奥氏体不锈钢容器的焊接探讨

2015-03-14王薇

机电信息 2015年12期

王薇

（常州瑞凯化工装备有限公司，江苏常州213000）

1 奥氏体不锈钢及其焊接特点

奥氏体不锈钢，就是指在常温的前提下具有奥氏体组织的不锈钢，而奥氏体组织就是由奥氏体单晶体结晶形成的团状组织，其镶嵌在钢材质中，能改善钢材的性能。在淬火处理中，铁的晶体结构转变是其性质变化的内在因素，当其元素含量为18%的Cr元素、8%～10%的Ni元素、0.1%的C元素时，就会形成稳定的奥氏体组织。以下列举了几项奥氏体不锈钢的焊接特点：

1.1 焊接热裂纹

焊接热裂纹（Welding Hot Breaking）多产生于接近固相线的高温下，多沿晶界分布，有时也能在低于固相线的温度下沿“多边化边界”形成。焊接热裂纹通常产生于焊缝金属内，也可能产生于焊接熔合线邻近的热影响区组织内（母材金属）。根据裂纹产生机理、形态和温度区间的差别，焊接热裂纹可分为凝固裂纹、液化裂纹、多边化裂纹、失塑裂纹4种。

产生焊接热裂纹的原因：奥氏体不锈钢热传导率小、线膨胀系数大，导致其焊接过程中高温停留在焊接接头部位的时间较长，这就容易使焊缝在此条件下形成一个粗大的柱状晶组织，在该柱状晶组织形成的过程中，一些杂质元素（硫、磷、锡、锑、铌等）就会在此处聚集，从而在晶间形成低熔点共晶。焊接接头在受到拉应力作用时焊缝中就容易形成凝固裂纹，在高温区会形成液化裂纹，以上这些都属于焊接热裂纹。

防止措施：（1）使用碱性的优质焊条对焊缝金属中S、P、C等的含量进行有效限制；（2）焊缝金属呈双相组织，对铁素体的含量进行有效限制。

1.2 晶间腐蚀

晶间腐蚀（Intergranular Corrosion），是局部腐蚀的一种，会沿金属晶粒间的分界面向内部扩展性腐蚀。不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于10%～12%。当温度升高时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。研究表明，铬在晶粒内扩散的速度小于沿晶界扩散的速度，内部的铬来不及向晶界扩散，所以在晶间形成的碳化铬所需铬元素主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少，当晶界的铬质量分数低到小于12%时，就会形成所谓的“贫铬区”，在腐蚀介质作用下，贫铬区会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀。

产生晶间腐蚀的原因：根据“贫铬区”的理论，焊接时容易从晶间析出碳化铬C2Cr3，从而形成晶界贫铬。

防止措施：（1）使用低碳甚至超低碳的焊材，如A002，或者使用含有钛、铌等元素的焊条，如A137；（2）将一定量的铁素体的形成元素熔入焊缝中，使焊缝金属成为由奥氏体和铁素体组成的双相组织，其中铁素体一般规定控制在4%～12%的范围内；（3）缩短焊接的熔池过热时间，快速进行焊接，使用较小的焊接电流，使冷却速度加快。

1.3 应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking）通常都表现为脆性破坏，虽然其破坏过程时间短，但危害却很严重。

产生应力腐蚀开裂的原因：焊接残余应力、焊接接头的组织发生变化、出现应力集中的情况以及局部性腐蚀介质浓缩。

防止措施：（1）正确使用材料，根据介质的特性来选择在这方面敏感性比较低的材料，一般有高纯铬—镍奥氏体不锈钢、高硅铬—镍奥氏体不锈钢等；（2）消除焊接的残余应力，通常都会对焊件采用热处理的方式，或使用机械方法来降低表面残余应力；（3）对材料进行电镀、喷镀、物理等方法的防腐蚀处理，即在焊件表面覆盖一层金属层，使金属与腐蚀介质隔离开；（4）对部件以及接头设计进行改进，设计不合理会形成较大的应力集中或较大的残余应力，改进设计可使这些现象减少。

2 奥氏体不锈钢容器的焊材选择

在选择奥氏体不锈钢容器的焊材时要遵循两点原则：第一，一定要以不锈钢的母材和所处的工作环境为基础来选择焊条，包括工作时会接触到的物体以及工作时的温度；第二，所选焊条的性能不会阻碍不锈钢容器的用途。以下是对这两点的具体分析：（1）母体不锈钢的材质通常情况下都可以作为选择焊条的参考物，原则就是尽量选择一样或接近母体材质的焊条，比如0Cr19Ni9一般选用A102焊条。（2）不锈钢很容易受到碳的腐蚀，所以一定要选择低于母体含碳量的不锈钢焊条。（3）力学性能好坏与否是衡量焊条的一个重要条件，通常都会采用焊接工艺方法来鉴定焊条的力学性能。（4）针对处于高温工作环境中的奥氏体不锈钢，其本身有着很好的耐热性，因此也要选择耐高温和抗热裂的焊条，以避免高温损坏。（5）相反地，选择与低温环境中工作的不锈钢相匹配的焊条时，要选择具备一定韧性的纯奥氏体焊条，以防焊接接头受到低温冲击。（6）除了碳之外还有其他因素会对不锈钢造成腐蚀，因此针对腐蚀介质不同的耐腐蚀不锈钢要选择不同的耐腐蚀焊条，选择依据就是腐蚀介质和工作温度。其中，含碳量比较低的焊条、含有稳定元素（Ti、Nb等）的焊条一般适用于超过300℃的工作环境及腐蚀介质具有很强腐蚀性的场合；而如果焊条中含有Mo、Cu元素或只含Mo元素的话，就适合与腐蚀介质为稀硫酸或盐酸的不锈钢相匹配；相反，如果腐蚀介质腐蚀性弱、工作温度低，则应该选用Cr、Mo、Ni等耐蚀合金元素含量超过母体不锈钢的焊条，而不宜再选用含有Ti或Nb的焊条，以保障焊缝金属的耐应力及腐蚀能力。

3 奥氏体不锈钢容器焊接时的注意事项

奥氏体不锈钢容器的焊接方法总的来说还是很多的，因其有着优良的焊接性，所以基本上可以使用所有的熔化焊接方法进行焊接，而焊接工艺要求受不锈钢热物理性能和组织特点影响最大。奥氏体不锈钢容器焊接时的注意事项：（1）焊接时奥氏体不锈钢容器易因导热系数小而导致热膨胀系数大，从而出现焊接应力及变形幅度增大的现象，再加上电弧焊时焊条会因为奥氏体不锈钢电阻率大而出现发红的迹象，所以要尽量集中焊接的能量，同时减小焊接电流。（2）总的来说，焊接要尽量避免采用大线能量。如果不锈钢焊条的直径相对较小，则宜选择电弧焊的焊接方式；如果不锈钢对焊缝要求高、需要快速冷却的话，需要选用对其浇冷水的方法；而对于热裂纹敏感性大的纯奥氏体或超奥氏体不锈钢来说，则要严格掌握其焊接线的能量，并注意焊接的清洁度，通过提高焊接清洁度可以使焊缝的抗热裂性和耐蚀性有所增加；最后值得注意的是，奥氏体不锈钢焊接的层间温度，应控制在150℃以下，以使焊接接头的塑性、韧性及耐腐蚀性都得到保障。