不锈钢的焊接性

出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《焊工简明实用手册》第457页（5035字）

1．铁素体不锈钢及焊接性

铁素体型不锈钢为单相组织，不能通过热处理方法进行强化；高铬(W(Cr)=17%～30%)铁素体不锈钢存在“475℃脆性”，即在400～550℃内停留较长时间后，钢在室温时变得很脆，其冲击韧性和塑性接近于零。高铬铁素体在600～800℃范围内长时间加热会析出δ相，δ相具有高的硬度(HRC＞68)和脆性，并可能引起晶间腐蚀。

低铬铁素体不锈钢(W(Cr)=10%～12%)对大气、水蒸气、水和其他弱腐蚀介质有耐蚀性、耐应力腐蚀性好，但塑性较差。高铬铁素体不锈钢因C、N含量很低，故其塑性和韧性显着提高，并能防止晶间腐蚀，主要用作300℃以下的耐蚀和抗氧化钢，在氧化性酸中及大部分有机酸和有机酸盐的水溶液中有良好的耐蚀性。

铁素体不锈钢焊接时的主要问题是：冷裂倾向和焊接接头脆化。

(1)冷裂倾向

铁素体不锈钢焊接时在900℃以上晶粒变粗大，而且无法用热处理方法细化，使塑性韧性降低，当结构刚性较大时，易形成冷裂纹。

(2)焊接接头脆化

铁素体不锈钢焊接时在900℃以上晶粒变粗大：在600～800℃长时间停留，会析出σ脆性相，以及475℃脆性，使接头脆化。

为防止塑性、韧性降低，焊接时宜采用小规范参数焊接，以缩短接头高温停留时间；焊接宜选用快速焊接和冷却措施，提高500～400℃时冷却速度；焊后经600～700℃短时加热+空冷，以消除475℃脆化；在WCr＞16%时，采用70～100℃预热，可防止裂纹产生；加热到930～980℃急冷消除σ相脆化。

2．奥氏体不锈钢及焊接性

奥氏体型不锈钢是在18%铬铁素体型不锈钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素而获得的钢种系列。其类型有：

(1)18－8型不锈钢该不锈钢具有耐大气蚀及各种酸腐蚀的作用，通常在低于700～750℃下使用，如1Cr18Ni9，0Cr18Ni9等。

(2)18－12型不锈钢这类钢中加入W_Mo=2%～3%，则在有机酸和无机酸中可提高耐蚀性(尤其在还原酸中)。并细化晶粒，提高抗热裂能力和综合力学性能和耐热性能，如0Cr18Ni12Mo2Ti等。

(3)25－20型不锈钢这类钢含铬、镍量高，具有良好的高温抗氧化性、组织稳定性和耐热性。可在高达1050℃腐蚀条件下工作。由于镍含量高，热裂倾向大，δ相析出的脆性倾向也大。

(4)铬锰低镍型不锈钢该类不锈钢中以锰或锰和氮代替部分镍，如1Cr18Mn8Ni5N钢。它具有良好的塑性、韧性和工艺成型性，强度较高，焊接性良好，但耐蚀性和抗氧化性略低，冷作硬化倾向较大。

奥氏体不锈钢的焊接性介于铁素体不锈钢和马氏体不锈钢之间。

焊接时的主要问题是：焊接热裂纹、晶间腐蚀以及焊接残余应力和变形较大。

(5)焊接热裂纹

单相奥氏体焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，加之有害元素硫、磷、铅、锑、铝、硅等的存在，易形成低熔点共晶，而奥氏体的线膨胀系数比碳钢大50%左右，所以焊接应力和变形大，极易产生热裂纹，为防止热裂纹的产生，可采取以下措施：

①严格限制焊缝中的硫、磷等有害元素的含量。

②对镍(WNi≤15%)的18－8型不锈钢应使焊缝呈γ+δ双相组织(δ铁素体含量控制在3%～8%)；高镍(W(Ni)＞15%)的奥氏体不锈钢可适量加入W_Mn=4%～6%、W_Mo=2%～2．5%、W_N=0．1%～0．18%和W_v=0．4%～0．8%，均可提高焊缝的抗裂性。此外，加入铈、锆、钽(≤0．01)等微量元素，也能提高焊缝的抗裂性。

③采用降低焊接应力和变形的措施。

④焊接工艺上应提高焊接熔池的冷却速度，如短弧焊、小线能量、不预热、低的层间温度和小电流窄道焊等。

(6)晶间腐蚀

18－8型奥氏体不锈钢的焊接时，处于敏化温度区域(600～1000℃)会沿晶界析出Cr₂₃C₆，引起晶界附近的奥氏体贫铬，导致耐蚀性下降，而出现晶间腐蚀。

为防止奥氏体不锈钢焊接后出现晶间腐蚀，可采取下列措施：

①用超低碳的焊接材料施焊。

②选择含有Ti或Nb等稳定奥氏体元素的焊接材料。

③使焊缝呈A+δ双相组织。

④小线能量短弧焊、小电流窄焊道等快速冷却工艺。

⑤条件允许时，焊接过程中可对焊缝采取强制冷却措施。

⑥与腐蚀介质接触的焊缝应最后焊接。

⑦对耐蚀要求高的焊件，焊后进行固溶处理。

3．马氏体不锈钢及焊接性

马氏体型不锈钢含W_cr一般在12%～18%，这类钢以Cr13为代表，常温下为马氏体组织，高温下为奥氏体，故可用热处理方法强化。一般是在淬火加回火状态下使用。

马氏体型不锈钢价廉，1Cr13和2Cr13主要制作要求塑性高于受冲击载荷的零件，如汽轮机叶片、水压机阀和在较高温度下工作的螺钉、螺帽等，以及常温下耐腐蚀介质(盐水溶液、硝酸及某些浓度不高的有机酸等)的设备。3Cr13和4Cr13可用于要求高硬度又耐蚀的医疗器械的工具用钢、滚珠轴承部件、柱塞等，以及工作温度不超过400～450℃的弹簧。

马氏体不锈钢焊接主要是冷裂纹问题。马氏体不锈钢焊后焊接接头具有强烈的淬硬倾向，随母材含碳量的增高，淬硬倾向相应增大。当焊接接头刚性大，含氢量高时，极易产生冷裂纹。

防止淬硬所产生的冷裂纹，可采取下列措施：

①焊前预热200～400℃以及保证层间温度。

②焊后需缓慢冷却。

③采用大电流焊接。

④注意清理焊接处，正确选择焊接材料，以降低含氢量。

⑤焊后进行高温回火(730～790℃)处理，消除焊接应力。

4．铁素体－奥氏体不锈钢及焊接性

在18－8型奥氏体不锈钢的基础上，添加更多的铬、钼、硅等或降低钢中的含碳量而获得的铁素体的体积分数为60%～40%，而奥氏体的体积分数为40%～60%的双相钢。此类钢不能淬硬，有磁性，屈服强度约为奥氏体型不锈钢的两倍，焊接性良好，韧性较高，应力腐蚀、晶间腐蚀及热裂倾向较奥氏体型不锈钢小。但在550～900℃会有δ相脆化倾向。该钢种用于各种工业用热交换器，以及石化设备中的耐腐蚀件。

目前常见的铁素体－奥氏体不锈钢主要有Cr18型、Cr21型和Cr25型三类。

(1)Cr18型双相钢的焊接性

该类钢系低Cr和超低碳双相不锈钢，固溶处理后，钢中由60%的铁索体和40%的奥氏体组成，如00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr18Ni5Mo3Si2Nb。该类钢“475℃脆性”和δ相脆化倾向较小，高温加热时，晶粒易长大。

该类钢焊接时，焊前无需预热，焊后也无需热处理；采用小线能量；窄焊道多道焊等。

(2)Cr21型双相钢的焊接性

该类钢由50%～60%的奥氏体和50%～40%的铁素体组成。具有良好的低温冲击韧性及耐晶间腐蚀能力。

该类钢焊接时，不需预热和焊后热处理，为防止近缝区晶粒粗化，拟采用小线能量进行焊接。

(3)Cr25型双相钢的焊接性

根据成分的不同，该类钢分为三类：不含Mo的Cr25Ni5型、含Mo的Cr25NiSMo型和含Mo、N的Cr25Ni5MoN型。

不含Mo的Cr25Ni5双相钢具有良好的焊接性，不需预热和焊后热处理。含Mo的Cr25Ni5型双相钢，由于加入1%～3%Mo，使高温加热或焊接后，成为单相铁素体组织，出现“475℃脆性”和σ硬化相析出，使冲击韧性降低。

含Mo的Cr25Ni5双相钢与Cr25Ni5双相钢一样具有良好的焊接性。不需预热和焊后热处理，但必须用小线能量施焊。在腐蚀性较强的介质中工作时，焊后应采用固溶处理(1050～ 1080℃)。

5．沉淀硬化型不锈钢及焊接性

这类钢是经过时效强化处理的高强度不锈钢，除高强度外，这些钢还具有良好的抗蚀性能和抗氧化性能，同时还不损失钢的塑性和断裂韧性。

沉淀硬化型不锈钢按其组织形态可分为三类：马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和奥氏体沉淀硬化不锈钢。沉淀硬化型不锈钢强度高，耐蚀性优于铁素体型不锈钢，低于奥氏体型不锈钢。相关材料标准为GB／T 1220－1992。

沉淀硬化型不锈钢焊接性分别为：

①马氏体沉淀硬化不锈钢(0Crl7Ni4Cu4Nb)具有良好的焊接性。可采用一般奥氏体不锈钢焊接用焊接材料和工艺，焊接接头不会产生裂纹。

②半奥氏体沉淀硬化不锈钢(1Crl7Ni7Al)是在固溶或退火状态时组织为奥氏体加5%～20%铁素体。这类钢采用常用的熔化焊方法具有良好的焊接性，焊缝和热影响区不会产生裂纹，当操作不当时，可能产生火口裂纹。当采用最佳复合热处理时，可使焊接接头基本达到母材同等强度。

③奥氏体沉淀硬化不锈钢(0Cr15Ni7Mo2Al)中含有较高的铝、钛、磷，可形成明显提高钢强度的金属间化合物。熔化焊时在焊缝中易产生热裂纹。冈此，此类钢只适于采用闪光焊。