铁素体及马氏体不锈钢的焊接_铁素体不锈钢的焊接
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铁素体及马氏体不锈钢的焊接
1.铁素体不锈铜的类型（1）普通铁素体钢 包括: 1）低Cr（12%~14%）钢。
2）中Cr（16%~18%}钢。低、中Cr钢，只有碳含量低时才是铁素体组织。3）高Cr（25%~30%）钢。
（2）高纯度铁素体钢，钢中C+N的含量限制很严，可有以下三种: 1）C+N≤0.035%~0.045%。2）C+N≤0.03%。
3）C+N≤0.01%~0.015%。2.焊接性分析
铁素体型不锈钢一般都是在室温下具有纯铁素体组织，塑性、韧性良好。由于铁素体的线膨胀系数较奥氏体的小，其焊接热裂纹和冷裂纹的间题并不突出。通常说，铁素体型不锈钢不如奥氏体不锈钢的好焊，主要是指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。此外，铁素体不锈钢的耐蚀性及高温下长期服役可能出现的脆化也是焊接过程中不可忽视的问题。高纯铁素体钢比普通铁素体钢的焊接性要好得多。
（1）焊接接头的晶间腐蚀 含碳量0.05%~0.1%的普通铁素体铬钢发生腐蚀的条件和奥氏体铬一镍钢稍有不同。从900℃以上快速冷却，铁素体铬不锈钢对腐蚀很敏感，但经过650~800℃的回火后，又可恢复其耐蚀性。所以，焊接接头产生晶间腐蚀的位置是紧挨焊缝的高温区。
普通纯铁素体不锈钢焊接接头的晶间腐蚀机理与奥氏体型的相同，认为符合贫铬理论。铁素体型不锈钢一般在退火状态下焊接，其组织为固溶微量碳和氮的铁素体及少量均匀分布的碳和氮的化合物。当焊接温度高于950℃时，碳、氮的化合物逐步溶解到铁素体相之中，得到碳、氮过饱和固溶体。由于碳、氮在铁素体中的扩散速度比在奥氏体快得多，在焊后冷却过程巾，甚至在摔火冷却过程中，都来得及扩散到晶界区。加之晶界的碳、氮的浓度高于晶内，故在晶界上沉淀出碳化物和氮化物。由于铬的扩散速度慢，导致在晶界上出现贫铬区。在腐蚀介质的作用下即可出现晶间腐蚀。由于铬在铁素体中的扩散比在奥氏体中的快，故为了克服焊缝高温区的贫铬带，只需650~800℃短时间保温，即可使过饱和的碳和氮能完全析出，而铬又来得及补充到贫铬区，从而恢复到原来的耐蚀性。若在600℃较长时间保温或焊接接头自例X!℃以上缓慢冷却，使碳、氮化物充分析出，达到或接近钢材退火状态下固溶的碳和氮含量的平衡值时，仍能保持其耐蚀性。
超高纯度高铬铁素体不锈钢主要化学成分有Cr、Mo和C、N。其中C+N总含量不等，都存在一个晶间腐蚀的敏化临界温度区，即超过或低于此区域不会产生晶间腐蚀。同时还有一个临界敏化时间区，即在这个区时间之前的一段时间，即使在敏化临界温度也不会产生晶间腐蚀。因此，超高纯度高铬铁素体不锈钢必须满足既在敏化临界温度区，又在临界敏化时间区内才有可能产生晶间腐蚀。
无论普通纯度铁素体型不锈钢还是超高纯度铁素体型不锈钢焊接接头的晶间腐蚀倾向都与其合金元素的含量有关。随着钢中碳和氮的总含量降低，晶间腐蚀倾向减小。相可以降低氮在高铬铁素体不锈钢中的扩散速度.有助于临界敏化时间向后移动较长的时间，因此含有钥的高铬铁素体不锈钢具有较高的抗敏化性能。合金元素铁和妮为稳定化元素，能优先于铬和碳、氮形成化合物，避免贫铬区的形成。
（2）焊接接头的脆化 铁素体不锈钢的晶粒在900℃以上极易粗化；加热至475℃附近或自高温缓冷至475℃附近；在550~820℃温度区间停留均使接头的塑性、韧性降低而脆化。
1）高温脆性。铁素体不锈钢焊接接头加热至950~1000℃以上后急冷至室温，焊接热影响区的塑性和韧性显著降低，称为“高温脆性”。其脆化程度与合金元家碳和氮的含量有关。碳、氮含量越高，焊接热影响区脆化程度就越严重。焊接接头冷却速度越快，其韧性下降值越多；如果空冷或缓冷，则对塑性影响不大。这是由于快速冷却过程中，基体位错上析出细小分散的碳、氮化合物，阻碍位错运动，此时强度提高而塑性明显下降；缓冷时，位错上没有析出物，塑性不会降低。这种高温脆性+分有害，同时耐蚀性也显著降低。因此，减少C、N含量，对提高焊缝质量是有利的。出现高温脆性的焊接接头，若重新加热至750~850℃，则可以恢复其塑性。
2）σ相脆化。普通纯度铁素体不锈钢中Cr大于21%时，若在520~820℃之间长时间加热，即可析出σ相。σ相的形成与焊缝金属中的化学成分、组织、加热温度、保温时间以及预先冷变形等因家有关。钢中促进铁素体形成的元素如铝、硅、钼、铁和铌均能弧烈地增大产生σ相的倾向；锰能使高铬钢形成。相所需络的含量降低；而碳和氮能稳定奥氏体相并能与铬形成化合物，会使形成。相所需铬含t增加；镶能使形成访相所需温度提高。由于σ相的形成有赖于Cr、Fe等原子的扩散迁移，故形成速度较慢。对于长期工作于σ相形成温度区的铁素休型耐热钢的焊接高温构件而言，必须引起足够的重视。
3）475℃脆化。Cr大于15%的普通纯度铁素体不锈钢在400~500℃长期加热后，即可出现475脆性。随着铬含量的增加，脆化的倾向加重。焊接接头在焊接热循环的作用下，不可避免地要经过此温度区间，特别是当焊缝和热影响区在此温度停留时间较长时。均有产生475℃脆性的可能。475℃脆化可通过焊后热处理消除。
铁素体不锈钢的焊接工艺特点
普通纯度铁素体钢焊接接头韧性较低，主要是由于单相铁素体钢易于晶粒粗化，热影响区和焊缝容易形成脆性马氏体。还有可能出现X759C脆性。
1.焊接方法
普通纯度铁素体钢的焊接方法通常可采用焊条电弧焊、药芯焊丝电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氢弧焊和埋弧焊。无论采用何种焊接方法，都应以控制热输入为目的，以抑制焊接区的铁素体晶粒过分长大。工艺上可采取多层多道快速焊，强制冷却焊缝的方法，如通氢或冷却水等。
超高纯度铁素体钢的焊接方法有显弧焊、等离子弧焊和真空电子束焊。采用这些方法的目的主要是净化熔池表面，防止沾污。
2.焊接材料的选择
在焊接铁素体不锈钢及其与异种钢焊接时填充金属主要有三类:同质铁素体型、奥氏体型和镍基合金。
采用同质焊接材料时，焊缝与母材金属有相同的颜色和形貌，相同的线膨胀系数和大体相似的耐蚀性，但焊缝金属呈粗大的铁素体钢组织，韧性较差。为了改善性能，应尽量限制杂质含量，提高其纯度。同时进行合理的合金化。在不宜进行预热或焊后热处理的情况下，也可采用普通奥氏体钢焊接材料，此时有两个问题须注意: 1）焊后不可退火处理。因铁素体钢退火温度范围（787一843℃）正好处在奥氏体钢敏化温度区间，除非焊缝是超低碳或含Ni或Nb，否则容易产生晶间腐蚀及脆化。另外，焊后退火如是为了消除应力，也难达到目的，因为焊缝与母材具有不同的线膨胀系数。
2）奥氏体钢焊缝的颜色和性能都和母材不同，这种异质接头的耐蚀性可能低于同质的接头，必须根据用途来确定是否适用。采用异种材料焊接时。焊缝具有良好的塑性，但不能防止热影响区的晶粒长大和焊缝形成马氏体组织。
3.低温顶热及焊后热处理
铁素体不锈钢在室温的韧性本就很低，且易形成高温脆化，在一定条件下可能产生裂纹。通过预热，使焊接接头处于富有韧性的状态下焊接，能有效地防止裂纹的产生。但是，焊接热循环又会使焊接接头近缝区的晶粒急剧长大粗化，从而引起脆化。因此，预热温度的选择要慎重，一般控制在100~200℃，随着母材金属中铬含量的提高，预热温度可相应提高。但预热温度过高，又会使焊接接头过热而脆硬。
高Cr铁素体钢也有晶间腐蚀倾向。焊后在750~850℃进行退火处理，使过饱和的碳和氮完全析出，铬来得及补充到贫铬区，以恢复其耐蚀性；同时也可改善焊接接头的塑性。退火后应快冷，以防止475℃脆性产生。应注意，高Cr铁素体钢在550~820℃长期加热时会出现σ相，而在820℃以上加热可使。重新解。所以，焊后热处理制度的正确控制很重要，加热及冷却过程应尽可能快速冷却。
此外，铁素体不锈钢的晶粒在900℃以上极易粗化且难以消除，因为热处理工艺无法细化铁素体晶粒。因此，焊接时应尽量采取小的热输入和较快的冷却速度；多层焊时，还应严格控制层间温度。
高纯铁素体钢由于碳和氮含量很低，具有良好的焊接性，高温脆化不显著，焊前不需预热，焊后也不需热处理。焊接中主要问题是如何控制焊接材料中碳和氮的含量，以及避免焊接材料表面和熔池表面的沾污。
马氏体不锈钢焊接性分析
马氏体型不锈钢主要是Fe-Cr-C三元合金，这类钢中高温下存在的奥氏体在不太慢的冷却条件下会发生奥氏体到马氏体的转变。属于淬硬组织的钢种。与其他类型的不锈钢相比，马氏体型不锈钢具有较高的强度和硬度，但耐蚀性和焊接性要差一些。
1.马氏体不锈钢的类型
（1）Cr13系钢 通常所说的马氏体钢大多指这一类钢。这类钢经高温加热后空冷就可淬硬，一般均经调制处理。
（2）热强马氏体钢 是以Cr12为基进行多元复合合金化的马氏体钢。高温加热后空冷也可淬硬。因须用于高温，希望将使用温度提高到普通Cr13钢的极限温度600℃以上，添加Mo、W、V同时，往往还将碳提高一些。因此，热强马氏体钢的淬硬倾向会更大一些，一般均经过调制处理。
（3）超低碳复相马氏体钢 这是一种新型马氏体高强钢。其成分特点是，钢的含碳量降低到0.05%以下并添加Ni，此外也可能含有少量Mo、Ti或Si。经淬火及超微细复相组织回火处理，可获得高强度和高韧性。这种钢也可在淬火状态下使用，因为低碳马氏体组织并无硬脆性。Ni在4%以上的超低碳合金钢淬火后形成低碳马氏体M，经回火加热至As以上即可开始发生M—γ’，的所谓“逆转变”。As为逆转变开始温度。因为并非在Ac1以上发生转变形成的奥氏体γ，也不同于残余奥氏体，而将γ’称为逆转变奥氏体。γ’富C富Ni，因而很稳定，冷却至一196℃也不会再转变为马氏体，为韧性相。因而回火后获得的是超微细化的M+γ’复相组织。具有优异的强韧性组合，所以名之为“超低碳复相马氏体钢”。
这类钢的特性与析出硬化马氏体钢很相似，淬火形成的马氏体不会导致硬化。
应指出，无论析出硬化马氏体钢或析出硬化半奥氏体钢，都无淬硬倾向，不需预热，采用同质嫣接材料或奥氏体焊接材料，都能顺利地获得满意配焊接接头，但焊后均须经适当地热处理。
2.焊接性分析
超低碳复相马氏体钢无淬硬倾向，并具有较高的塑性和韧性。常见马氏体钢均有脆硬倾向，含碳量越高，脆硬倾向越大。因此，首先遇到的问题是含碳量较高的马氏体钢淬硬性导致的冷裂纹的问题和脆化问题。
（1）焊接接头的冷裂纹 马氏体型不锈钢铬的质量分数在12%以上，同时还匹配适量的碳和镍，以提高其淬硬性和淬透性，这种钢具有一定的耐均匀腐蚀性能。铬本身能增加钢的奥氏体橡定性，即奥氏体分解曲线右移，加人碳、镍后，经固溶再空冷也会发生马氏体转变。因此，马氏体型不锈钢焊缝和热影响区焊后状态的组织为硬脆的马氏体组织。马氏体型不锈钢导热性较碳钥差，焊后残余应力较大，如果焊接接头刚度又大或焊接过程中含氢量又较高，当从高温直接冷至120~100℃以下时，很容易产生冷裂纹。
（2）焊接接头的硬化现象 Cr13类马氏体不锈钢以及Cr12系列的热强钢，可以在退火状态或淬火状态下进行焊接。无论焊前原始状态如何，冷却速度较快时，近缝区必会出现硬化现象，形成粗大马氏体的硬化区。对于多数马氏体钢由 于焊接成分特点往往使其组织处于舍夫勒焊缝组织图中的M和M+F的边界区，在冷却速度较小时，近缝区会出现粗大的铁素体，塑性和韧性也明显下降。所以，焊接时冷却速度的控制是一个难题。
超低碳复相马氏体钢在热影晌区中无硬化区出现。超低碳复相马氏体钢对焊接热循环很不敏感，整个热影响区的硬度可以认为是基本均匀的。而淬火态焊接的2Cr13钢，在近缝区附近部位还有软化现象，硬度几乎降低一半。无论退火态的1Cr13或淬火态的2Cr13，在近缝区都出现了硬化。
马氏体不锈钢的焊接工艺特点
马氏体不锈钢常用的焊接方法主要有焊条电弧焊、埋弧焊及熔化极气体保护焊，相应的焊接材料也主要为焊条、实芯焊丝及药芯焊丝等。焊接时，主要以控制热输入及冷却速度为主。
1.焊接材料的选择
最好采用同质填充金属来焊接马氏体钢，但焊后焊缝和热影响区将会硬化变脆，有很高的裂纹倾向。因此，应考虑合理的合金化，如添加少量Ti、Al、N、Nb等以细化晶粒，降低淬硬性。也可通过焊前预热、焊后缓冷及热处理来改善接头的性能。
焊接构件不能进行预热或不便进行热处理时，可采用奥氏体不锈钢焊接材料。焊后焊缝金属组织为奥氏体组织，具有较高的塑性和韧性，松弛焊接应力，并能溶人较多的固溶氢，降低接头形成冷裂纹的倾向。但焊缝为奥氏体组织，焊缝强度不可能与母材相匹配。另外，奥氏体焊缝与母材比较，在物理、化学、冶金的性能上都存在很大差异，有时反而可能出现破坏事故。例如，在循环温度工作时，由于焊缝与母材膨胀系数不同，在熔合区产生切应力，能导致接头过早破坏。采用奥氏体焊接材料时，必须考虑母材稀释的影响。
对于热强型马氏体钢，最希望焊缝成分接近母材，并且在调整成分时不出现δ相，而应为均一的微细马氏体组织。δ相不利于韧性。
超低碳复相马氏体钢宜采用同质焊接材料，但焊后如不经超微细复相化处理，则强韧性难以达到母材的水平。
2.焊前预热和焊后热处理
采用同质焊缝焊接马氏体不锈钢时。为防止焊接接头形成冷裂纹。宜采取预热措施、预热温度的选择与材料厚度、填充金属种类、焊接方法和构件的拘束度有关，其中与碳含量关系最大。
马氏体型不锈钢的预热温度不宜过高，否则将使奥氏体晶粒粗大，并.且随冷却速度降低，还会形成粗大铁素体加晶界碳化物组织.使焊接接头塑性和强度均有所下降。
焊后热处理的目的是降低焊缝和热影响区硬度.改善其塑性和韧性，同时减少焊接残余应力。焊后热处理必须严格控制焊件的盗度，焊件焊后不可随意从焊接温度直接升温进行回火热处理。这是因为焊接过程中形成的奥氏体尚未完全转变成马氏体，如果立即升温到回火，奥氏体会发生珠光体转变，或者碳化物沿奥氏体晶界沉淀，产生粗大铁素体加碳化物组织。从严重地降低焊接接头的韧性，而且对耐蚀性也不利。如果焊接接头焊后空冷到室温后再进行热处理.则马氏体不锈钢会出珑空气碎硬倾向，造成常温塑性降低，并且在常温下残留的奥氏体将继续转变为马氏体组织.使焊接接头变得又硬又脆，组织应力也随之增大；若再加上扩散氢的聚集，焊接接头就有可能产生冷裂纹。正确的方法是:回火前使焊件适当冷却.让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解为马氏体组织，焊后热处理制度的制定须根据具休成分制定具体工艺。对于碳含量高且刚度大的构件要严格控制焊后热处理工艺。焊后空冷至150℃，立即在此温度保温I~2h.一方面可让奥氏体充分分解为马氏体.不至于立即发生脆化；另一方面还可使焊缝中的氢向外扩散.起到消氢作用。然后加热到回火温度，适当保温，可形成回火马氏体组织，如图4-22b所示。若焊后空冷到300℃，如图4-23a所示，虽可避免马氏体的产生，但在随后的高温回火过程中.奥氏体会转变.成铁素体或碳化物沿晶界析出。性能反而不如脸述的回火马氏体组织。
对干Cr13焊条熔敷金属，焊后加热到600℃就可开始恢复韧性，在850℃左右韧性最好，至900℃以上韧性急剧下降到很低的水平。而Nb的质量分数在0.8%左右的Cr13 Nb焊条熔敬金属，加热至600℃以上时，韧性伴随升温而提高；在，回火对于超低碳复相马氏体钢焊缝金属的强韧性有彭响甲需要根据钢的具体成分确定其逆变开始温度As。超低碳复相马氏体钢的硬度变化对淬火加热溢度是不敏感的。试验表明，这种钢在950℃以上加热淬火不见硬度有变化，而在800℃以下加热，也不会出现δ相，强韧性组合很好。
