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1、马氏体不锈钢及双相不锈钢的焊接,3.马氏体钢的焊接工艺特点,（1）焊接方法SMAW、TIG、MIG、PC-MIG（2）焊接材料的选择同质：焊缝成分与母材接近 Cr13系M钢，应限制S+P0.015%、Si0.3%异质：采用奥氏体焊材，使焊缝成为,马氏体不锈钢电弧焊方法其及适用性,焊接材料选用要点,1)Cr13型焊条和焊丝（同质）当焊缝强度要求较高时，采用Cr13型焊条和焊丝，可使焊缝金属的化学成分与母材相近，但焊缝的冷裂倾向大。要求焊前预热和焊后热处理，预热温度不能超过450，以防止475脆性；焊后热处理是冷至150200时，保温2h，使奥氏体各部分转变为马氏体，然后立即进行高温回火，加热到7
2、30790，保温时间每1mm板厚为10min，但不少于2h，最后空冷。为了防止裂纹，控制焊条和焊丝中S、P、Si含量，C含量应低于母材C含量，以降低淬透性。2)Cr-Ni奥氏体型焊条和焊丝（异质）奥氏体组织焊缝对氢的溶解度大，可减少氢从焊缝向HAZ扩散，防止冷裂纹，因此焊前不需预热。奥氏体焊缝金属具有良好的塑性，可以缓和HAZ马氏体转变时产生的应力。但焊缝的强度较低，也不能通过焊后热处理来提高。,表4-5 马氏体不锈钢常用的焊接材料,(3)焊接工艺要点,焊缝成分应与母材同成分（同质）。为了防止冷裂，也可采用奥氏体不锈钢作为填充金属（异质）。此时由于焊缝为奥氏体组织，焊缝强度不能与母材匹配。奥氏
3、体焊缝与母材相比，在物理、化学性能上有很大差异，在选用奥氏体焊材时，须考虑母材稀释的影响和凝固过渡层问题。正确选择工艺参数，保证焊透，如采用钨极氩弧焊进行打底焊，可以避免产生根部裂纹。注意填满弧坑，防止出现火口裂纹。控制层间温度，防止熔敷后续焊道前发生冷裂纹。避免强制装配和采用刚性过大的焊接接头设计。,对于低碳及超级马氏体不锈钢，焊接裂纹敏感性小，通常焊接条件下不需要预热或后热。在大拘束度或焊缝金属中的氢含量难以严格控制的条件下，为了防止焊接裂纹，应采取预热甚至后热措施，一般预热温度在100150。为了保证焊接接头的塑韧性，该类钢焊后需进行回火热处理，热处理温度一般在590620。对于耐蚀性有
4、特别要求的焊接接头，如用于油气输送的00Cr13Ni4Mo管道，为了保证焊接接头的抗应力腐蚀性能，需经过670+610的二次回火热处理，以保证焊接接头的硬度不超过22HRC。,(4)焊后热处理,焊前预热150，焊后720回火处理；采用A焊材，焊后不回火，但HAZ有淬硬层。M钢焊后不允许直接冷却到室温，必须进行焊后热处理以消除焊接应力，以去除接头中的扩散氢，防止延迟裂纹；同时对接头进行回火处理以减小硬度，改善组织和力学性能。焊后热处理有两种。焊后调质处理，焊后立即进行，不再进行高温回火。焊前已进行调质处理，因此焊后只进行高温回火，而且回火的温度应比调质的回火温度略低，使之不致于影响母材原有的组织
5、状态。,图4-22 正确的焊后热处理工艺,图4-23 不正确的焊后热处理工艺,回火温度须适应对接头力学性能和耐蚀性的要求。一般为650750C，至少保温1h，空冷。回火温度不应高于Ac1点，防止再次发生转变。,对高温使用的焊接结构采用较高的回火温度。高温回火时析出较多的碳化物，对耐蚀性不利。对于用于耐蚀的结构，进行低温消除应力退火。焊后不再进行调质处理的焊后回火处理，接头冷却到马氏体转变完成的温度Mf时，立即进行回火。对刚度小的构件，可冷却至室温后再回火。对于大厚度结构，特别是C含量高时，焊后冷至100150C，保温0.51.0h，然后加热到回火温度。回火温度避开475550C。回火处理需保温
6、足够的时间，可按每毫米厚度4分钟计算。保温后以35C/min的冷却速度冷至300C，然后空冷。,4.5 奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接,双相不锈钢是在固溶体中铁素体相和奥氏体相各约占一半，一般较少相的含量至少也需要达到30%的不锈钢。双相不锈钢钢综合了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，具有良好的韧性，强度及优良的耐氯化物应力腐蚀性能。主要应用于：海洋工程、石化,4.5.1 奥氏体-铁素体双相不锈钢的类型,（1）低合金型双相不锈钢00Cr23Ni4N钢是瑞典最先开发的一种低合金双相不锈钢，不含Mo，Cr和Ni含量较低。由于钢中Cr为23%，有很好的耐孔蚀、缝隙腐蚀和均匀腐蚀的性能，可代替18-8
7、等常用奥氏体不锈钢。,（2）中合金型双相不锈钢,如0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti。这两种钢是了为节Ni，分别代替0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti而设计的，但比后者具有更好的力学性能，尤其是强度更高（约为1Cr18Ni9Ti的2倍）。00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr18Ni5Mo3Si2Nb双相不锈钢是目前合金含量最低、焊接性良好的耐SCC钢种，在氯化物介质中的耐点蚀性良好，耐中性氯化物SCC性能优于18-8钢，具有较好的强-韧综合性能、冷加工工艺性及焊接性，适用作结构材料。00Cr22NI5Mo3N属于第二代双相不锈钢，钢中加入适量N不仅改善了钢的耐点蚀和耐SCC
8、性能，量提高还有利于两相组织的稳定，HAZ有一定数量的，提高了HAZ的耐蚀性和力学性能。这种钢焊接性良好，是目前应用最普遍的双相不锈钢。,（3）高合金双相不锈钢Cr高达25%，在双相不锈钢系列中出现最早。以后发展了两相比例更加适宜的超低碳含氮双相不锈钢，除Mo以外，还加入了Cu、W等进一步提高耐腐蚀性的元素。典型的钢种有：00Cr25Ni6Mo2N、00Cr25Ni7Mo3N、00Cr25Ni7Mo3WCuN、0Cr25Ni6Mo3CuN等。（4）超级双相不锈钢是指PREN（PRE是Pitting Resistance Equivalent的缩写，指抗点蚀当量；N指含氮钢。）大于40，Cr=2
9、5%和Mo含量高（Mo3.5%）、氮含量高（N=0.22%0.30%）的双相钢，主要有00Cr25Ni7Mo4N、00Cr25Ni7Mo3.5WcuN和00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN等。,双相不锈钢的耐蚀性与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有强度高，对晶间腐蚀不敏感和较好的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的能力，其中优良的耐应力腐蚀是开发这种钢的主要目的,（1）耐应力腐蚀性能 双相不锈钢的屈服强度比18-8钢高，即产生表面滑移所需的应力水平较高，在相同的腐蚀环境中，由于双相不锈钢表面膜因表面滑移而破坏的应力较大，即应力腐蚀裂纹难以形成。双相不锈钢一般含有较高Cr、Mo元素，加入这些元素可延长孔蚀的孕
10、育期，使不锈钢具有较好的耐点腐蚀性能，不会由于点腐蚀而发展成为应力腐蚀；而18-8钢中不含Mo或Mo很少，Cr含量也不高，所以耐点腐蚀能力较差，由点腐蚀扩展成孔蚀，成为应力腐蚀的起始点而导致应力腐蚀裂纹的延伸。双相不锈钢的两个相的腐蚀电极电位不同，裂纹在不同相中和在相界的扩展机制不同，其中有对裂纹扩展起阻止作用的阶段，此时应力腐蚀裂纹发展极慢。双相不锈钢中，第二相的存在对裂纹扩展起机械屏障作用，延长了裂纹的扩展期。两个相的晶格取向差异，使扩展中的裂纹频繁改变方向，从而大大延长了应力腐蚀裂纹的扩展期。,（2）耐晶间腐蚀性能双相不锈钢与奥氏体钢一样也会发生晶间腐蚀，与贫铬有关，只是发生晶间腐蚀的情
11、况不同。如00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈钢在650850敏化加热处理不会出现晶间腐蚀。当加热到12001400时，空冷时有轻微的晶间腐蚀倾向，这是由于加热到1200以上时，铁素体晶粒急剧长大，奥氏体数量随加热温度的升高而迅速减少。到1300以上温度时，只有单一的铁素体组织且为过热的粗大晶粒，水冷后，粗大的铁素体晶粒被保留下来，在-相界易析出铬的氮化物，如Cr2N等，在其周围形成贫铬层，导致晶间腐蚀。（3）耐点蚀性能双相不锈钢含有Cr、Mo、N等元素，明显地降低点蚀率，尤其N的作用更为明显。增大焊接热输入，可提高HAZ中的相数量，也有利于提高耐点蚀性能。,4.5.2 奥氏体-铁素体双相不
12、锈钢的焊接性分析,与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢焊后具有较低的热裂倾向；与铁素体不锈钢相比，焊后具有较低的脆化倾向，且HAZ粗化程度也较低，因而具有良好的焊接性。双相不锈钢中因有较大比例铁素体，而铁素体钢所固有的脆化倾向，如475脆性，相析出脆化和粗晶脆化依然存在，只是因奥氏体的平衡作用有一定缓解。选用合适的焊材不会发生焊接热裂纹和冷裂纹；双相不锈钢焊接的特点是：无论焊缝或HAZ都有相变发生。因此，关键是要使焊缝金属和HAZ保持有适量的铁素体和奥氏体的组织。,1双相不锈钢焊接的冶金特性,(1)焊缝金属的组织转变 所有双相不锈钢液相凝固后是铁素体组织，在更低的温度下部分铁素体转变成奥氏体，形成奥
13、氏体铁素体双相组织。同样成分的焊缝和母材，焊缝中相的要比母材少得多。例如，采用同质焊丝焊接Cr22Ni5Mo3N，焊缝中相只有30%左右，而母材原始相为50%。焊缝中Ni含量提高到7.0%8.5%，可保证焊缝中相达到40%60%。所以对于双相钢焊缝应当用奥氏体元素（Ni、N）进行“超合金化”，以保证焊缝中/有适当的相比例。焊后短时固溶处理可增多一些相，这是由于未能充分转变的可再进行转变。多层焊接热循环、焊后缓冷也会起到一些改善效果。,(2)焊接HAZ的组织转变特点,焊接加热过程，使得整个HAZ受到不同峰值温度的作用。最高温度接近钢的固相线（约1410）。但只有在加热温度超过原固溶处理温度，才会
14、发生组织变化。峰值低于固溶处理温度的加热区，无显著的组织变化，相虽有增多，但与两相比例变化不大。通常下也不会有析出相，如相。超过固溶处理温度，发生晶粒长大，相明显减少，但仍保持扎制条状组织。紧邻熔合区的加热区，全部溶入中，成为粗大的单相等轴组织。这种相在冷却时转变成相，但无扎制方向而呈羽毛状。焊接冷却造成不平衡相变，室温所得到的相数量在近缝区具有低值。,2双相不锈钢焊接接头的析出特点,双相不锈钢焊接时，有可能发生三种类型的析出，即铬的氮化物（如Cr2N、CrN）、二次奥氏体（2）及金属间相（如相等）。当焊缝过多或为纯铁素体组织时，容易有氮化物的析出，这与在高温时，N在铁素体中的溶解度高、快速冷
15、时溶解度下降有关。焊缝若是两相组织，氮化物析出量很少。因此，为了增加焊缝的，可在填充金属中提高Ni、N含量。采用大的热输入，可防止铁素体晶粒生长而引起的氮化物析出。当HAZ/比例失调，致使增多而减少，出现-相界时，在相界上有析出相，如Cr2N、CrN以及Cr23C6等，也可能出现相。,N含量高的超级双相不锈钢多层焊时会出现二次奥氏体析出。特别是前道焊缝采用低热输入而后续焊缝采用大热输入时，部分铁素体会转变成细小分散的二次奥氏体2，这种2也和氮化物一样会降低焊缝的耐腐蚀性。采用较高的热输入和较低的冷却速度有利于转变，减少焊缝金属的量，但热输入过高或冷速过慢又会带来金属间相的析出。通常双相不锈钢焊
16、缝金属不会有相析出，但焊材或热输入不合理时，有可能出现相。,4.5.4 A-F双相不锈钢的焊接工艺特点,（1）焊接方法氩弧焊、SMAW、药芯焊丝MAG、SAW用于厚板（2）焊接材料采用奥氏体化元素多的焊材采用奥氏体相占比例大的焊接材料，来提高焊接金属中奥氏体相的比例，对提高焊缝金属的塑性、韧性和耐蚀性均是有益的。对于含氮的双相不锈钢和超级双相不锈钢的焊接材料，采用比母材Ni含量高的焊材，以保证焊缝金属有足够的奥氏体量。通过调整焊缝化学成分，双相钢均能获得令人满意的焊接性。（3）焊接工艺措施 控制焊接热输入 采用多层多道焊 注意焊接顺序和工艺焊缝,本章小结,熟悉不锈钢和耐热钢的分类，如奥氏体钢、
17、铁素体钢、马氏体钢、A-F双相钢。了解奥氏体不锈钢焊接特点，焊接中易出现什么问题（如晶间腐蚀、热裂纹）、影响因素和防止措施。熟悉奥氏体不锈钢的焊接工艺要点。了解铁素体不锈钢焊接问题（HAZ脆化等）、防止措施及焊接工艺要点。了解马氏体不锈钢焊接问题（冷裂纹、HAZ硬化）、防止措施及焊接工艺要点。,思考题,1.18-8不锈钢焊接接头区在哪些部位可能产生晶间腐蚀，是由于什么原因造成的？如何防止？2.简述奥氏体不锈钢产生热裂纹的原因及防治措施？为什么奥氏体不锈钢焊缝中要求含有一定数量的铁素体组织？通过什么途径控制焊缝中的铁素体含量？3.铁素体不锈钢焊接中容易出现什么问题？焊条电弧焊和气体保护焊时如何选择焊接材料？在焊接工艺上有什么特点？4.马氏体不锈钢焊接中容易出现什么问题，在焊接材料的选用 和工艺上有什么特点？制定焊接工艺时应采取哪些措施？,
