對于不銹鋼來說,一定要了解其焊接性能,因為大部分不銹鋼的零部件都需要焊接。不同類型的不銹鋼,其焊接性能是不同的。即使其焊接性能較差,也要通過采取一定的工藝、技術措施來提高,進而達到并滿足使用的要求,這是不銹鋼焊(han)接工作者的責任。表1-1中列出了對各種類型不銹鋼可焊性的評價,供參考。
1. 奧氏體型不(bu)銹鋼
以18%Cr-8%Ni鋼為代表,一般具有良好的焊接性能,原則上不需要進行焊前預熱和焊后熱處理。但其中鎳、鉬含量高的高合金不銹鋼進行焊接時易產生高溫裂紋。另外還易發生σ-相脆化,在鐵素體生成元素的作用下生成的鐵素體引起低溫脆化,以及耐蝕性下降和應力腐蝕裂紋等缺陷。奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼焊(han)接后,焊接接頭的力學性能一般良好,但當在熱影響區中的晶界上有鉻的碳化物時會極易生成貧鉻層,而貧鉻層的出現將在使用過程中易產生晶間腐蝕。為避免問題的發生,應采用低碳(C≤0.03%)的牌號或添加鈦、鈮的牌號。為防止焊接金屬的高溫裂紋,通常認為控制奧氏體中的δ-鐵素體肯定是有效的。一般提倡在室溫下含5%以上的δ-鐵素體。對于以耐蝕性為主要用途的鋼,應選用低碳和穩定的鋼種,并進行適當的焊后熱處理;而以結構強度為主要用途的鋼,不應進行焊接后熱處理,以防止變形和由于析出碳化物和發生σ-相脆化。
2. 鐵素體型不銹鋼
以18%Cr鋼為代表。在含碳量低的情況下有良好的焊接性能,焊接裂紋的敏感性也較低。但在由于被加熱至900℃以上的焊接熱影響區晶粒會顯著地變粗大,使得在室溫條件下延伸性和韌性有所降低,易發生低溫裂紋。也就是說,鐵素體型不銹鋼有475℃脆(cui)化、700~800℃長時間加熱下發生相脆性、夾雜物和晶粒粗化引起的脆化及低溫脆化、碳化物析出引起耐蝕性下降以及高合金鋼中易發生的延遲裂紋等問題。通常應在焊接時進行焊前預熱和焊后熱處理,并在具有良好韌性的溫度范圍進行焊接。
3. 馬氏(shi)體型不銹鋼
一般以13%Cr鋼為代表。它進行焊接時,由于熱影響區中被加熱到相變點以上的溫度區間會發生γ-α(M)相變,因此存在低溫脆性、低溫韌性惡化、伴隨硬化產生的延伸性下降等問題。因而對于一般馬氏體不銹(xiu)鋼焊接時需進行預熱,但碳、氮含量低和使用奧氏體系焊接材料時可不需預熱。焊接熱影響區的組織通常又硬又脆,對于這個問題,可通過進行焊后熱處理使其韌性和延展性得到恢復。另外碳、氮含量最低的牌號,在焊接狀態下也有一定的韌性。
4. 雙相不銹(xiu)鋼
雙(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)不(bu)銹鋼(gang)焊(han)接(jie)(jie)的(de)主要問題是“使(shi)用(yong)焊(han)接(jie)(jie)性(xing)(xing)”,因為雙(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)不(bu)銹鋼(gang)對焊(han)接(jie)(jie)熱裂(lie)紋、冷裂(lie)紋不(bu)敏感。但(dan)經過焊(han)接(jie)(jie)之后,熱影響區(HAZ)緊鄰熔合線的(de)部分,鐵素(su)體晶粒急(ji)劇長大(da)。奧氏體組織的(de)消失,形成單相(xiang)(xiang)鐵素(su)體組織,塑性(xing)(xing)和韌性(xing)(xing)極低;再加上早期的(de)雙(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)不(bu)銹鋼(gang)碳含量較高,因而在粗(cu)大(da)的(de)鐵素(su)體晶界(jie)容易析(xi)出碳化物,導致耐應(ying)力腐蝕(shi)(shi)、點腐蝕(shi)(shi)和晶間腐蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)能下降(jiang)。
超低碳(tan)雙(shuang)相(xiang)不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)出現,再加(jia)上氮作為奧(ao)氏體形(xing)(xing)(xing)成元素的(de)發現,促進(jin)雙(shuang)相(xiang)不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)、熱(re)影響區,在高溫下(xia)形(xing)(xing)(xing)成的(de)單相(xiang)鐵素體冷(leng)卻時(shi),發生逆(ni)轉變并(bing)能(neng)形(xing)(xing)(xing)成足夠的(de)奧(ao)氏體組(zu)織(zhi),從而既改善(shan)了(le)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)影響區的(de)塑性(xing)、韌(ren)性(xing),同(tong)時(shi)又保持(chi)了(le)雙(shuang)相(xiang)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)抗應力腐蝕(shi)、點腐蝕(shi)的(de)優良特性(xing)。盡管新(xin)型的(de)超低碳(tan)含(han)氮的(de)雙(shuang)相(xiang)不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)性(xing)得到(dao)了(le)實(shi)質性(xing)的(de)改善(shan),但是(shi)雙(shuang)相(xiang)不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)時(shi)的(de)狀態(tai)(供貨狀態(tai))、使用的(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)材料、焊(han)(han)(han)(han)接(jie)工藝(yi)及(ji)參數(shu)等仍然是(shi)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)耐腐蝕(shi)性(xing)能(neng)、力學性(xing)能(neng),即使用焊(han)(han)(han)(han)接(jie)性(xing)是(shi)關鍵。
雙相不(bu)銹鋼的(de)焊接裂紋敏感性較低(di)(di)。但在熱影(ying)響(xiang)區內鐵(tie)素體(ti)含(han)量的(de)增加會使晶間(jian)腐蝕敏感性提(ti)高,因(yin)此(ci)可造成耐(nai)蝕性降(jiang)低(di)(di)及低(di)(di)溫韌(ren)性惡化等問題。
5. 沉(chen)淀硬(ying)化不銹鋼
沉淀(dian)硬(ying)化(hua)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的焊(han)(han)接性(xing)良(liang)好(hao)(hao),與奧氏體(ti)(ti)300系列(lie)相(xiang)近(jin),焊(han)(han)前不(bu)必預熱(re),裂紋傾(qing)向性(xing)小(xiao)。這種鋼(gang)單層焊(han)(han)時(shi)(shi),焊(han)(han)縫(feng)金屬及熱(re)影響區,一(yi)般好(hao)(hao)像與通過焊(han)(han)后沉淀(dian)硬(ying)化(hua)處理(li)一(yi)樣;多層焊(han)(han)時(shi)(shi),則會出現組織不(bu)均(jun)勻,必須進行焊(han)(han)后的沉淀(dian)硬(ying)化(hua)處理(li)以達到組織的均(jun)勻。焊(han)(han)接馬氏體(ti)(ti)沉淀(dian)硬(ying)化(hua)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的焊(han)(han)接材料(liao),可以按強度選300系列(lie)奧氏體(ti)(ti)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)焊(han)(han)接材料(liao)。對于沉淀(dian)硬(ying)化(hua)型不(bu)銹(xiu)鋼(gang)存在有焊(han)(han)接熱(re)影響區發生(sheng)軟化(hua)等問題。
綜上所述,不銹(xiu)鋼(gang)的焊(han)接(jie)性能(neng)主要表(biao)現在以(yi)下幾個方(fang)面:
a. 高(gao)溫(wen)裂紋(wen)
此處的(de)高溫(wen)裂紋(wen)是指與焊接有關的(de)裂紋(wen)。高溫(wen)裂紋(wen)大致(zhi)可(ke)分為凝固裂紋(wen)、顯微(wei)裂紋(wen)、HAZ(熱影響區)裂紋(wen)和再(zai)加(jia)熱裂紋(wen)等。
b. 低溫裂紋(wen)
在馬(ma)(ma)氏體型(xing)不(bu)銹鋼(gang)和部(bu)分具有馬(ma)(ma)氏體組織(zhi)的(de)(de)鐵素體型(xing)不(bu)銹鋼(gang)中有時會(hui)發生(sheng)低溫裂(lie)紋(wen)。由于其產(chan)生(sheng)的(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)原因是氫(qing)擴散、焊接接頭的(de)(de)約束程度以(yi)及其中的(de)(de)硬化組織(zhi),所以(yi)解決方法主(zhu)(zhu)要(yao)是在焊接過程中減(jian)少氫(qing)的(de)(de)擴散,適宜地進(jin)行預熱和焊后熱處(chu)理以(yi)及減(jian)輕(qing)約束程度。
c. 焊接(jie)接(jie)頭的韌性
在奧氏體(ti)型不(bu)銹(xiu)鋼中,為(wei)減(jian)輕高(gao)溫裂紋敏感性,通常在成分設計上,使其(qi)中殘存有5%~10%的(de)鐵(tie)(tie)素(su)體(ti),但這些鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)的(de)存在會導(dao)致了低(di)溫韌性的(de)下降。在雙(shuang)相(xiang)不(bu)銹(xiu)鋼進行焊接(jie)時、焊接(jie)接(jie)頭區(qu)域的(de)奧氏體(ti)量減(jian)少而對韌性產(chan)生(sheng)影(ying)響,另外隨著其(qi)中鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)的(de)增加,其(qi)韌性值也有顯(xian)著下降的(de)趨勢(shi)。
已證實高純鐵素體(ti)型(xing)不銹鋼的焊接接頭的韌性顯著(zhu)下降的原因是由(you)于混入(ru)碳、氮(dan)、氧(yang)的緣(yuan)故(gu)。其中(zhong)一些(xie)(xie)鋼的焊接接頭中(zhong)的氧(yang)含(han)量增加后(hou)生成了氧(yang)化物型(xing)夾(jia)雜,這些(xie)(xie)夾(jia)雜物成為裂紋(wen)發生源或裂紋(wen)傳播的途徑(jing)使(shi)得(de)韌性下降。而有一些(xie)(xie)鋼則是由(you)于在保護氣體(ti)中(zhong)混人了空氣,其中(zhong)氮(dan)含(han)量的增加在基(ji)體(ti)解理面{100}上產生板條狀Cr2N,基(ji)體(ti)變硬而使(shi)得(de)韌性下降。
d. σ-相脆化
奧氏(shi)體型(xing)不銹(xiu)鋼(gang)、鐵(tie)素體不銹(xiu)鋼(gang)和雙相鋼(gang)易(yi)發生σ-相脆(cui)化。由于(yu)組織中析(xi)出了百分之幾的α'-相,使韌性顯著下降,α'-相一般是(shi)在600~900℃范(fan)圍內(nei)析(xi)出,尤(you)其在750℃左(zuo)右(you)最(zui)易(yi)析(xi)出。作(zuo)為(wei)防(fang)止α'-相產生的預防(fang)型(xing)措施,奧氏(shi)體型(xing)不銹(xiu)鋼(gang)中應盡(jin)量減(jian)少鐵(tie)素體的含量。
e. 475℃脆化(hua)
在475℃附近(370~540℃)長時間保溫時,使(shi)Fe-Cr合(he)金分解為低鉻濃(nong)度(du)(du)的α'-固(gu)溶(rong)體(ti)(ti)和高鉻濃(nong)度(du)(du)的α'-固(gu)溶(rong)體(ti)(ti)。當α'-固(gu)溶(rong)體(ti)(ti)中鉻濃(nong)度(du)(du)大于75%時,形(xing)(xing)變(bian)由(you)滑(hua)移變(bian)形(xing)(xing)轉變(bian)為李晶變(bian)形(xing)(xing),從而(er)發生475℃脆化。