奥氏体不锈钢焊接操作

奥氏体不锈钢焊接操作

一、不锈钢简介

不锈钢在航空、化工和原子能等工业中得到广泛的应用。各种不锈钢都具有优良的化学稳定性，但是如果加工、使用或保养不当，不锈钢仍会生锈。

按空冷后室温组织不同，不锈钢分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体—铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化型不锈钢。常用不锈钢新旧牌号对比见表9—10。

在不锈钢中。奥氏体不锈钢比其他不锈钢具有更优良的耐腐蚀性、耐热性和塑性，且焊接性良好，因此应用最广泛。

二、奥氏体不锈钢的焊接

1.奥氏体不锈钢的焊接性

由于奥氏体不锈钢含有较高的铬，可形成致密的氧化膜，故具有良好的耐蚀性能。当含铬量为18%，含镍量为8%时，基本上能得到均匀的奥氏体组织。含铬、镍量越高，奥氏体组织越稳定，耐蚀性能就越好。奥氏体不锈钢虽具有良好的耐蚀性、耐高温性、塑性和焊接性，但施焊中如果焊接工艺选择不当，也会产生下列问题∶

（1）晶间腐蚀问题  晶间腐蚀是18—8 型奥氏体钢（如06Cr18Ni11Ti）最危险的破坏形式。室温下碳元素在奥氏体中的溶解度很小，为0.02%～0.03%，而一般情况下奥氏体型不锈钢的含碳量均超过这个范围，因此只能在淬火状态下使碳固溶在奥氏体中，以保证钢材具有较高的化学稳定性。但是，这种淬火状态的奥氏体钢加热到450～850℃或在该温度下长期使用时，就会在腐蚀介质作用下产生晶间腐蚀。

奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀一般认为是由于晶粒边界的贫铬层造成的。即当晶界附近的金属含铬量低于 12%时就失去了抗腐蚀的能力，在腐蚀介质的作用下，即产生晶间腐蚀。发生晶间腐蚀的不锈钢当受到应力作用时就会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。奥氏体不锈钢如果焊接不当，便会在焊缝和热影响区造成晶间腐蚀，有时在紧邻熔合线的过热区中还会有沿熔合线走向的深沟状似刀痕的腐蚀，称为刀状腐蚀。

在焊接奥氏体不锈钢时，可采用下列措施防止和减少焊件产生晶间腐蚀∶

1）控制含碳量 碳是造成晶间腐蚀的主要元素。碳含量在0.08%以下时，析出碳的数量较小;碳含量在0.08% 以上时，析出碳的数量迅速增加。所以常控制基体金属和焊条的含碳量在0.08%以下，如采用06Cr19Ni10钢板、E308—15（E0—19—10—15）、E347—16焊条等。另外，如果奥氏体钢中的含碳量在0.02%～0.03%时，则全部碳都溶解在奥氏体中，即使在450~850℃加热也不会形成贫铬层，故不会产生晶间腐蚀。通常所说的超低碳不锈钢（如022Cr19Ni10、022Cr18Ni14Mo3、E308L—16焊条）含碳量小于0.03%，因此不会产生晶间腐蚀。

2）添加稳定剂 在钢材和焊接材料中加入钛、铌等与碳的亲和力比铬强的元素，使之与碳结合成稳定的碳化物，从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。常用的不锈钢材和焊接材料均含有钛和铌，如06Cr18Ni11Ti、06Cr17Ni12Mo2Ti钢材、E347—15 焊条、H08Cr19Ni10Ti焊丝等。

3）进行固溶处理 焊接接头进行固溶处理的方法是∶在焊后把焊接接头加热到1050~ 1100℃，使碳重新溶入奥氏体中，然后迅速冷却，稳定奥氏体组织。另外，也可以在850～900℃下保温2 h，进行稳定化热处理。此时，奥氏体晶粒内部的铬逐步扩散到晶界，晶界处的含铬量重新恢复到12% 以上，避免了晶间腐蚀。

4）采用双相组织 在焊缝中加入铁素体形成元素（如铬、硅、铝、钼等），使焊缝构成奥氏体加铁素体的双相组织。这样可破坏单一奥氏体柱状晶的方向性，从而避免贫铬层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的通道。另外，由于铬在铁素体中的扩散速度比在奥氏体中快，因此铬在铁素体内可较快地向晶界扩散，从而减轻了奥氏体晶界的贫铬现象。一般通常选择E309—15 焊条，并采用较小的熔合比来控制焊缝金属铁素体含量，一般焊缝金属铁素体含量在5% ～10%为佳。如果铁素体过多，会使焊缝变脆。

5）加快冷却速度 因为奥氏体型不锈钢不会产生淬硬现象，所以在焊接过程中可以设法增加焊接接头的冷却速度，如焊件下垫铜板，或直接浇水冷却。在焊接过程中，采用小电流、大焊速、短弧、多道焊，缩短焊接接头在危险温度区停留的时间等措施，均可防止或减小贫铬区。此外，还必须注意焊接顺序。与腐蚀介质接触的焊缝应最后焊接，使其不受重复的焊接热循环作用。

（2）焊接热裂纹 热裂纹是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的缺陷，包括焊缝的纵向裂纹和横向裂纹、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奥氏体不锈钢更易产生热裂纹。奥氏体不锈钢产生热裂纹的倾向要比低碳钢大得多，主要原因如下∶

1）奥氏体不锈钢的导热系数大约只有低碳钢的一半，而线膨胀系数比低碳钢约大50%，所以焊后在接头中会产生较大的焊接应力。

2）奥氏体不锈钢中的碳、硫、磷、镍等成分会在熔池中形成低熔点共晶体。例如，硫与镍形成的Ni₃S₂熔点为645℃，而Ni—Ni₃S₂共晶体的熔点只有625℃。

3）奥氏体不锈钢的液固相线的区间较大，结晶时间较长，且结晶的枝晶方向性强。所以杂质偏析现象比较严重。

对于铬镍奥氏体不锈钢来说，防止热裂纹的常用措施是采用双相组织的焊条，使焊缝形成奥氏体和铁素体的双相组织。当焊缝中有 5%左右的铁素体时，奥氏体的晶粒长大便受到阻碍，柱状晶的方向打乱，因而细化了晶粒，并可防止杂质的聚集。由于铁素体可比奥氏体溶解更多的杂质，因此还减少了低熔点共晶体在奥氏体晶格边界上的偏析。因此。防止热裂纹措施包括∶ 使用碱性焊条; 采用小电流、快焊速;焊接结束或中断时收弧慢且填满弧坑;或采用氩弧焊打底焊等来。

2.奥氏体不锈钢的焊接工艺

（1）焊条电弧焊

1）焊前准备  根据钢板厚度及接头形式。用机械加工、等离子弧切割或碳弧气刨等方法下料，并加工坡口。对接接头板厚超过3mm时，必须开坡口。为了避免焊接时碳和杂质混入焊缝，焊前应将焊缝两侧20～30 mm范围用丙酮、汽油、乙醇等擦净，并涂白垩粉，以避免表面被飞溅金属损伤。

2）焊条的选用  按照药皮性质的不同，奥氏体不锈钢焊条可以分为酸性钛钙型药皮焊条和碱性低氢型药皮焊条。低氢型不锈钢焊条的抗热裂性较好，但成形不如钛钙型焊条，抗腐蚀性也较差。钛钙型不锈钢焊条具有良好的工艺性能，生产中用得较多。

焊接时，应根据奥氏体不锈钢的使用条件选用不同型号的焊条，见表 9—11。

3）焊接工艺  由于奥氏体不锈钢的电阻较大，焊接时产生的电阻热也大，所以同样直径的不锈钢焊条的焊接电流值应比低碳钢焊条的焊接电流降低20%左右;否则，焊接时药皮将迅速发红失去保护而无法焊接。

焊接时，应采用小电流、快焊速，焊条在横向上无摆动。一次焊成的焊缝不宜过宽，宽度不应超过焊条直径的3倍。多层焊时，每一层焊完要彻底清除熔渣，并控制层间温度，待前层焊缝冷却后（<60℃）再焊接下一层。焊接开始时，不要在焊件上随便引弧，以免损伤焊件表面，影响焊件的耐腐蚀性。焊后可采取强制冷却措施，加速接头冷却。

（2）氩弧焊  氩弧焊目前普遍用于不锈钢的焊接。与焊条电弧焊相比，它有下列优点;氩气保护效果好;氩弧的温度高，热量集中，且有氩气流的冷却作用，焊缝的热影响区小;焊缝的强度高，耐腐蚀性好，焊件的变形小。因此，氩弧焊获得的焊缝的质量比焊条电弧焊的高。此外，氩弧焊在焊接时无熔渣，不需要清渣，焊后无夹渣的缺陷。氩弧焊的生产率高，易于自动化，并能用于焊接0.5 m 的薄钢板。

目前，在氩弧焊中应用较广的是手工钨极氩弧焊，常用于焊接0.5～3 mm 的不锈钢薄板、薄壁管。焊丝的成分一般与焊件相同，保护气体一般采用工业纯氩。焊接时速度应适当快些。以减小焊件的变形和减少焊缝中的气孔。但是焊速不能过快，否则会造成焊缝不均匀和未焊透等缺陷。焊接时尽量避免横向摆动。

对于厚度大于3 mm 的不锈钢，可采用熔化极氩弧焊。熔化极氩弧焊的优点是生产率高，焊缝的热影响区小，焊件的变形小且耐腐蚀性好，易于实现自动化。

（3）埋弧自动焊  奥氏体不锈钢的埋弧自动焊一般用于焊接中厚度（厚度为6～50 mm）不锈钢板，采用埋弧自动焊不仅可以提高生产率，而且也能显著提高焊缝质量。

在焊接奥氏体不锈钢时，为了避免产生裂纹，必须选择适当的焊丝成分和焊接工艺参数，使焊缝中有5%左右的铁素体。奥氏体不锈钢常用焊接方法焊接材料的选用见表9—12。

（4）气焊  由于气焊方便、灵活，不易烧穿，可焊各种空间位置的焊缝，因此可以用于焊接没有耐腐蚀要求的不锈钢薄板结构、薄壁管等。

为防止过热，焊接不锈钢所用的焊嘴直径一般比焊接同样厚度的低碳钢所用的焊嘴小;气焊火焰用中性焰;焊丝根据焊件成分和性能选择;气焊熔剂为气剂101。焊接时用左向焊法，焊炬焊嘴与焊件成40°~50°，焰心中心距熔池不小于2 mm;焊丝端头与熔池接触。并与火焰一起沿接缝移动;焊炬在横向上不摆动，焊速要快，并尽量避免中断。

3.焊接实例

用奥氏体不锈钢板制作三氯氢硅成品储槽。钢板厚度为5mm，筒体直径为φ1 200 mm，储槽总长3590 mm。筒体纵、环焊缝均采用焊条电弧焊，焊条型号为E308—16。直径φ3.2 mm，焊接电流为90～110 A。焊前开钝边V形坡口，钝边高度为2mm，坡口向外。焊接时，正面先焊1条焊道，然后焊背面。背面（与腐蚀介质接触的一面）焊接时不需刨焊根。焊1道即成，以利于焊缝的耐腐蚀性。筒体纵、环焊缝焊接后，在设备上开孔，因板较薄，可用碳弧气刨。开孔时，要从设备里面往外吹。支座加强板和人孔加强板为Q235 钢板，与不锈钢筒体焊接时采用E309—16 焊条。焊接工作结束后，进行X 射线检验，并进行充水试验。

三、奥氏体不锈钢的焊接技能训练

奥氏体不锈钢焊接的焊件图如图9—13 所示。焊材质为06Cr18Ni11Ti。钢管壁厚为3 mm，属于薄壁管。

1.焊接工艺分析

奥氏体不锈钢管采用钨极氩弧焊接。

（1）焊接过程中要严格控制熔池温度，防止焊接接头出现过热现象，而影响焊件的耐腐性能。

（2）不锈钢管的液态金属比较黏稠、流动性差，可能会出现底层仰焊部位未焊透的缺陷。焊接时，要调整好焊枪角度，要等待形成熔孔后再填焊丝。

（3）要避免整体焊缝仰位超高、平位偏低等缺陷。焊接时，在仰位应该填丝少些，平位填丝应多些;立位时焊枪摆动速度应快些，平位时应慢些。

2.焊接工艺参数

奥氏体不锈钢管焊接工艺参数见表 9—13。

3. 奥氏体不锈钢钢管焊接操作

奥氏体不锈钢钢管焊接操作见表9—14。

操作提示

（1）焊前，应使用不锈钢丝刷或铜丝刷清理不锈钢。

（2）敲击焊缝时应使用铜锤，禁止使用铁锤。

（3）禁止在焊件表面引弧、熄弧或随意焊接临时支架、吊环等。