奥氏体不锈钢焊接的抗热裂纹研究
2015-04-23陈伟平蔡俊汪昌红卢伟
陈伟平 蔡俊 汪昌红 卢伟
1. 概述
不锈钢药芯焊丝因其具有工艺性能优良、力学性能稳定等特点，国外近年来广泛应用于石化、压力容器、造船、钢结构和工程机械等行业。我国处于不锈钢应用的高速增长期，不锈钢焊材的用量也随之迅猛增长。国外不锈钢药芯焊丝的品种几乎覆盖了所有400、300系列不锈钢，甚至双相钢。国内采用不锈钢药芯焊丝来焊接是近二三十年来的事，在研发不锈钢药芯焊丝的过程中也面临着诸多问题。其中一个不可避免的问题就是奥氏体不锈钢焊接过程中的热裂纹。焊接热裂纹不仅给生产带来许多困难，还可能带来一些事故，危害甚大。热裂纹是在焊接时高温产生的，故称热裂纹(hot cracking)。热裂纹是由冶金因素和力学因素相互作用形成的，本文主要讨论奥氏体不锈钢焊接过程中热裂纹形成的冶金因素。
2. 两种主要的热裂纹
（1）热裂纹类型及形成机理 奥氏体不锈钢焊接过程中的热裂纹主要有两种：结晶裂纹和高温液化裂纹。结晶裂纹的形成机理是在凝固结晶的后期，低熔点相在一次结晶晶粒边界形成低熔点液态薄膜，冷却收缩时受拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜成了薄弱地带，在拉伸应力的作用下开裂形成微裂纹，微裂纹在继续冷却过程中扩展至焊缝表面形成宏观裂纹。
液化裂纹与结晶裂纹有许多共同之处，但又有各自的规律。液化裂纹的形成机理是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔点相被重新熔化，在拉伸应力的作用下产生裂纹。
由此可知，这两种裂纹产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果，二者缺一不可；在冶金因素方面，两种裂纹的产生都离不开低熔点相。表1列出了结晶裂纹和液化裂纹特点。力学因素方面，是由于焊接时脆性温度区内金属的塑性小于脆性温度区内金属能承受的拉伸应变。对于结晶裂纹而言，如果焊缝承受的拉伸应力为σ，金属的晶间强度为σ0，当σ>σ0时就产生了结晶裂纹；对于液化裂纹而言，在热影响区或多层焊的层间，由于产生低熔点共晶，该区域的塑性和强度急剧下降，焊缝冷却时在收缩应力的作用下处于薄弱状态的晶间承受的应变大于此时处于脆性温度区焊缝的塑性时即产生液化裂纹。
（2）熔池结晶过程对裂纹的影响 熔池的结晶可分为三个阶段：液固阶段、固液阶段和完全凝固阶段。液固阶段为熔池开始凝固的阶段，熔池内晶核少，相邻的晶粒之间不接触，液态金属可在晶粒之间自由流动。虽有拉伸应力存在，但被拉开的焊缝被液态金属及时填满，因此液固阶段不会产生热裂纹。
当熔池结晶到固液阶段时，固相不断增加且不断长大，已凝固的固相彼此接触并不断倾轧到一起，使液相流动变得困难。此时的液态金属主要是低熔点共晶，无法填满在拉伸应力的作用下产生的微小缝隙，容易产生裂纹。这个阶段称为“脆性温度区间”。
完全凝固之后形成的焊缝具有良好的强度和塑性，很难发生裂纹。不论是结晶裂纹还是液化裂纹，均在脆性温度区间产生。
3. 提高抗热裂纹敏感性的途径
本文只讨论提高奥氏体焊接过程中抗热裂性的冶金因素。从冶金因素方面考虑，提高奥氏体焊接过程中的抗热裂性可通过下列方法。
（1）增加一次δ铁素体含量 一次结晶为奥氏体的焊缝金属比一次结晶为铁素体的焊缝金属对热裂纹更敏感。增加焊缝金属中的一次δ铁素体的含量是提高抗热裂性的重要途径，一次δ铁素体并非直接提高焊缝金属的抗热裂性，它从几个方面间接提高抗热裂性。
第一，铁素体较奥氏体能溶解更多的热裂纹促进元素。增加热裂纹敏感性的元素主要是S、P、B、Ti和Nb。表2为主要热裂纹促进元素在奥氏体和铁素体中的溶解度。
第二，很多元素在铁素体中较在奥氏体中出现偏析的程度要小，特别是存在热裂纹促进元素时，奥氏体偏析的倾向更明显，由此使得低熔点相析出，引发热裂纹。故增加铁素体含量能减少低熔点相析出，从而降低热裂纹敏感性。
第三，铁素体的存在能阻碍热影响区再结晶时晶粒长大，可以破坏液态薄膜的连续性，打乱奥氏体粗大柱状晶的方向性，裂纹的产生更为困难，且增加了裂纹扩展的壁垒，提高了焊缝金属的抗热裂纹性。
表1 产生热裂纹的冶金因素
表2 主要热裂纹促进元素在奥氏体和铁素体中的溶解度
（2）合金元素及杂质的影响 上述热裂纹敏感元素中的合金元素Ti能与N生成低熔点相；Nb能与Ni形成富Nb的低熔点相。增加热裂纹敏感性的合金元素除了上述提到的元素之外， Ni元素也容易与S形成低熔点共晶，同时Ni还促进偏析，提高热裂纹倾向。金属Mn则能提高焊缝金属的抗热裂性，Mn具有脱硫的作用，能将FeS置换成MnS，同时能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分布从而晶界薄膜消失，故能提高焊缝的抗裂性。
杂质元素除S、P增加热裂纹敏感性外，B是对抗热裂性影响最坏的元素。B在高温奥氏体中的溶解度非常低，只有0.005%，而且B与Fe、Ni都能形成低熔点共晶，在奥氏体焊缝中要严格控制这些杂质元素的含量。
4. 结语
（1）本文讨论了奥氏体不锈钢焊接过程中热裂纹的种类及形成机理，热裂纹主要有结晶裂纹和液化裂纹。冶金因素方面二者都是由低熔点相引起，力学因素方面是由于焊接时脆性温度区间内金属的塑性小于脆性温度区内金属能承受的拉伸应变。
（2）从冶金因素方面提高奥氏体焊接过程中的抗热裂性，一方面可通过增加奥氏体焊缝中的铁素体含量，另一方面要降低焊缝中低熔点共晶的形成元素及杂质元素。
