郓城县电焊培训学校

郓城县电焊培训班文章内容：

　　

　　编者按：铁素体不锈钢的焊接不同于奥氏体不锈钢，难度也高于奥氏体不锈钢，因此也制约了铁素体的推广应用。本文是不锈钢分会专家李天宝教授专门就铁素体不锈钢的焊接方式、焊接注意事项等问题进行的专业解答。

　　铁素体不锈钢在室温下，一般具有纯铁素体组织，强度不算很高，塑性、韧性良好；若将其加热到高温，也有可能会出现少量的奥氏体组织(对含铬较低的钢)或者根本不出现奥氏体组织。所以，在焊接过程的热循环作用下，有可能出现少量或者不出现马氏体组织。因此，这类钢经焊接后不会出现强度显著下降或淬火硬化的问题，即使出现了少许马氏体组织也可以通过焊后热处理来解决。可以说，这类钢焊接接头的室温强度不是焊接的主要矛盾；再者，由于其焊接热膨胀问题远比奥氏体不锈钢轻微，因而其焊接热裂纹和冷裂纹的问题也不很突出。

　　

　　通常说，铁素体型不锈钢不如奥氏体不锈钢好焊，主要是指在焊接过程中，可能导致焊接接头的塑性、韧性降低，即发生脆化的问题。同其他品种不锈钢的焊接一样，如何保证铁素体型不锈钢焊接接头具有相同于母材的耐腐蚀性，焊接接头在高温下长期服役可能出现的脆化问题，都是必须重视的。

　　铁素体不锈钢的热膨胀系数与碳钢相近，比奥氏体不锈钢小，再加之S、P等杂质在铁素体中溶解度大，Si、Nb等是铁素体形成元素，因此，焊缝结晶时不易形成低熔点共晶，热裂倾向比奥氏体不锈钢小得多，同时焊接热影响区超过临界温度的区域形成马氏体的量也极少，因此淬硬性倾向也很小，所以，铁素体不锈钢比马氏体不锈钢的延迟裂纹敏感性小，可以说其工艺焊接性是好的。

　　铁素体不锈钢为Fe-Cr-C三元合金，由Cr以及诸如Al、Nb、Mo及Ti等添加元素来防止在焊接受热过程中形成奥氏体。因此，铁素体不锈钢在焊后冷却过程中不会出现奥氏体向马氏体转变的淬硬现象。但焊接热所形成的热影响区近缝带，由于高温而促成铁素体晶粒粗大，明显降低了接头的韧性，并且不可能直接用热处理的方法来改善。这就是铁素体不锈钢焊接中最为困难之处。

　　

　　现代铁素体不锈钢已发展到了第三代品种。第—代是完全依靠铬作为铁素体稳定元素，而含碳量又偏高，因此在焊接之后若不再进行热处理，必然会产生晶间腐蚀。而且这一代钢的韧性都偏低，其代表钢号为430、442及446。第二代品种以405与409为代表，它们的铬与碳含量下降了，而加了强烈的铁素体形成剂，如405是加入Al，409加人Ti。第二代铁素体不锈钢除了在韧性方面与第一代相差不大之外，在工艺性能、固碳(Ti及Nb与C反应形成TiC和NbC)以减少固溶体中碳含量、提高耐腐蚀性能等方面都有了一定的提高。第三代的铁素体不锈钢，则以改进冶炼方法来生产超低碳和超低氮含量的、可用大吨位炉子冶炼的、采用较少间隙固溶元素的钢种，以444(18Cr-2Mo)、26-1(26Cr-1Mo)、445J2(22Cr-2M。)和S4460(27Cr-4Mo-2Ni)为代表。当这些钢种再加入强烈碳化物形成剂，如Ti、Nb，则可在焊后不进行热处理，也不会有晶间腐蚀出现。此外，第三代钢的韧性大大提高，对点腐蚀、应力腐蚀也具有良好的抵抗能力。

　　铁素体不锈钢焊接接头的脆化，是这类钢使用受到限制的主要原因。铁素体不锈钢焊接接头的脆化，主要的问题是同质焊缝及热影响区在焊接过程中C、N化合物析出和晶粒长大的作用，特别是C、N化合物的析出，而且几乎不可能通过热处理加以消除。而高纯度铁素体不锈钢在很大程度上消除了焊缝及热影响区中的C、N化合物，极大地改善了焊接性，其焊接结构得到越来越广泛的使用。

　　晶间腐蚀是普通铁素体不锈钢的又一主要问题。由于C、N在铁素体不锈钢中的溶解度很低，在950℃以后迅速析出，因此，同质焊材和热影响区在焊后冷却过程中就会析出C、N化合物，除了引起脆化外还会引起晶界贫铬和提高晶间腐蚀敏感性，在强氧化介质中发生晶间腐蚀。与奥氏体不锈钢不同的是铁素体不锈钢的敏化温度较高，在950℃以上，因此，在热影响区产生晶间腐蚀的部位更靠近熔合线。铬在铁素体不锈钢的扩散速度远比在奥氏体不锈钢中快，所以只需700—900℃的范围内短时间保温，使铬向贫铬区扩散，即可消除C、N化合物析出引起的晶界贫铬，恢复焊接接头的耐腐蚀性能。

　　1. 铁素体不锈钢的连接方法

　　许多连接不锈钢的方法都能够很好地应用于铁素体不锈钢，主要包括：

　　(1)熔化焊 通过母材和填充金属熔化后重结晶使相互分离的两个或更多的材料达到完全的结合。

　　(2)软钎焊 使用熔点在450℃以下的填充金属，加热其到钎焊温度(低于母材金属的熔点)以获得连接。

　　(3)硬钎焊 与软钎焊相同，但焊接温度>450℃。

　　(4)机械连接 包括嵌合、卷边结合、铆接和机械紧固等。

　　(5)粘接 使用粘接剂并对干净和活性的表面施加压力来实现，粘接剂通过氧气、水或化学反应来实现连接作用。

　　诸多为碳钢而研发的焊接方法也可以使用在不锈钢焊接中，真正适合于不锈钢焊接并且已经成为标准的方法有电弧焊、电阻焊、电子束焊，激光焊和摩擦焊等。

　　虽然说各种电弧焊方法都可用做铁素体不锈钢的焊接，但焊接能量集中、焊接速度较快的焊接方法应是铁素体不锈钢焊接方法的首选。采用合适的焊接方法，来实现控制焊接线能量，达到抑制焊接区的铁素体晶粒过分长大的目的。

　　如此看来，焊接方法应选择高能量的等离子弧焊和真空电子束焊最为合适，并要防止空气的侵入。除采用小的热输入进行焊接外，焊缝背面可用惰性气体保护，并最好采用水冷铜垫板，以减少过热，增加冷却速度；多层焊时层间温度要控制在1000C左右。

　　2. 铁素体不锈钢的焊接材料

　　铁素体不锈钢焊接材料的选择，对铁素体不锈钢的焊接无疑是非常重要的。

　　其焊接材料既要保证焊接接头的塑性、韧性，即不发生脆化的问题，又要保证铁素体型不锈钢焊接接头具有相同于母材的耐腐蚀性。

　　在焊接铁素体不锈钢时，通常可以采用两种焊接材料。

　　与母材相同类型的焊接材料 如0Crl2、0Crl3、0Crl3A1等用0Crl3Nb焊丝，0Crl7、0Crl7Ti使用10Crl7(Ti)焊丝。在要求焊缝金属与母材有相同的导电、导磁及力学性能和表面色泽时应使用同材质的焊接材料。

　　采用奥氏体焊接材料或镍基合金 采用奥氏体焊接材料或镍基合金，实质上是异种钢焊接，可以提高焊接接头的韧性，免除焊前预热和焊后热处理。由于铁素体焊接材料的熔敷金属韧性太低，加上添加的Al与Ti等铁素体形成元素难以有效地过渡到熔池中去，因此铁素体焊接材料的应用受到一定的限制。尽管在一些例子中采用同种金属做焊丝是成功的，但最好还是采用低碳的奥氏体不锈钢作为铁素体不锈钢焊缝的填充金属。铁素体不锈钢焊接材料的选择见表1。

　　表1 铁素体不锈钢焊接材料

　　

　　高匹配的填充金属为了保证焊缝也具有耐蚀性，使用的任何铁素体填充金属的Cr、Mo、Ti和(或)Nb合金元素的含量要稍高于其母材中的含量。这是由于在焊接区会由于热的作用而使铬烧损。另外，也可以使用奥氏体填充金属，Cr和Mo的含量要高于母材。

　　保护气体由于含Cr高，不锈钢在熔化状态下被强烈氧化。如果在焊接过程中没有使其与空气隔离，铬就会烧损并形成氧化物，结果会丧失致密性，降低焊接接头的耐蚀性。对焊缝表面和附近区域的保护通常是通过提供惰性气体的保护来实现的。这种保护气体可以是纯氩(Ar)或氦气(He)或者是二者的混合气体。

　　在焊接铁素体不锈钢时，保护气体应是纯氩或者是氩和氦的混合气体。氩氢混合气体通常用于奥氏体不锈钢中，但这可能会引起焊接接头的氢脆。在焊接铁素体不锈钢时，氩是最常见的背保气体(用来保护工件的背面)。在焊接铁素体不锈钢时是绝对禁止使用氮气的。

　　3.铁素体不锈钢的焊接工艺

　　为了克服普通高铬铁素体不锈钢在焊接过程中出现的晶间腐蚀和焊接接头脆化而引起的冷裂纹，在焊接工艺上应采取以下措施：

　　焊前预热预热温度为100—200℃，目的在于使被焊材料处于韧性较好的状态和降低焊接接头的应力。随着钢种铬含量提高，预热温度也相应提高。

　　焊后热处理焊后对焊接接头区域要进行750—800℃退火处理，使过饱和

　　碳和氮完全析出，铬充分地补充到贫铬区，以恢复其耐蚀性，同时也可改善焊接接头的塑性。值得注意的是，退火后应快冷，以防止475℃脆性产生。

　　采用小的热输入在焊接过程中，应采用小的热输入进行施焊，以减少高温

　　脆化和475℃脆性的影响。当选用的焊接材料与母材金属的化学成分相当时，必须按上述工艺措施进行。如选用奥氏体不锈钢焊接材料，则可免除焊前预热和焊后热处理；但对于不含稳定化元素的铁素体不锈钢焊接接头来说，热影响区的粗晶脆化和晶间腐蚀问题不会因填充材料的改变而变化。奥氏体或奥氏体—铁素体焊缝金属基本上与铁素体不锈钢母材等强度；但在某些腐蚀介质中，这种异质焊接接头的耐蚀性可能低于同质的接头。

　　极低碳的高铬铁素体不锈钢板厚度小于5mm时焊前可不预热，焊后也不必进行热处理，可使焊接接头仍保持足够的韧性，耐腐蚀性也好。其焊接工艺的重点是使焊缝金属中碳加氮的含量不高于母材金属中的含量，要求焊接材料必须满足这一要求。其焊接方法应选择高能量的等离子弧焊和真空电子束焊。要求焊接材料不得污染；焊接熔池、焊缝背面都要有效保护，防止空气的侵入。除采用小的热输入进行焊接外，焊缝背面可用惰性气体保护，并最好采用通冷却水的铜垫板，以减少过热，增加冷却速度。多层焊时层间温度要控制在100℃左右。

　　4.铁素体不锈钢焊接问题的发现和解决

　　铁素体不锈钢在焊接时，还会在高温下由“形成相”和“晶粒粗化”而产生脆化。这些问题的解决方法见表2。

　　表2 焊接铁素体不锈钢的补救方法

　　

　　5. 铁素体不锈钢的焊接技巧

　　(1)采用窄焊道焊接，如小的焊接线能量、较快的焊接速度等；

　　(2)使焊丝的受热末端始终处在保护气体中；

　　(3)采用先进的焊接技术，如等离子电弧焊、熔化极电弧焊等；

　　(4)熄弧后应继续通保护气体，直至冷却充分；

　　(5)用纯净度高的氩气保护焊接熔池；

　　(6)焊缝背面应采用惰性气体保护；

　　(7)对于多层焊接，应用不锈钢刷清除层间氧化物。

　　本文载自李天宝《现代铁素体不锈钢的性能及应用》一书。

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