然后快冷，使碳化物分解重溶及铬均匀化。

防止点蚀的主要措施有：尽可能地净化焊缝，采用较小的焊接热输入，防止粗晶，减少焊缝的工艺缺陷。

防止焊缝的均匀腐蚀和热影响区的集中腐蚀的措施：不锈钢焊接时，选择填充金属不仅要考虑二者等强性，而且要求熔覆金属的化学成分与母材相同，组织相似，焊缝与母材电极电位相等。

防止应力腐蚀的主要措施有：在接头设计时要避免产生应力集中和出现交叉焊缝，避免强迫装配，工艺上避免出现未焊透、咬边等缺陷，减少焊缝余高，采用合理的焊接顺序等；另外，消除残余应力处理，也有利于降低残余应力，防止接头发生应力腐蚀破坏。

（3）接头的脆化问题 奥氏体不锈钢焊接接头在低温或高温条件下，有时会发生脆化问题。

1）低温脆化：亚稳定18-8型奥氏体不锈钢焊接时，焊缝中的少量铁素体将使接头的低温韧性恶化，而单一的奥氏体焊缝可以避免接头的低温脆化。

2）高温脆化：如果奥氏体不锈钢焊缝中含有较多的铁素体化元素或较多的δ相时，将会产生显著的高温脆化现象。例如1Cr18Ni10VNb^[3]奥氏体不锈钢，当焊缝中含有25%δ相（体积分数）时，焊态下U型缺口冲击韧性A_k值为83.5J/cm²；650℃加热2h后，A_k值为70.5J/cm²；750℃加热2h后，A_k值仅为24.5J/cm²。这是因为δ相在590℃以上高温下发生了δ→σ转变，σ相沿晶界析出而导致脆化。因此，长期高温下工作的奥氏体不锈钢焊缝中的δ相必须小于5%（体积分数）。防止接头的脆化的主要措施如下：

①控制焊缝成分，形成单一奥氏体组织。

②限制热输入，避免焊接接头在800～900℃长时间停留。

（4）焊接变形问题 奥氏体不锈钢由于热导率小，热阻大，而线膨胀系数大，在自由状态下焊接时，容易产生较大的焊接变形。特别是薄板奥氏体不锈钢焊接时，变形会相当严重。防止焊接变形的主要措施如下：

1）采用能量集中的电子束焊。

2）限制热输入，用较小的热输入焊接。

2.马氏体不锈钢的焊接

马氏体不锈钢焊接时主要存在如下的一些问题：

（1）冷裂纹倾向 容易形成淬硬组织是马氏体不锈钢产生冷裂纹的主要原因，而且含碳量越高，淬硬性越强，冷裂倾向就越大。马氏体不锈钢在焊接时，过热区的晶粒容易长大，导致粗晶脆化。马氏体不锈钢的导热性较差，焊接残余应力较大，如果工件的厚度较大或接头的拘束度较大，则更容易产生冷裂纹；如果焊接接头中扩散氢含量比较高，对冷裂纹就更加敏感。

对于低碳、超低碳马氏体不锈钢，经淬火和一次回火或二次回火热处理后，形成低碳马氏体+逆变奥氏体复合相组织，冷裂纹的倾向性相对较小；对于含碳和镍等奥氏体形成元素较少而铁素体形成元素含量较多的马氏体不锈钢，淬火后除了形成马氏体外，还保留部分铁素体组织，则具有冷裂纹倾向。

（2）接头脆化 马氏体不锈钢焊接时，当加热温度超过1150℃时，热影响区的晶粒将会严重长大，发生晶粒粗化现象。如12Cr13、12Cr12^[4]热强钢，其化学成分使其组织处于马氏体一铁素体的边界上，即舍夫勒图的M-A边界区，在焊接时，当冷却速度小于10℃/s，近缝区就会出现粗大的铁素体和碳化物组织，使接头的塑韧性显著降低；而当冷却速度较大时，例如大于40℃/s，又形成粗大的马氏体组织，也会使接头的塑韧性下降。因此，焊接时控制其冷却速度很重要。

马氏体不锈钢焊接主要工艺措施如下：

1）焊前预热。马氏体不锈钢冷裂纹倾向大，焊前需要预热，预热温度与钢中含碳量有关，w（C）<0.05%时，预热温度为100～150℃；当w（C）=0.05～0.15%时，预热温度为200～250℃；当w（C）>0.15%时，预热温度为300～350℃；对于马氏体不锈钢预热温度不超过400℃，否则有可能产生475℃脆化。多层多道焊时层间温度应保持在预热温度。

2）焊后热处理。在调质状态下马氏体不锈钢焊接，焊后必须立即进行去应力回火处理，回火温度不超过材料调质处理时的回火温度。去应力回火温度一般在650～750℃之间，保温时间按2.4min/mm确定。对于耐蚀性较高的焊件，回火温度应取下限。

3）马氏体不锈钢焊接与中碳调质钢焊接相似，应严格控制焊接热输入，焊接热输入不宜过大，以防止接头粗晶脆化。

4）尽可能降低焊缝金属中扩散氢的含量。

5）降低接头应力、降低焊接接头拘束度、焊前预热及焊后去应力退火处理等措施均有利于防止冷裂纹形成。

3.铁素体不锈钢的焊接

铁素体不锈钢焊接时，主要存在如下一些问题：

（1）接头脆化

1）粗晶脆化。铁素体不锈钢焊接时，在加热到950℃以上的近缝区，晶粒容易长大、形成粗大的铁素体，导致接头的塑性大幅度降低；而且铁素体不锈钢随着C、N含量的提高，脆性转变温度有所提高；在拘束度较大的条件下焊接时，很容易产生焊接裂纹。

2）475℃脆化。高铬铁素体不锈钢在400～600℃温度区间加热时，析出富Cr的α′相，并与母材之间经常保持共格关系，α′相的析出是高铬铁素体钢475℃脆化的主要原因。

3）σ相析出脆化。高格铁素体不锈钢在550～820℃温度区间长期加热时，将会析出σ相，不仅使钢脆化，还会降低钢的耐蚀性。一旦发生σ相析出，可以通过850℃以上加热，使σ相分解重溶，即可消除σ相的脆化作用。

（2）晶间腐蚀 高铬铁素体不锈钢也有晶间腐蚀倾向，但与Cr-Ni奥氏体不锈钢不同，Cr-Ni奥氏体不锈钢系在敏化温度范围内重复加热后产生晶间腐蚀倾向，而高铬铁素体不锈钢在高温下急冷即可能产生晶间腐蚀倾向。例如Cr17铁素体不锈钢从1100～1200℃急冷、Cr25从1000～1200℃急冷就会产生晶间腐蚀倾向，但是再经过650～850℃加热缓冷以后，可以消除铁素体不锈钢的这种晶间腐蚀倾向。

防止焊缝晶间腐蚀的主要措施如下：

1）尽可能降低焊缝金属中C和N的含量，例如，近几年研制的碳和氮的质量分数之和≤0.010%超高纯铁素体不锈钢，基本上就没有晶间腐蚀倾向。

2）焊后进行700～850℃的退火处理，使铬重新均匀化。

对于铁素体不锈钢，在相当于经历500～800℃敏化温度的热影响区，会产生晶间腐蚀。

防止热影响区晶间腐蚀的主要措施有以下几种：尽可能缩短热影响区在敏化温度区间的停留时间，采用尽可能小的焊接热输入，焊接时尽可能减小横向摆动，或者焊后进行热处理，对于奥氏体不锈钢焊后进行固溶处理，对于铁素体不锈钢焊后进行退火处理。

防止刀蚀的主要措施有以下几种：降低焊缝的碳含量，采用超低碳焊接材料，小的焊接热输入，以及焊后热处理。对于奥氏体不锈钢采用焊后固溶处理，对于铁素体不锈钢采用焊后退火处理。

综上所述，铁素体不锈钢焊接的工艺措施如下：

1）避免在950℃以上长时间加热，防止形成粗大的铁素体而导致脆化；尽可能地限制杂质元素进入焊缝金属，尽量避免在400～600℃温度区间加热以及尽量缩短在此温度区间的停留时间，控制焊接热输入及预热温度等，避免475℃脆化。

2）焊前低温预热 为了防止接头脆化产生裂纹，必须预热；但预热温度过高，反而会加剧接头粗晶脆化，预热温度控制在100～200℃。

3）焊后热处理 焊后热处理可以使铬重新均匀化，碳、氮化合物球化，消除晶间腐蚀倾向；提高接头的塑性、改善接头的力学性能，防止产生裂纹。对于采用同质材料焊接的铁素体不锈钢，焊后需进行650～850℃退火处理。

4）尽可能采用小热输入焊接，减少热输入。多层焊时，层间温度不宜超过150℃，防止过热。

4.双相不锈钢焊接

（1）双相不锈钢焊接的主要问题 双相不锈钢焊接主要问题是475℃脆化和σ相析出脆化。其形成机制如下：

1）焊接接头两相组织比例失调：双相不锈钢焊缝凝固时先结晶出δ铁素体，当温度进一步降低时，发生δ→γ的固态相变，冷却至室温时，会保留部分δ铁索体，形成δ+γ的双相组织。

在焊接加热过程中，当热影响区的温度超过双相钢的固溶处理温度（1150～1400℃）时，晶粒将会长大，并且发生γ→δ相变，使γ相减少，δ相增加，热影响区中过热区有可能出现单一的粗大δ相组织；如随后的冷却速度过快，将会抑制δ→γ二次相变，使热影响区的两相组织比例失调。当双相不锈钢中δ铁素体含量大于70%时，二次相变的奥氏体会变成针状或羽毛状组织，引起接头脆化。

双相不锈钢焊接时，由于冷却速度较快，在熔池凝固过程中δ→γ的固态相变受到抑制，即使焊缝金属的化学成分与母材相同，但焊缝金属中的δ相也比母材高得多。

2）х相、σ相析出 双相不锈钢在600～1000℃温度范围内较长时间加热并缓冷时，会有х相、σ相以及碳化物（Cr₂₃C₆）、氮化物（Cr₂N、CrN）金属间化合物析出，而且当Cr、Mo含量较高或双相不锈钢中含有Cu、W时，会加剧脆性相的析出。脆性相和金属间化合物的析出，使双相不锈钢焊接接头塑韧性及抗蚀性大幅度降低。

3）固溶度影响 在焊接热循环作用下，使双相不锈钢焊接接头区的两相比例变化，δ相远多于γ相。由于C和N在铁素体中的固溶度很低[w（C）<0.02%，w（N）<00.05%]，而在奥氏体中固溶度较高[w（C）≈2.16%，w（N）≈0.2～0.5%]，γ相的减少进一步促使碳化物、氮化物及σ相等的析出；δ相的增加，475℃脆化倾向也随之增大。

（2）双相不锈钢焊接工艺 工业中使用的双相不锈钢有：Cr18型、Cr23（不含Mo）型、Cr22型、Cr25型。Cr18型双相不锈钢列入国家标准GB/T 20878—2007的牌号有022Cr19Ni5Mo3Si2N和14Cr18Ni11Si4AlTi两种。

1）Cr18型双相不锈钢焊接工艺要点：022Cr18Ni5Mo3Si2N属于超低碳双相不锈钢，具有良好的焊接性，两相组织的比例相对比较稳定、焊接冷裂纹及热裂纹的敏感性低，接头的脆化倾向小；而14Cr18Ni11Si4AlTi双相不锈钢的焊接性稍差，特别是σ相析出脆化及475℃脆化倾向稍大。

①Cr18型双相不锈钢焊接时，通常焊前不预热，焊后不作热处理。

②选用组织、力学性能和耐蚀性与母材相匹配的超低碳双相不锈钢焊接材料。

③Cr18型双相不锈钢焊接时应尽可能采用较小的焊接热输入，降低焊缝热输入。

④在多层多道焊时，层间温度不得高于100℃，施焊过程中，不做横向摆动，扫描。

2）Cr25型双相不锈钢焊接工艺要点Cr25型不锈钢由于合金元素的含量比较高，且有Mo的加入，因而具有比较明显的475℃脆性；在600～1000℃温度范围内加热时，焊接热影响区及多层多道焊的焊缝金属中，容易析出σ相、χ相以及碳、氮化合物（Cr23C6、Cr2N、CrN）和其他各种金属间化合物。另外，当冷却速度过快时将使δ→γ的固态相变受到抑制，使两相组织的比例失调。

①Cr25双相不锈钢焊接时，通常焊前不需要预热，焊后不作热处理，但有些焊接结构件是在较强的腐蚀性介质工况条件下服役的，焊后需对接头进行1050～1080℃的固溶处理。

②选用与母材金属成分相同或镍基的焊接材料，常用的有Cr25-Ni9-Mo4型和Cr25-Ni5-Mo3型两种。

③Cr25型双相不锈钢焊接时，选用中等偏小焊接热输入，控制在10～15kJ/cm范围内；层间温度不高于150℃。基本原则是中薄板焊接时采用中小热输入，中厚板焊接时采用较大热输入。