各种金属材料的焊接特点及其热处理工艺

包括了焊接性及其试验方法（WORD文件）

第一章    焊接性及其试验方法

一、    焊接性

焊接性是说明材料对焊接工作的适应性，用以衡量材料在一定的焊接工艺条件下获得优质接头的难易程度和该接头能否在使用条件下可靠地运行。

焊接性包含工艺焊接性和使用焊接性两方面的内容。

工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优良致密，无缺陷焊接接头的能力。它不是金属固有的性质，而是根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的。所以金属材料的工艺焊接性与焊接过程密切相关。

使用焊接性是指焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度。使用性能取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技术要求。通常包括常规力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度、耐蚀性能和耐磨性能等。

从理论上，凡是在熔化状态下相互能形成固熔体或共晶的两种金属或合金，原则上都可以实现焊接，即具有所谓原则焊接性，又叫物理焊接性，然而，这种原则焊接性仅仅为材料实现焊接提供依据，并不等于该材料用任何焊接方法，都能获得满足使用性能要求的优质焊接接头。同种金属或合金之间是具有原则焊接性的，但是，它们在不同的焊接工艺条件下的焊接性却表现出很大的差异。

因此，金属材料的焊接性不仅与材料本身的固有性能有关，同时也与许多焊接工艺条件有关，在不同的焊接工艺条件下，同一材料具有不同的焊接性。而且随着新的焊接方法、焊接材料或焊接工艺的开发和完善，一些原来焊接性差的金属材料，也会变成焊接性好的材料。

1、    影响焊接性的因素

焊接性是金属材料的一种工艺性能。除了受材料本身性质影响外，还受到工艺条件、结构条件和使用条件的影响。

1）    材料因素

材料包括母材和焊接材料。在相同的焊接条件下，决定母材焊接性的主要因素是它本身的物理化学性能。

物理性能方面：如金属的熔点、热导率、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响焊接性。不锈钢等热导率低的材料，焊接时温度梯度大，残余应力高，变形大。而且由于高温停留时间长，热影响区晶粒长大，对接头性能不利。奥氏体不锈钢线膨胀系数大、接头的变形和应力较为严重。

化学性能方面，主要看金属与氧的亲和力的强弱。有些金属对氢、氮等气体很敏感，焊接时，就必须有可靠的保护，如采用惰性气体保护焊或在真空中焊接。否则焊接就难以实现。

如果是异种金属焊接，也只有其理化性能和晶体结构接近的金属才比较容易实现焊接。

对于钢材的焊接，影响其焊接性的主要因素是所含的化学万分。其中影响最大的元素有碳、硫、磷、氢、氧和氮等，它们容易引起焊接工艺缺陷和降低接头的使用性能。其他合金元素，如锰、硅、铬、镍、钼、钛、钒、铌、铜、硼等都在不同程度上增加焊接接头淬硬倾向和裂纹敏感性。所以，钢材的焊接性总是随着含碳量和合金元素含量的增加而恶化。

此外，钢材的冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态等，在不同程度上都对焊接性发生影响。通过精炼提纯或细化晶粒和控轧工艺等手段，来改善钢材的焊接性。

焊接材料直接参与焊接过程一系列化学冶金反应，决定着焊缝金属的成分、组织、性能及缺陷的形成。如果选择焊接材料不当，与母材不匹配，不仅不能获得满足使用要求的接头，还会引进裂纹等缺陷的产生和组织性能的变化。因此，正确选用焊接塑性是保证获得优质焊接接头的重要冶金条件。

2）    工艺因素

工艺因素包括焊接方法、焊接工艺参数、装配顺序、预热、后热及焊后热处理等。焊接方法对焊接性影响很大，主要表现在热源特性和保护条件两个方面。

不同的焊接方法其热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大差别。金属在不同热源下焊接，将显示出不同的焊接性能。如电渣焊功率很大，但能量密度很低，最高加热温度也不高，焊接时加热缓慢，高温停留时间长，使得热影响区晶粒粗大，冲击韧性显著降低，必须经正火处理才得改善。与此相反，电子束焊、激光焊等方法，功率不大，但能量密度很高，加热迅速。高温停留时间短，热影响区很窄，没有晶粒长大的危险。

调整焊接工艺参数，采取预热、多层焊和控制层间温度等其它工艺措施，可以调节和控制焊接热循环，从而可改变金属的焊接性。如采取焊前预热或焊后热处理等措施，则完全可能获得没有裂纹缺陷，满足使用性能要求的焊接接头。

3）    结构因素

主要是指焊接结构和焊接接头的设计形式，如结构形状、尺寸、厚度、接头坡口形式、焊缝布置及其截面形状等因素对焊接性的影响。其影响主要表现在热的传递和力的状态方面。不同板厚、不同接头形式或坡口形状其传热速度方向和传热速度不一样，从而对熔池结晶方向和晶粒成长发生影响。结构的开关、板厚和焊缝的布置等，决定接头的刚度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。不良的结晶形态，严重的应力集中和过大的焊接应力等是形成焊接裂纹的基本条件。设计中减少接头的刚度、减少交叉焊缝，避免焊缝隙过于密度以及减少造成应力集中的各种因素，都是改善焊接性的重要措施

4）    使用条件

是指焊接结构服役期间的工作温度、负载条件和工作介质等。这些工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。如在低温工作的焊接结构，必须具备抗脆性断裂性能；在高温工作的结构要具有抗蠕变性能；在交变载荷下工作的结构具有良好的抗疲劳；在酸、碱或盐类介质工作的焊接容器应具有高的耐蚀性能等等。总之，使用条件越苛刻，对焊接接头的质量要求就越高，材料的焊接性就越不容易保证。

2、    金属焊接性的研究方法

焊接工程师经常遇到一些新材料、新结构或新的工艺方法。在正式投产之前，通常须开展焊接性研究工作，以确保所采用新的材料、结构或工艺方法能获得优质的焊接接头。研究的基本方法是先分析后试验，即在焊接性理论分析的基础上再作必要的可焊性试验区。焊接性分析可以避免试验区的盲目性，焊接性试验区可以验证理论分析的结果。

1）    焊接性分析

焊接性分析就是运用现代焊接科学技术的理论知识和实践经验，对金属材料焊接的难易程度作出判断或预测，估计焊接过程可能出现的技术问题，分析产生问题的原因和寻找解决问题的办法。通常分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两个方面去考察该材料对焊接的适应能力。前者是要解决该材料能焊不能焊的问题，后者是要解决焊后能不能使用的问题。

对工艺焊接性方面的分析，主要是考察金属材料在给定的工艺条件下，产生焊接缺陷的倾向性和严重性。首先应结构研究对象的特点，从影响焊接性的材料因素、工艺因素和结构因素等方面入手，分析和估计焊接过程中可能会产生什么缺陷，对材料的工艺焊接性作出科学的预测，焊接工艺缺陷很多，藕以裂纹的危害性最大，产生的原因多而复杂，故分析的重点通常是放在材料的抗裂性能上。按材料中合金元素及其含量间接地评估合金结构钢的焊接性是最常用的分析方法，如“碳当量法”和“裂纹敏感系数法”等。此外，也可利用合金相图，或焊接CCT图等进行分析，合金相图，可以判断热裂倾向，焊接CCT图估计有无冷裂的危险和焊后接头的大致性能（硬度值）。

对使用焊接性方面的分析，主要是考察金属材料在给定的焊接工艺条件下，焊成的接头或整个焊接结构是否满足使用要求，这些要求是由结构的工作条件所决定并由设计者提出。对于以等性能原则设计的焊接接头，则以母材的性能为依据，分别考察焊缝金属和焊接热影响区在焊接热的作用下可能引进哪些不利于使用性能的变化。对于已经建立焊接连续冷却组织转变图的金属材料，利用该图来预测或判断焊缝或热影响区熔合线附近的组织与性能的变化极为方便。

2）    焊接性试验

焊接性分析是以理论知识和生产经验为依据进行的，分析的结果难免与生产实际有出入。因此，对于重大工程，一般应在焊接性理论分析的基础上有针对性地作些焊接性试验加以验证。特别对于一些尚未接触过的新金属材料、新的产品结构或新的工艺方法，更应通过较为全面的焊接性试验，以获取第一手资料。既可以对材料的焊接性作出更为准确和全面的评价，同时也为制订焊接工艺提供可靠的依据。

总之，焊接性的分析与试验区是焊接性研究中的两个工作环节，相辅相成。根据研究对象的复杂性和重要性，可简可繁，有时分析与试验交叉平行进行。

不同金属材料焊接性分析时应考虑的问题

金属材料    焊接性重点分析内容

低碳钢    1）厚板的刚性拘束裂纹2）硫致热裂纹

中、高碳钢    1）冷裂纹2）焊接HAZ淬硬

低合金钢    热轧及正火钢    1）冷裂纹2）热裂纹3）再热裂纹4）层状撕裂5）HAZ脆化

    低碳调质钢    1）冷裂纹、根部裂纹2）热裂纹（含镍钢）3）HAZ脆化4）HAZ软化

    中碳调质钢    1）热裂2）冷裂3）HAZ脆化4）HAZ回火软化

    珠光体耐蚀钢    1）冷裂纹2）HAZ硬化3）再热裂纹4）持久强度

    低温钢    1）低温缺口韧性2）冷裂纹

不锈钢    奥氏体不锈钢    1）晶间腐蚀2）应力腐蚀开裂3）热裂纹

    铁素体不锈钢    1）475度脆化2）σ相脆化3）热裂纹

    马氏体不锈钢    1）冷裂纹2）HAZ硬化

P-A异种钢    1）焊缝成分的控制（稀释率）2）熔合区过渡层3）熔合区扩散野4）残余应力

铸铁    1）焊缝及熔合区“白口”2）热裂纹3）热应力裂纹4）冷裂

铝及其合金    1）氯化2）气孔3）热裂纹4）HAZ软化

3、    焊接性的试验内容与方法分类

按材料的不同特点和不同使用要求，焊接性试验内容有

1）    测定焊缝金属抗热裂缝的能力 热裂缝是一种较常发生又危害严重的一种焊接缺陷，是熔池金属结晶过程中，由于存在一些有害元素（如低熔点共晶物）并受热应力作用而在结晶末期发生。热裂纹既和母材有关，又和焊接有关。所以测定焊缝金属抵抗热裂纹的能力是焊接性试验的一项重要内容。

2）    测定焊缝及热影响区金属抗冷裂纹的能力  冷裂纹在低合金高强钢焊接中是最为常见的缺陷，由于这种缺陷的发生具有延迟性，其危害更大，它是焊缝及热影响区金属在焊接热循环作用下，由于组织及性能变化，加之受焊接和扩散氢的共同作用而产生。所以测定焊缝及热影响区金属抗冷裂纹的能力是焊接性试验中很重要又最经常作的一项试验内容。

3）    测定焊接接着抗脆性断裂的能力  对于在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，可能经过焊接的冶金反应，结晶、固态相变等一系列过程，焊接接头会发生粗晶脆化、组织脆化、热应变时效脆化等现象。使接头韧性严重下降，即焊接接头发生脆性转变。因此，对这类焊接结构的用材，须要作抗脆断（或抗脆性转变）能力的试验。

4）    测定焊接接头的使用性能  根据焊接结构使用条件对焊接性提出的性能要求来确定试验内容。使用要求是多方面的，例如，在腐蚀介质工作的焊接结构要求抗腐蚀性能，就可以确定做焊接接头的耐晶间腐蚀能力或耐应力腐蚀能力等的试验；厚板钢结构要求抗层状撕裂性能时，就须做Z向拉伸或Z向窗口试验，以测定钢材抗层状撕裂的能力。

4、    焊接性试验方法分类

研究和评定金属材料焊接性的试验方法很多，根据试验的内容和特点大致归纳为工艺焊接性和使用焊接性两大方面的试验，每一大方面又分为直接法和间接法两种类型。直接法有两种情况：一种是仿照实际焊接的条件，通过焊接过程考察是否发生某种焊接缺陷，或发生缺陷的严重程度，直接去评价焊接性的优劣（即焊接性对比试验）。也可以通过试验确定出所需的焊接条件（即工艺适应性试验）。这种情况多在工艺焊接性试验中使用；另一种是直接在实际产品上进行测定其焊接性能的试验，这种情况主要用于使用焊接性方面的试验。间接法一般不需要焊出焊缝，只需对产品实际使用的材料作化学成分、金相组织或力学性能等试验分析与测定，然后根据分析与测定的结果，对该材料的焊接性进行推测与评估。例如，碳当量法，只需从产品用的材料中测定出其化学成分、代入碳当量计算公式，利用算出碳当量的大小去判断该材料的焊接性。

5、    选择或设计焊接性试验方法的原则  现有的焊接性试验方法很多，随着技术的进步，要求的提高，焊接性试验方法还会不断增加，选择已有的或设计新的焊接性试验方法时一般应考虑以下原则：

1）    可比性 只有试验条件完全相同的情况下，两个试验的结果才具有可比性。因此，凡是国家或国际上已经颁布的标准试验方法，应优先选择，并严格按标准的规定进行试验。尚没有建立标准的，应选择国内外同行业中较为通用或公认的试验方法进行。若无标准可供遵循，须自行设计焊接性试验方法时，应把试验条件规定得明确具体。最后要说明试验结果是在什么试验条件下得出。

2）    针对性 所选择的或自行设计的试验方法，其试验条件要昼与实际焊接时的条件相一致，这些条件包括母材、焊接材料、接头形式、接头受力状态、焊接工艺参数等。而且试验条件还应考虑到产品的使用条件，尽量使之接近。只有这样才能使焊接性试验具有良好的针对性，其试验结果才能较准确地显示出实际生产时可能发生的问题或可能出现的现象。

3）    再现性 焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验数据不可过于分散，否则难以找出变化规律和导出正确的结论。为此，试验方法应尽量减少或避免人为因素的影响，多采用自动化、机械化的操作，少用人工操作。试验条件和试验程序要规定得严格，防止随意性。

4）    经济性 在符合上述原则并可获得可靠结果的前提下，力求减少人力、物力和财力消耗，节省试验费用。

6、    常用焊接性试验方法

工艺焊接性的间接估算法：

1）    评估钢材冷裂纹倾向的碳当量法 基于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有关，所以利用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。把钢中合金元素的含量，按其作用换算成碳的想当含量（以碳的作用系数为1）作为粗略评定钢材冷裂倾向的一种参考指标，即所谓碳当量法。由于世界各国和各研究间接所采用的试验方法和钢材的合金体系不同。因此，都各自建立了有一定适用范围的碳当量公式。各公式不尽相同，却反映相同规律，即碳当量的数值越大，被焊钢材的淬硬倾向就越大，热影响区越容易产生冷裂纹。因此，就可以用碳当量的大小来评定钢材焊接性的优劣，并按焊接性的优劣提出防止产生焊接裂纹的最佳焊接条件。

2）    低合金钢焊接冷裂纹敏感性指数法 近代大力发展了低碳微量多合金元素的低合金高强钢，碳当量法已不适用，况且仅按钢材化学万分评定钢材焊接性并不全面，因为低合金高强钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，还有熔敷中扩散氢含量，接着的拘束应力等原因。因此，日本伊藤等人采用Y形铁研试验对200多个钢种作了大量试验提出了由化学成分、扩散氢和拘束度（或板厚）所建立的冷裂纹敏感指数等数据（公式），并用冷裂纹敏感性指数去确定防止冷裂纹所须的焊前预热温度。

我国根据国产低合金钢在插销试验基础上建立了由Pcm、[H]、δ和钢材抗拉强度σb构成的防止冷裂纹的预热温度计算公式：

T（度）=324Pcm+17.7[H]+0.14σb+4.72δ-214

式中：[H]熔敷金属的扩散氢含量(ml/100g)(GB/T3965-1995)；

Pcm裂纹敏感系数%；

Σb抗拉强度MPA

δ被焊金属板厚mm

Pcm=C+SI/30+（MN+CU+CE）/20+NI/60+MO/15+V/10+5B

其它测定方法见工程手册第936-937页。

第二章    碳钢的焊接

1、    碳钢的焊接性

碳素钢的焊接性随含碳量增加而恶化，因为含碳量较高的钢从焊接温度快速冷却下容易被淬硬。被淬硬的焊缝和热影响区因其塑性下降，在焊接应力作用下容易产生裂纹。碳素钢被淬硬主要是因马氏体组织形成而引起。马氏体是碳在啊法铁中过饱和的固溶体，它的硬度既和钢中含碳量有关，又和所形成的马氏体数量有关。马氏体数量受冷却速度影响，非常快的冷却速度可以产生100%的马氏体，从而可达到最高硬度。因此，焊接含碳量较高的碳素钢时，就应当注意减缓冷却速度，使马氏体的数量减至最少。

焊接的冷却速度受焊接热输入、母材板厚和环境温度的影响。厚板或在低温条件下焊接，其冷却速度加快，预热或加大焊接线能量，可以降低冷却速度。

碳素钢的内在质量对焊接性有很大影响。沸腾钢因脱氧不完全，其硫、磷等杂质较多，而且分布也不均匀，所以焊接时有产生热裂纹和气孔的倾向。在选择焊接材料方面，除了在成分和性能上须与母材匹配外，也应避免硫、磷等有害元素从焊接材料中带入焊缝金属中来。碳素钢的碳含量增加到0.15%以上时，对氢致裂纹尤其敏感。因此，焊接碳含量高于0.15%的碳素钢时，须注意减少氢的来源。例如：减少焊条药皮中或埋弧焊剂里及母材上或大气中的水分，焊前对待焊部位及其附近须清除油污、铁锈等。手弧焊时宜选用低氢型焊条，在其它焊接方法中应制造低氢环境，以减少焊缝周围环境中的含氢量。对已溶入焊缝和热影响区的氢，可采取后热措施使之向外扩散。

焊接碳素钢时产生裂纹的力学原因是结构的拘束应力和不均衡的热应力。即使是不易淬硬的低碳钢，在受拘束条件下采用了不正确的焊接程序，也会因这些应力过大而产生裂纹。

总之，对碳素钢的焊接，应针对其碳含量不同而采取相应的工艺措施。当含碳较低时，如低碳钢，应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；当含碳量较高时，如高碳钢，除了防止因这些应力所引起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹。

2、    低碳钢的焊接

焊接特点：低碳钢的含碳量低（≤0.25%），其它合金元素含量也较少，故是焊接性最好的钢种。采用通常的焊接方法焊接后，接头中不会产生淬硬组织或冷裂纹。只要焊接材料选择适当，便能得到满意的焊接接头。

用电弧焊焊接低碳钢时，为了提高焊缝金属的塑性、韧性和抗裂性能，通常都是使焊缝金属的碳含量低于母材，依靠提高焊缝中的硅、锰含量和电弧焊所具有较高的冷却速度来达到与母材等强度。因此，焊缝金属会随着冷却速度的增加，其强度会提高，而塑性和韧性会下降。为了防止过快的冷却速度，当厚板单层角焊缝时，其焊角尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸，焊缝长度不得过短，必要时应采用100-150度的局部预热。

当母材成分中碳含量偏高或在低温下焊接大刚性结构时，可能产生冷裂纹，这时应采取预热或采用低氢型焊条等措施。

低碳钢弧焊焊缝通常具有较高的抗热裂纹能力，但当母材含碳量已接近上限（0.25%）时，在接头设计或工艺操作上要避免焊缝具有窄而深的形状，因这样形状的焊缝易产生热裂纹。

沸腾钢氧含量较高，板厚中心有显著偏析带，焊接时易产生裂纹和气孔，厚板焊接有一定的层状撕裂倾向，时效敏感性也较大，焊接接头的脆性转变温度也较高。因此，沸腾钢一般不用于制作受动载或在低温下工作的重要结构。

某些焊接方法热源不集中或线能量过大，如气焊和电渣焊等，引起焊接热影响区的粗晶区晶粒更加粗大，从而降低接头的冲击韧性，因此，重要结构焊后往往要进行正火处理。

3、    焊接材料

焊条电弧焊用焊条

当焊接重要的或裂纹敏感性较大的结构时，常选用低氢型的碱性焊条，如E4316、E4315、E5016、E5015等，因这类焊条具有较好的抗裂性能和力学性能，其韧性和抗时效性能也很好。但这类焊条工艺性能较差，对油、锈和水分很敏感，焊前需在350-400度以烘干1-2小时，并需对接头坡口作彻底清理干净。所以对于一般的焊接结构，推荐选用工艺性能较好的酸性焊条。

此外，对于同一个强度等级的低碳钢，由于产品结构上的差别，所选用的焊条也有不同。例如，随着板厚增加，接头的冷却速度加快，促使焊缝金属硬化，接头内残余应力增大，就需要选用抗裂性能好的焊条，如低氢型焊条；厚板为了焊透，须开坡口焊接，这样填充金属量增加，为了提高生产效率，就可以选铁粉焊条。

同样板厚的对接接头与T形接头的散热各不相同，后者的角焊缝冷却快，需考虑抗裂问题；随着焊脚尺寸的加大，填充金属量是以平方数增加，也需相应选用较大的焊条直径。

4、焊接工艺要点 为确保低碳钢焊接质量，在焊接工艺方面须注意：

1）焊前清除焊件表面铁锈、油污、水分等杂质，焊接材料用前必须烘干。

2）角焊缝、对接多层焊的第一层焊缝以及单道焊缝要避免采用窄而深的坡口形式，以防止出现裂纹、未焊透或夹渣等焊接缺陷。

3）焊接刚性大的构件时，为了防止产生裂纹，宜采取焊前预热和焊后消除应力的措施。

4）在环境温度低于负10度以下焊接低碳钢结构时接头冷却速度较快，为了防止产生裂纹，应采取以下减缓冷却速度的措施。

A焊前预热，焊时保持层间温度；

B采用低氢型或越低氢型焊接材料；

C点固焊时须加大焊接电流，适当加大点固焊的焊缝截面和长度，必要时焊前也须预热；

D整条焊缝连续焊完，尽量避免中断，熄弧时要填满弧坑。

7、中碳钢的焊接

焊接特点：中碳钢含碳量较高，其焊接性比低碳钢差。当W（C）接近下限（0.25%）时焊接性良好，随着含碳量增加，其淬硬倾向随之增大，在热影响区容易产生低塑性的马氏体组织。当焊件刚性较大或焊接材料、工艺参数选择不当时，容易产生冷裂纹。多层焊焊接第一层焊缝时，由于母材熔合到焊缝中的比例大，使其含碳量及硫、磷含量增高、容易生产热裂纹。此外，碳含量高时，气孔敏感性也增大。

焊接材料：应尽量选用抗裂性能好的低氢型焊接材料。焊条电弧焊时，若要求焊缝与母材等强，宜选用强度级别相当的低氢型焊条；若不要求等强时，则选用强度级别约比母材低一级的低氢型焊条，以提高焊缝的塑性、韧性和抗裂性能。如果选用非低氢型焊条进行焊接，则必须有严格的工艺措施配合，如控制预热温度、减少母材熔合比等。当工件不允许预热时，可选用塑性优良的铬镍奥氏体不锈钢焊条。这样可以减少焊接接头应力，避免热影响区冷裂纹产生。

二氧化碳气体保护焊时，当W（C）≤0.4%时仍可按低碳钢选用焊丝；强度要求高时，可选用ER502、ER503、ER507等实心焊丝或相当等级的药芯焊丝；当用AR+20%CO2混合气体保护时可用GHS-60焊丝。

焊接工艺要点：

1）    预热和层间温度 预热是焊接和焊补中碳钢防止裂纹的有效工艺措施。因为预热可降低焊缝金属和热影响区的冷却速度、抑制马氏体的形成。预热温度取决于碳含量、母材厚度、结构刚性、焊条类型和工艺方法等。最好是整体预热，若局部预热，其加热范围应为焊口两侧150-200毫米左右。多层焊时，要控制层间温度，一般不低于预热温度。

2）    浅熔深 为了减少母材金属熔入焊缝中的比例，焊接接头可做成U型或V型坡口。如果是焊补铸件缺陷，所铲挖的坡口外形应圆滑，多层焊时应采用小直径焊条，小焊接电流，以减小熔深。

3）    焊后处理 最好是焊后冷却到预热温度之前就进行消除应力热处理，尤其大厚度工件或大刚性的结构更应如此。消除应力热处理温度一般在600-650度之间。如果焊后不能立即消除应力热处理，则应先进行后热，以便扩散氢逸出，后热温度约150度保温2小时。

4）    锤击焊缝金属  没有热处理消除焊接应力的条件时，可在焊接过程中用捶击热态焊缝金属的方法去减小焊接应力，并设法使焊缝缓冷。

7、高碳钢的焊接

焊接特点：W（C）大于0.6%的高碳钢淬硬性高、很容易产生硬又脆的高碳马氏体。在焊缝和热影响区中容易产生裂纹，难以焊接。故一般都不用这类钢制造焊接结构，而用于制造高硬度或耐磨的部件或零件，对它们的焊接多数是破损件的焊补修理。

高碳钢零、部件的高硬度或高耐磨性能是通过热处理获得，因此，焊补这些零、部件之前应先行退火，以减少焊接裂纹，焊后再重新进行热处理。

焊接材料：按焊缝性能要求来选用高碳钢的焊接材料，要求达到与母材完全相同的性能是比较难的。在焊条电弧焊情况下，当要求强度高时，可选用E7015（J707）或E6015（J607）焊条，要求低时，选用E5016划E5015焊条。也可选用铬、镍奥氏体不锈钢焊条，如E309-16、E309-15等，这时预热温度可以降低或不需预热。气焊情况下，对性能要求高时可用与母材成分相近的焊丝；要求不高时，可采用低碳钢焊丝。

焊接工艺要点：高碳钢焊接性差，焊接时必须注意：

1）    应先退火而后焊接；

2）    采用结构钢焊条时，焊前必须预热，预热温度和层间温度应在350度以上；

3）    采取与焊接中碳钢相似的工艺措施，尽量减少熔合比、小焊接电流、低焊接速度，焊接尽可能连续进行，中间不停止；

4）    焊后缓冷，并应立即送入炉中进行消除应力的高温回火，随后再根据需要作相应的热处理。

第三章    合金结构钢的焊接

1、    热轧及正火钢的焊接性

在熔焊条件下热轧正火钢随着强度级别的提高和合金元素含量的增加，焊接的难度增大。这类钢焊接的主要问题是热影响区的脆化和产生各种裂纹。

1）    热影响区脆化

A过热区脆化 过热区是指热影响中熔合线附近母材被加热到1100度以上的区域，又叫粗晶区。由于该区温度高，发生奥氏体晶粒显著长大和一些难熔质点溶入而导致了性能变化。这种变化既和钢材的类型、合金系统有关，又和焊接热输入有关，因为热输入直接影响高温停留时间和冷却速度。

热轧钢是C-MN，MN-SI系的固溶强化剂，合金元素在全部固溶条件下即能保证良好的综合性能，故在热轧状态下使用。这类钢在高强钢中合金元素含量最低，其淬透性也最差，焊接时在过热区一般发生马氏体转变的可能性较小。仅在焊接接头截面尺寸很大、焊接现场温度偏低，并且焊接热输入较小时，才会出现马氏体。这种马氏体含碳量低，而且转变温度较高，冷却过程中获得“自回火”，其韧性比高碳马氏体高得多。所以热轧钢焊接时淬硬儋化倾向很小。能导致热轧钢过热区脆化的原因是：焊接热输入偏高，使该区的奥氏体晶粒严重长大，稳定性增加。使之转变产物先析铁素体和共析铁素体的延伸发展，除沿晶界析出外，还向晶内延伸，形成魏氏组织及其他塑性低的混合组织，从而使过热区脆化。因此，对于像Q345（16MN）之类固熔强化的热轧钢，焊接时，采用适当低的热输入等工艺措施来抑制过热区奥氏体晶粒长大及魏氏组织的出现，是防止过热区脆化的关键。

正火钢过热区脆化与热轧钢不同，其热过敏性比热轧钢大，这是因为两者合金方式不同。对于MN-V、MN-NB和MN-TI系的正火钢，除固溶强化外，还有沉淀强化作用（含TI、V、N等沉淀强化元素），必须通过正火才能细化晶粒及使沉淀相得以充分析出，并弥散均匀分布于基体内，达到既提高强度又提高其塑性和韧性。焊接这类钢时，如果在加热到1100度以上的热影响区内，停留时间较长（如用大线能量），就会使原来正火状态下弥散分布的TIC、VC或NC溶解到奥氏体中，于是削弱了它们抑制奥氏体长大及细化晶粒的作用，在冷却过程中又因TI-V的扩散能力很低，来不及析出而固溶在铁素体内，阻碍交叉滑移进行，导致铁素体硬度升高、韧性降低。这便是造成正火钢过热区脆化的主要原因。对含TI和V的15MNTI与Q420（15MNVN）钢研究表明：随着焊接热输入增大，高温停留时间延长，TI、V越充分，其脆化就越显著。所以用小热输入焊接是避免这类正火钢过热区脆化的有效措施。如果为了提高正火钢焊接生产率而采用大热输入焊接，在这种情况下，焊后需采用800-1100度的正火处理来改善接头韧性。

2、    热轧及正火钢的焊接工艺

1）    焊接方法 热轧正火钢对许多焊接方法都适应，选择时主要考虑产品结构、板厚、性能要求和生产条件等因素，其中最为常用的是焊条电弧焊、埋弧焊和熔化极气体保护焊。钨极氩弧焊通常用于较薄的板或要求全焊透的薄壁管和厚壁管道等工件的封底焊。大型厚板结构可以用电渣焊，其缺点是电渣焊缝及热影响区严重过热，焊后通常需正火热处理，导致生产周期长，成本高。可以用窄间隙的熔化极气体保护焊，其生产率高，焊接材料和能源消耗低同时焊接线能量小，热影响区窄，更适用于焊接性较差的低合金高强度钢。但窄间隙气保焊具有难以完全消除坡口侧壁末焊透及夹渣等缺点。

2）    焊接材料的选择 焊接热轧及正火钢时，选择焊接材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配，为此，须注意以下问题：

A选择相应强度级别的焊接材料 为了达到焊缝与母材的地，选择焊接材料时应从母材的力学性能出发，而不是从毁出发选择与母材成分完全相同的焊接材料。因为焊缝金属的力学性能不仅决定于化学成分，还决定于金属的组织状态。在焊接条件下，焊缝金属冷却很快，完全脱离平衡状态，如果选用与母材相同成分的焊材，焊后焊缝金属的强度将升高，而塑性和韧性将下降，这对于焊接接着的抗裂性能和使用性能非常不利，因此，往往要求焊缝的合金元素低于母材的含量，其中W（C小于等于0.14%。

B工艺条件的影响 主要从焊接工艺和焊后的加工工艺两方面考虑对焊缝金属力学性能的影响。

坡口形状和接头形式的影响  不同坡口形状和接头形式焊接时会有不同的熔合比和冷却速度。

焊后加工工艺的影响 焊后须进行冷、热加工或热处理的焊件，必须考虑焊缝金属受到这些加工后其力学性能的变化。对于焊后消除应力热处理，焊缝强度有所降低，这时宜选用合金成分稍高的焊接材料。

C考虑结构因素的影响 对于厚板、拘束度大或冷裂倾向大的焊接结构，以及重要的产品，应选用低氢或高韧性的焊接材料。如厚板结构多层焊，第一层打底焊缝最易产生裂纹，这时应选用强度稍低，但塑性、韧性好的低氢或超低氢焊接材料。

第四章    耐热钢的焊接

一、    概述

在高温下使用的钢叫耐热钢，实际上它是抗氧化钢和热强钢的总称。抗氧化钢又称不起皮钢或热稳定钢，它在高温下能抵抗氧化和介质的侵蚀，并有一定的强度，其工作温度可高达900-1100度，热强钢在高温下具有较高的强韧性和抗氧化性，其工作温度可高达600-900度。

钢的耐热性主要通过合金化来实现，即在碳钢的基础上加入可以提高抗氧化性和热强性的合金元素。提高钢抗氧化性能的有效方法是在钢中添加铬、铝、硅等合金元素，其中铬是主要的添加元素。它们的共同特点是能在高温下与氧形成致密的氧化膜，并牢固地结合在钢的表面，以防止钢继续被介质侵蚀损坏；提高钢在高温下强韧性、耐磨性的主要方法是在钢中添加铬、铝、钨和镍等合金元素，并正确地进行热处理工艺。

按金相组织分成四大类：

1）    珠光体耐热钢 属于低中合金结构钢，主要合金元素是铬和钼。为了进一步提高钢的热强度和组织稳定性，往往添加少量的钨、钒、铌、镍和稀土等。工作温度在350-620度范围。

2）    马氏体耐热钢 属于高合金钢。一般在淬火+高温回火下使用，其组织为回火马氏体。

3）    铁素体耐热钢 亦属于高合金钢，通常都是高铬的抗氧化钢。

4）    奥氏体耐热钢 也属高合金钢，是在奥氏体不锈钢基础上发展起来的。这类钢具有很好的耐热性能，可在600-800度范围内工作，若作为抗氧化钢，则可用到1200度。

二、珠光体耐热钢的焊接

1、焊接性 珠光体耐热钢的总质量分数为5-7%，属于低、中合金钢，其焊接性与低碳调质钢相挖。焊接的主要问题是冷裂纹、再热裂纹和回火脆性。

1）冷裂纹 珠光体耐热钢中主要合金元素铬和钼都能显著提高钢的淬硬性，钼的作用比铬大50倍。它们和碳共同作用，使钢的临界冷却速度降低，奥氏体稳定性增大，冷却到较低温度时才发生马氏体转变，产生淬硬组织，使接头变脆。合金元素和碳的含量越高，淬硬倾向就越大。当焊接拘束度大，冷却速度快的厚板结构时，若又有氢的有害作用，就会导致冷裂纹。降低含碳量可以降低钢的淬硬性，使冷裂敏感性减小，但又会引起钢的蠕变强度急剧降低，这对于使用温度范围较高的中合金铬-钼耐热钢尤为不利。为了兼顾焊接性和高温力学性能，通常中合金铬钼碳质量分数控制在0.1-0.2%范围内。而低合金铬钼钢含碳量可以更低些。

2）再裂纹 珠光体耐热钢发球再热裂纹敏感的钢种，这与钢中含的合金元素铬、钼、钒有关，其敏感温度区间为500-700度，在焊后热处理或长期高温工作中，在热影响区熔合线附近的粗晶区内有时会发生这种裂纹。

3）回火脆性 某些珠光体耐热钢焊接接头长期在371-593度范围内工作，会发生并导致焊接构件破坏，这与钢中的P、SB、SN、AS等杂质和合金元素含量有关。一般认为，由于这些杂质在晶界上偏聚，而降低晶界的断裂强度。铬钼钢中铬促进这些杂质的偏聚，而自身也发生偏聚。W（CR）=2-3%的钢其焊缝具有最大倾向。防止的主要措施是控制钢的MN、SI元素和杂质的含量。

当钢中成分能满足以下两式时，一般不会有回火脆性发生：

脆化系数：x=(10P+5Sb+4Sn+As)0.01小于等于20

脆化指数：j=(Mn+Si)(P+Sn)10000小于等于200

式中的元素符号表示该元素的质量分数。

2、    焊接工艺

1）    焊接方法 在珠光体耐热钢焊接结构生产中实际应用的焊接方法有：焊条电弧焊、埋弧自动焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极氩弧焊、电阻焊和感应加热压焊等。

2）    焊接材料 根据珠光体耐热钢接头性能的基本要求，焊接材料的选择原则是保证焊缝化学成分和力学性能与母材相当。常选用焊缝的W（C）小于等于0.12%的低氢型焊接材料，以提高焊接接头的抗热裂纹和抗冷裂纹的能力和韧性。

对现场发现的铸钢缺陷，须要修补时，为了减小焊接变形，简化焊接工艺和焊后不热处理，常选用奥氏体不锈钢焊条，A507等进行焊补。

3）    焊接热输入 以避免热影响区金属我淬硬、减慢焊后冷却速度，防止冷裂纹产生角度，适当增大焊接热输入是有利的。但是，过大的焊接热输入，会增加焊接应力和变形，热影响区过热程度大，晶粒粗化，晶界的结合能力降低，产生再热裂纹的可能性增加，而且接头韧性也下降。综合考虑，珠光体耐热钢焊接宜用较小的焊接热输入焊接为好。焊接时应采用多道焊和窄焊道，不摆动或小幅度摆动电弧。

4）    焊前预热和焊后热处理 预热是防止珠光体耐热钢焊接冷裂纹和再热裂纹的有效措施之一。预热温度应要根据钢的合金成分、接头的拘束度和焊缝金属内氢含量来确定。研究表明，对于铬钼耐热钢预热温度并非越高越好。当W（C）大于2%时，为防止氢致裂纹产生，规定较高预热温度是必要的。但不应高于马氏一转变终了温度MF。否则，当焊件完成最终的焊后热处理时，会残留部分未转变的奥氏体。若处理时冷却速度较快，残余奥氏体就可能转变成马氏体，从而失去地后热处理的基本作用。当预热和层间温度均控制在MF以下，焊接结束后奥氏体将在控制温度范围内转变成马氏体，并在马氏体转变完后再进行焊后热处理，使马氏体得到回火而改善了韧性。

珠光体耐热钢需焊后热处理，不仅是为了消除焊接残余应力，更重要的是为了改善接头组织，提高其综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织的稳定性。降低焊缝及热影响区的硬度等，在拟订焊后热处理工艺时应考虑：

A对于含合金成分较低、厚度较薄的珠光体耐热钢焊件，如果焊前经预热，焊时采用低碳低氢的焊接材料，焊后可不必热处理。

B焊后热处理尽量避免在回火脆性及再热裂敏感的温度范围内进行，应规定在危险温度范围内较快的加热速度。

C大型焊件整体在炉中热处理有困难时，可进行局部热处理，但必须保证预热区宽度大于焊件壁厚的4倍，且至少不能小于150毫米。

产品的最佳预热温度和焊后热处理温度，最好是根据产品材料的性质及其供应状态、结构特点及产品运行条件对接头性能的要求，并通过焊接工艺评定试验后来确定。

5）    工艺要点  珠光体耐热钢有较强冷裂纹倾向，对氢要严格控制在最低程度。焊前对焊接材料应按有关规定烘干；焊丝表面不准有油污和锈存在；焊接坡口两侧50毫米范围内清除油、水、锈 等污物；定位焊和正式焊一样都应预热；正式焊接时，应连续施焊，保证层间间与预热温度接近，如中途中断焊接，应有保温缓冷措施。再焊接前应清扫、检查、重新预热后再焊接；对刚性大的焊件应进行后热，即在200-350度保温0.5-2小时后再进行焊后热处理。如果预热和后热联合运用，可降低预热（层间）温度。

三、马氏体耐热钢的焊接

1、成分与性能  马氏体耐热钢属高合金钢，大致可分成两类：一类是简单CR13型的马氏体钢；另一类是以CR12型为基的多元合金强化的马氏体钢。前者一般用于耐腐蚀和要求一定强度的零部件；后者主要用作热强钢，如火电厂的主蒸汽管道等。两者的共同特点是高温加热后空冷具有很大的淬硬倾向，一般经调质处理后才能充分发挥这类钢的性能特点。

2、焊接性 马氏体耐热钢焊接性比珠光体耐热钢差，主要问题是焊接冷裂倾向很大，焊接热影响区存在软化带。此外，还有回火脆性问题。

1）冷裂纹  马氏体耐热钢在空冷条件下即能淬硬，这类钢的导热性差，焊后残余应力较大，若有氢作用很容易产生冷裂纹。此外，对含有MO、W、V等元素的CR12型耐热钢还有较大的晶粒粗化倾向，焊接头产生粗大马氏体组织，使接头塑性下降。

2）热影响区有软化带 在调质状态下焊接时，将在热影响的上AC1温度附近出现软化带，使接头高温强度下降。焊前原始组织的硬度越高，软化程度越严重，焊后若在较高温度下回火，则软化程度更加严重，使接头持久强度降低而发生过早断裂。

3）回火脆性 马氏体钢如CR13钢在550度附近有回火脆性，因此，在焊接和热处理过程中都须注意。若钢中含有MO、W合金元素，可以降低回火脆性。

3、焊接工艺

1）焊接方法 可采用各种焊接方法焊接马氏体而热钢。但由于钢铁厂冷裂倾向大，对氢致延迟裂纹非常敏感。因此，必须城低氢甚至越低氢条件下焊接，同时还应保持较低的冷却速度，对于拘束度较大的接头，最好采用无氢源的TIG和MIG。

2）焊接材料 为了确保接头的使用性能要求，焊缝的化学成分应力求和母材成分相接近。最好焊缝中没有铁素体存在。对于简单成分的CR13型马氏体耐热钢，焊缝隙成分调整的余地不大，一般都选用与母材金属相同的填充金属，但必须严格控制C、S、P和SI的含量。减少C，有利于降低淬硬性；S、P会增大热裂和冷裂敏感性；SI和CR13型钢中会促成粗大的铁素体组织。焊缝隙中加入少量TI、N和AI则有利于细化晶粒。对于以CR12型为基的多元合金强化的马氏体耐热钢，由于主要化学成分多为铁素体化元素，如MO、W、V、NO等，为了保证焊缝全部为均一的马氏体组织，必须加入适量的奥氏体化元素进行平衡，如C、NI、MN和N等。但要注意，增加C和MN会使马氏体开始转变温度明显降低，对防止冷裂纹不利，故其含量须控制在最佳范围内。

当焊件高温预热和热处理困难国，且接头性能不同于母材时，为了防止冷裂纹产生，可选用奥氏体钢焊接材料，使焊缝金属成为奥氏体组织以提高接头的抗裂性能。但这种异质接头，在熔合区会产生较大的界面热应力。

3）    预热和焊后热处理 马氏体耐热钢冷裂倾向大，焊前预热和保持层间温度是防止其产生裂纹的有效措施。预热温度应根据钢的碳含量、接头厚度和拘束度以及焊接方法来确定。通常是要保证不裂的情况下预热温度尽可能降低。

为了降低马氏体耐热钢焊缝金属和热影响区的硬度，改善韧性或提高强度，同时消除焊接残余应力，焊后应进行热处理。马氏体耐热钢一般是在调质状态下焊接，所以焊后只需回火处理，回火温度不得高于母材调质的回火温度。但得注意，焊后不能立即进行回火处理，而是焊后缓冷到100-150度，保温0.5-2小时，随后立即回火。这是因为在焊接过程中奥氏体可能尚未完全转变，如果焊后立即回火，会沿奥氏体晶界沉淀碳化物，并发生奥氏体向珠光体转变，这样的组织很脆。但又不能等到完全冷却到室温后再进行回火，因可能产生延迟裂纹。

如果使用奥氏体钢焊接材料时，预热温度可降低150-200度或不预热，焊后也可不热处理。

四、铁素体耐热钢的焊接

1、成分与性能 铁素体耐热钢属于高合金钢，钢中加入了较多的铁素体形成元素，如铬、硅或铝等（其中W（CR）一般在13-30%范围），使钢推动在高温下转变为奥氏体的可能性，从高温冷却下来，组织仍然是铁素体。钢中的铬、铝或硅可在钢表面生成三氧化二铬、三氧化二铝或二氧化硅等致密的氧化膜面具有很好的抗氧化能力，故具有良好的耐腐性和耐热性。常用于高温下要求抗氧化或耐气体介质腐蚀的场合。

含铬量较高的铁素体钢存在475度和σ相析出而产生脆性，当存在这类脆性时，只需把钢分别加热到550或800以上，然后快冷即可消除。此外，这类钢缺口敏感性和脆性转变温度较高，钢在加热后对晶间腐蚀也较敏感。由于是单相的铁素体组织，不存在淬硬问题，但高温停留时间长，引起晶粒长大。

3、    焊接性 铁素体耐热钢大部分是W（CR）大于17%的高铬钢及部分CR13型钢。这类钢焊接时不发生α—γ相变，无硬化倾向，但在熔合线附近的晶粒会急剧长大使焊接接着脆化。铬含量越高，在高温停留时间越长，则脆化越严重，且不能通过热处理使其晶粒细化，在焊接刚性结构时容易引起裂纹。在焊接缓冷时，这类钢易出现475度脆性和σ相析出脆化而使焊接接头韧性恶化。改善铁素体耐热钢焊接性的最新方法是提高钢的纯度，并加入NB和TI元素来控制间隙元素（C、N）的有害作用。这种钢焊后即使不热处理仍或获得塑性和韧性良好的焊接接头。

4、    焊接工艺

1）    焊接方法 铁素体耐热钢对过热十分敏感，因此，宜于采用焊条电弧焊和TIG等焊接热输入较低的焊接方法。也可用MIG和埋弧焊。

2）    焊接材料 铁素体耐热钢焊接可以采用同质焊接材料，亦可采用异质焊接材料，前者的化学成分与母材的相近，后者主要是采用奥氏体钢型焊接材料，往往是在不允许进行预热或后热处理的场合，对于要求耐高温腐蚀和抗氧化的焊接接头，应优先选用同质焊接材料。

3）    焊接热输入 铁素体耐热钢焊接的突出问题是接头脆化，其原因之一是过热区晶粒长大。长大程度取决于接头所达到的最高温度及其停留时间，为了避免在高温下长时间停留而导致粗晶和σ相析出脆化，应采用尽可能低的热输入焊接。

4）    预热和焊后热处理 焊接铁素体耐热钢时，近缝区的晶粒急剧长大而脆化，而且高铬铁素体室温的韧性就很低，很容易在接头上产生裂纹。因此，在采用同质焊接材料焊接刚性较大的焊件时，应进行预热，但预热温度不宜过高，取既能防止过热脆化，又能防止裂纹的最佳预热温度。一般在150-230度之间较合适，母材含铬量越高、板越厚或拘束应力越大，预热温度须适应提高。

铁素体耐热钢多用于要求耐蚀性的焊接结构，为了使其接头组织均匀，提高塑性、韧性和耐蚀性，焊后一般需热处理。热处理应在750-850进行，热处理中应快速通过370-540区间；以防止475脆化，对于σ相脆化倾向大的钢种，应避免在550-820长期加热。用奥氏体焊接材料焊接时，可不预热和热处理。为了提高塑性对某些钢焊后也可以进行热处理。

5）    焊接工艺要点 铁素体耐热钢焊接过程既怕“热”又怕“冷”，为此必须用较低的预热温度；多层焊时要控制好层间温度，待前道焊缝冷却到预热温度后再焊下一道焊缝；焊条电弧焊时，应用小直径焊条，直线运条并短弧焊接，焊接电流宜小，焊接速度应快些。这些措施都是为了缩短焊缝及热影响区在高温停留时间，减少过热，以防止产生脆化和裂纹以及提高耐蚀性能。焊后焊接接头一旦出现了脆化，采取短时加热到600度后空冷，可以消除475度脆性；加热到930-950度后急冷，可以消除σ相脆性。

铁素体耐热钢室温韧性较低，焊接接头经受不起撞击，因此，必须注意吊运和储存。

五、奥氏体耐热钢的焊接

1、成分与性能 在18%铬铁素体型不锈钢中加入NI、MN、N等奥氏体形成元素，即获得金相为单一奥氏体组织的钢。若用于高温下工作，则称奥氏体耐热钢、高铬镍钢和高铬氮钢均属此类。在铬镍奥氏体钢中，以铬18镍8（即18-8型钢）为代表的系列主要用于耐腐蚀的条件下，以铬25镍20（即25-20型钢）为代表的系列，主要作为氧化钢使用。提高它们的碳含量则可作为热强钢使用。

高铬锰氮钢是以锰或锰和氮代替部分镍而获得的奥氏体不锈钢，属节镍型钢种。可以代表18-8型奥氏体钢使用，其耐蚀性和抗氧化性略低，冷作硬化倾向较大。

奥氏体耐热钢不仅具有优良的耐蚀性及抗氧化性，而且具有最佳的塑性、韧性和良好的加工成形性能，其焊接性能也比其他类型耐热钢好。通常是在固溶状态下使用。

2、焊接性 奥氏体耐热钢属于奥氏体不锈钢系列。因此，奥氏体不锈钢焊接时可能出现的热裂纹问题、接头各种形式的腐蚀问题，以及475度脆性和σ相析出脆化问题，在奥氏体耐热钢焊接时，也同样可能出现。由于奥氏体耐热钢长期工作于高温，对焊接接头具有更高的抗氧化性和热强性的要求。因此，必须注意严格控制焊缝金属中铁素体含量的问题，它关系到焊接接头的抗热裂性、σ相脆化和热强性问题。纯奥氏体组织比较容易产生热裂纹。从抗热裂性出发，要求奥氏体的焊缝金属中含有一定量的铁素体是有利的。因为这些铁素体打乱了奥氏体结晶的枝晶方向，细化晶粒，阻碍杂质的聚集，可以防止热裂纹的产生。此外，铁素体相的存在，能克服晶间贫铬，也有利于耐晶间腐蚀。但是，从防止δ相脆化和提高热强性考虑，则希望铁素体的含量愈少愈好，因为铁素体相存在，有利于δ相析出。铁素体越多，δ相析出的机会越多，脆化也就越明显；加热温度越高和加热时间越长，脆化越严重。经综合考虑后认为在高温下长期工件的奥氏体焊缝金属内应控制铁素体的体积分数在2-5%较为适宜。

3、焊接工艺

1）焊接方法 奥氏体耐热钢与马氏体、铁素体耐热钢相比，具有较好 的焊接性，用于碳钢和一般结构钢的各种焊接方法原则上都适用于奥氏体耐热钢的焊接。但在焊接材料选用、工艺参数选择以及焊后处理等方面，必须注意这类钢的基本特点，如低的热导率、高的电阻率和热膨胀系数，钢中含有大量易氧化的合金元素，对过热敏感等。

A焊条电弧焊 因不需专门设备和灵活方便。在生产中应用仍然广泛，但焊接质量和生产率仍比气体保护焊差。其主要缺点是焊后清渣要求高，换焊条时接缝处反复受热。对腐蚀性不利，焊接工艺参数波动大，合金过渡系数较小等。

B氩弧焊 无论是TIG还是MIG焊都具有很好的保护效果，合金过渡系数高，焊缝成分均匀且稳定；热量集中，氩气对工件有冷却作用，热影响较小，对提高接头力学性能有利。焊接时，接缝背面需要充氩保护，以保证背面成形良好和防止氧化。

C二保焊 二保焊可焊接奥氏体耐热钢，它的增碳对奥氏体焊缝的热强性有利。但要注意二保焊的氧化性，会烧损钢中的有益元素，而降低耐蚀性。

D埋弧焊 是深熔高熔敷率的焊接方法，具有较高经济性，可焊接5以上的奥氏体耐热钢。注意埋弧焊的热输入较大，冷却速度和凝固速度较慢，对奥氏体耐热钢有不利影响；由于溶深大，母材对焊缝金属的稀释，影响到焊缝金属组织中铁素体含量的控制。

2）焊接材料 奥氏体耐热钢焊接材料选择原则是在不致产生焊接裂纹的前提下，保证焊缝金属具有与母材基本相同的热强性。这就要求其合金成分大致与母材相匹配。此外，要考虑焊缝金属内铁素体体积分数的控制，一般不应超过5%，在焊接W（CR）和W（NI）均大于20%的高镍铬耐热钢时，为了获得抗裂性能高的纯奥氏体组织，可以选用W（MN）6-8%的焊接材料。

3）焊后热处理 奥氏体耐热钢焊前不需预热，焊后视需要可进行强制冷却，以减少在高温的停留时间。对已经产生475度脆性和σ相脆化的焊接接头，可用热处理方法清除；短时间加热到600度以上空冷可消除475度脆性；加热到930-980度急冷可消除σ相脆化。如果为了提高结构尺寸稳定性，降低残余应力峰值，可进行低温（小于500）的热处理。

4）焊接工艺要点 奥氏体钢的热导率低而线膨胀系数大，在自由状态下焊后易产生焊接变形，为此，应选用焊接能量集中的焊接方法，快速进行焊接，氩弧焊应是首选的焊接方法。薄板结构宜用夹具在夹紧状态下焊接，厚板焊接采用尽可能小的焊缝截面的坡口形式，如夹角小于60的V型坡口或U型坡口。

奥氏体钢电阻率较大，焊条电弧时为了避免焊条在焊接过程中发红，药皮开裂脱落，奥氏体焊条的长度要比结构钢焊条短。奥氏体钢热导率低，在同样大小焊接电流条件下，可获得比普通低合金钢更大的熔深，同时也易使焊接接头过热。为了防止焊接电流要选得小些。一般比焊接低碳钢低20%左右。

奥氏体钢母材和焊材中都含有与氯亲和力大的合金元素，如TI、CR等，为防止和减小焊接时的烧损，必须尽可能用短弧，不作横向摆动的焊接操作工艺。

奥氏体钢对过热敏感，尽量用小的焊接热输入焊接。还液压避免同一部位多次重复加热或高温停留时间长。为此，多层焊时，每层焊缝的交接处应错开；尽可能每层施焊方向与前一层相反，并待前层焊缝冷至40-50度后再焊下一层，避免层间温度过高，必要时可以用喷水或压缩空气吹的办法强制快冷。

为了获得优质焊接接头，除了正确选择焊接材料和工艺参数外，还必须焊前对焊接材料表面和焊接区进行清理，不应在表面上有任何油脂、污渍、油漆和其他杂质，这些有机物在电弧高温下分解成气体而引起焊缝金属的气孔和增碳。

第五章    不锈钢的焊接

一、    概述

1、    不锈钢中的合金元素

不锈钢的共同特点是W（CR）一般都在12%以上。铬是钢能而蚀的关键元素，随着铬的增加，钢的化学稳定性也提高。在大气中或等氧化性酸中大约W（CR）》12%，即可形成很稳定的钝化状态。但对于盐酸、硫酸等非氧化性酸、盐类水溶液及亚硫酸等还原性酸，由于没有氧化作用，所以很容易被侵蚀。在这种腐蚀环境下，除铬外，还加入NI、MO、CU等使腐蚀速度减慢的合金元素，以提高其耐蚀性能。此外，为了提高钢的纯净度、改变其组织、增加其强度和改善其工艺性能等还加入其他合金元素。

2、    不锈钢的分类及其特点

不锈钢种类繁多，分类方法各异。按成分分有以铬为主和以铬镍为主两大类，即铬系不锈钢和铬镍系不锈钢。前者W（CR）=12-30%之间，其基本类型为CR113钢，后者W（CR）=12-30%，W（NI）=6-12%和少量其他元素，其基本类型为CR18NI9钢。以这两种类型为基础发展出一系列的不锈钢，并且有良好性能和工艺性能的钢种。

按不锈钢使用状态的金相组织分有铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体+奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类，前两类基本属于CR系不锈钢，后三者是属于铬镍系不锈钢。它们的特点简述如下：

1）    铁素体型不锈钢 这类钢W（CR）在13-30%范围内，不含镍，有些加入铁素体稳定化元素，如AI、NB、MO和TI等。无相变，故不能通过热处理方法强化，存在加热时晶粒长大的不可逆性。高铬（W（CR）=17-30%）铁素体型不锈钢存在475度和δ相析出而生产的脆性。钢的缺口敏感性和脆性转变温度较高，在加热后对晶间腐蚀也较敏感。低铬铁素体不锈钢在弱腐蚀介质中，如淡水中，有良好的耐蚀性；高铬铁素体有良好的抗高温氧化能力，在氧化性酸溶液，如溶液中，有良好的耐蚀性，故其在和化肥工业中广泛使用。

2）    马氏体型不锈钢 这类钢W（CR）》13%，含碳量较高在0.10-0.4%之间，具有同素异构转变，可采用热处理方法强化。其淬透性较高，含碳高的钢在空气中冷却也能得到马氏体。钢在淬-回火状态下使用，有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用于制造在弱腐蚀性介质（如海水、淡水、水蒸汽等）中，其使用温度小于或等于580度，且受力较大的零件和工具。灾厄钢焊接性能不好，一般不用作焊接件。但是，经过复杂合金化的12%铬型马氏体钢具有很高的热强性、不仅中温瞬时强度高，而且中温持久性能及抗蠕变性能也相当优越，耐应力腐蚀及冷热抗疲劳性能良好，很适于在550-600度以下及湿热条件下工作的承力件和焊接构件。

3）    奥氏体不锈钢 这类钢在不锈钢中应用最广（约占70%），它是在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。根据主加元素铬、镍含量，可分以下几种类型：A、18-8型钢 它是应用最多的奥氏体不锈钢。这类钢由于含镍量较低，常温时所形成的奥氏体不稳定，因而冷作硬化倾向较大。B 18-12型钢 一般这类钢中W（MO）=2-3%，在各酸中，尤其是在还原酸中能提高其耐性，故一般作为耐酸钢使用。为进一步提高在还原酸中的耐性，还可加入W（CU）=2-0.5%。由于钼是缩小γ相区的元素，为了固溶处理后能得到单一的奥氏体组织需将W（NI）提高到12%左右。钼有显示细化晶粒的作用，能提高抗热裂能力并改善综合力学性能的耐热性能。C 25-20型钢 这类钢的铬、镍含量都很高，具有很好的高温抗氧化性、组织稳定性和耐热性，可以作为高温（达1050度）腐蚀条件下工作的热稳定钢使用。钢中一般W（SI）=2%左右，以提高高温抗氧化性能和改善铸造性能。由于含镍量高奥氏体稳定性大。但焊接热裂纹倾向也较大，也和高铬铁素体钢一样，具有高温下8相析出而脆化的倾向。由上可见，铬镍不锈钢可作为低温或超低温钢、耐蚀钢、耐酸钢、热强钢（小于700-800度）及热稳定钢（小于1050度）使用。D 铬锰低镍型 为了节省贵重元素镍，在CR18NI9钢的基础上加入稳定奥氏体的元素锰或锰和氮代替部分镍而获得的不锈钢，如1CR18MN8NI5N钢。这类钢也具有良好的塑性、韧性和工艺成形性能，强度较高，焊接性良好，可以代替部分18-8型奥氏体不锈钢使用，但耐蚀性和抗氧化性略低，冷作硬化倾向较大。奥氏体型不锈钢的MS点降到室温以下，从室温到熔点基本上是无相变的奥氏体组织，因此，也和铁素体钢一样，无淬硬性，但无磁性。其屈服点较低，只能通过冷作硬化来提高强度。此外这类钢具有晶间腐蚀倾向。钢中添加钛和铌，可使碳化物稳定，提高钢的耐晶间腐蚀能力。降低钢的含碳量也有相同的效果。如W（C）=0.02-0.03%的超低碳奥氏体不锈钢，不仅没有晶间腐蚀，而且不会产生含钛、铌不锈钢焊后常出现的刀状腐蚀。钢中添加W（MO）=2-3%的钼，可提高钢的钝化范围，使之在硫酸、尿素、磷酸以及含氯离子介质中也能有较好的耐蚀性、并降低钢的日间腐蚀货币，提高耐点蚀能力。

4）    铁素体—奥氏体型不锈钢 这类钢是在18-8型奥氏体不锈钢的基础上，添加更多的铬、钼、硅等有利于形成铁素体的元素。或降低钢的含碳量而获得。钢中铁素体的体积分数为60-40%，而奥氏体的体积分数为40-60%，故又称双相不锈钢。不能淬硬，有磁性，其屈服点为奥氏体型不锈钢的两倍，焊接性能良好，韧性较高，应力腐蚀、晶间腐蚀及焊接时的热裂倾向均小于奥氏体型不锈钢，缺点是在550-900度范围内使用或保温有铁素体相脆化倾向。多用于在一定温度范围下工作的焊接件，特别适用于各种工业用的热交换器，能解决化工和石油中许多严重的腐蚀问题。

5）    沉淀硬化（PH）不锈钢 这是一类经过时效强化处理以形成析出硬化相的高强度不锈钢。最典型的有马氏体沉淀硬化钢，如0CR17NI4CU4NB（简称17-4PH）；半奥氏体（奥氏体+马氏体）沉淀硬化钢如0CR17NI7AI（17-7PH）。这类钢的优点是经沉淀硬化处理后具有高的强度，耐蚀性优于铁素体型不锈钢，而略低于奥氏体型不锈钢。

3、    不锈钢的耐蚀性能

金属受介质的化学及电化学作用而三十的现象称腐蚀。不锈钢在一定条件下也可能产生腐蚀，其腐蚀形式可归纳为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类，对焊接接头危害较大的是局部腐蚀。

1）    均匀腐蚀 又叫总体腐蚀，是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象，对于像等氧化性酸，不锈钢表面能形成富裕铬氧化膜，它阻止金属的离子化而产生钝化作用，故不易产生均匀腐蚀。而对于像硫酸等还原酸，只含铬的马氏体钢和铁素体钢则不耐腐蚀；含有镍的奥氏体不锈钢则有良好的耐蚀性。但是如果在含氯离子的介质中，铬镍奥氏体钢也容易发生钝化膜破坏，而被腐蚀。若钢中含有钼，则在各种酸中均有改善耐蚀性的作用。

2）    点蚀和缝隙腐蚀 点蚀是指金属表面产生小孔或小坑的腐蚀，其直径一般等于或小于深度；缝隙腐蚀是在金属结构的各种缝隙处产生的腐蚀，两者形成的条件不同，但产生腐蚀的机理是一样的，都是在腐蚀区产生“闭塞电池腐蚀”作用所致。点蚀主要是不锈钢在含有氯离子的溶液中，其表面钝化膜由于某种原因发生局部破坏，在破坏点形成腐蚀电池而发生的腐蚀。组织缺陷、各种表面机械操作以及焊接的各种表面缺陷等，都会加速点蚀的产生，增加材料的均匀性、晶界析出物以及提高钝化膜的稳定性都能提高耐点蚀能力。降低碳含量，增加铬和钼以及镍的含量有利改善耐点蚀性能。在氯离子环境中由于有缝隙存在，在该处溶液流动发生迟滞，介质扩散受到，出现介质成分和浓度与整体有很大差别，形成了闭塞电池而产生缝隙腐蚀。由于点蚀和缝隙腐蚀具有共同性质，因此，耐点蚀的钢也都有耐缝隙腐蚀的性能。改善运行条件，改变介质万分和结构设计形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。

3）    晶间腐蚀 是指介质从金属表面沿晶界向内部扩展，造成沿晶的腐蚀破坏。这种腐蚀具有隐蔽性，危害极大，其根源在于金属受热后晶界的物理化学状态发生变化，晶粒晶界之间构成了腐蚀电池。晶间腐蚀常见于奥氏体不锈钢，该钢对晶间腐蚀的敏感程度与其成分、加热温度和时间有关。18-8型奥氏体不锈钢在450-850度加热后晶间腐蚀最为敏感，通常把这一温度区间称敏化温度区间，在这区间加热的过程称敏化过程。敏感温度随钢的含碳量而改变，碳愈高出现日间腐蚀的温度上限愈高，反之则愈低。防止晶间腐蚀的主要措施，首先是昼降低碳含量，或添加强碳化物形成元素钛或铌；其次调整金属相比例，使之含有体积分数为5%左右的一次铁素体，以消除单一组织形成的腐蚀通道。高铬铁素体不锈钢也会发生晶间腐蚀。将这种钢加热到925度以上急冷后就有晶间腐蚀倾向，但经650-815度短时加热便可消除。铁素体不锈钢发生晶间腐蚀的主要原因，仍然是贫铬现象。除C以外，N也是有害元素，二者在铁素体中的溶解度都比在奥氏体中低，加上铬的扩散速度在铁素体中也比在奥氏体中高得多，所以即使由高温快速冷却，也不能避免铬的碳化物或氮化物沿晶间析出。只有当碳和氮总质量分数降低到0.01%以下时，才能避免晶间腐蚀。

4）    应力腐蚀 又称应力腐蚀开裂，简称SCC，它是在拉应力与腐蚀介质共同作用下引起的破裂。这种破裂往往是在远低于材料屈服点的低应力下和在即使很微弱的腐蚀环境中以裂纹形式出现，这种裂纹一旦形成，常以很快速度向前扩展，事先无明显征兆，故危险性很大。产生应力腐蚀有三个主要条件：即特定成分及组织的金属，特定的环境和足够的拉应力。纯金属一般不产生应力腐蚀，应力腐蚀发生在合金中。在晶界上的合金元素偏析是引起晶间型开裂的应力腐蚀重要原因。不锈钢的应力腐蚀大部分是由氯引起，高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。

二、奥氏体不锈钢的焊接

奥氏体不锈钢一般是固溶处理状态交货。固溶处理使奥氏体不锈钢再结晶和软化，并使铬的碳化物固溶到奥氏体中，获得稳定的奥氏体，以改善其耐蚀性能。

1、    焊接性

奥氏体不锈钢比其他不锈钢容易焊接。在任何温度下都不会发生相变，对氢脆不敏感，在焊太下奥氏体不锈钢接头也有较好的塑性和韧性。焊接的主要问题是：焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀等。此外，因导热性差，线胀系数大，焊接应力和变形较大。

1）    焊接热裂纹 奥氏体不锈钢较一般结构钢易产生焊接热裂纹，其中以焊缝的结晶裂纹为主，个别钢种在近缝区或多层焊层间也可能产生液化裂纹，焊缝的金相组织、化学成分和焊接应力是导致奥氏体不锈钢焊接接头产生裂纹的主要因素。分述如下：A 焊缝金相组织的影响 奥氏体不锈钢对热裂的敏感性主要取决于焊缝的金相组织。实践表明，与奥氏体内有少量铁素体的焊缝组织相比，单相奥氏体焊缝组织对热裂纹更为敏感。

B焊缝化学成分的影响 不锈钢中可能遇到的合金元素在单相奥氏体焊缝和双相焊缝中对结晶裂纹倾向的影响不完全相同。

C焊接应力的影响 焊接应力是引起裂纹的力学因素，奥氏体钢的热导率小，而线胀系数大，在焊接热循环的作用下，焊缝在凝固过程就形成较大的焊接内应力，为热裂纹的产生创造了力学条件。

D焊接工艺的影响 钢的合金成分一定的条件下，焊接工艺对产生热裂纹也有一定影响。为了避免焊缝枝晶粗大和过热区晶粒粗化，以致增大偏析，应尽量采用小的焊接热输入，而且不应预热，并降低层间温度。为发减小热输入，不应过分增大焊接速度，而应适应降低焊接电流。因为过高焊接速度，必须加快高温冷却速率，使焊缝凝固过程承受大的收缩应变。降低焊接电流可减少熔深，裂变裂纹倾向小。合理的接头坡口设计、减少接头的拘束度和合理地安排焊接顺序，以减小焊接应力，都可以防止焊接热裂纹。焊接起弧和收弧处容易产生裂纹，有条件的应在焊缝两端加引弧板和收弧板。若不能采用收弧板，最好用衰减电流收弧，并填满弧坑。

2）    晶间腐蚀和应力腐蚀

A 晶间腐蚀 焊接奥氏体不锈钢在接头上有研修部位可能发生晶间腐蚀，将在那一个部位发生晶间腐蚀，则取决于母材和焊缝的成分。普通的18-8型钢在多层焊的前层焊缝热影响区达到敏化温度的区域，在晶界上容易析出铬的碳化物，形成贫铬的晶粒边界。若该区恰好露在焊缝表面并与腐蚀介质接触，则会发生晶间腐蚀。防止焊缝区的这种晶间腐蚀的方法是：通过焊接材料使焊缝金属成为超低碳的奥氏体；选用含有TI或NB等稳定化学元素的奥氏体焊接材料。热影响区敏化区的晶间腐蚀 焊接热影响区敏化区的温度略高于敏化热处理温度区，在600-1000度范围。产生晶间腐蚀的原因仍然是该区奥氏体晶粒边界析出铬碳化物造成贫铬层所造成。防止热影响区晶间腐蚀的关键在于母材的选择。普通18-8型钢才会有敏化区存在，对于含TI、NB的18-8TI或18-8NB型钢，以及超低碳18-8型钢，不易有敏化区出现。在焊接工艺上应采取较低的焊接热输入，快速冷却以减少处于敏化加热的时间。熔合区的晶间腐蚀（刀蚀） 这种腐蚀的特点是沿焊接熔合线走向似刀削切口状向内腐蚀，故称刀状腐蚀，简称刀蚀。腐蚀区宽度初期只有3-5个晶粒，逐步扩展到1-1.5毫米左右。这种腐蚀只发生在含有TI或NB的18-8TI和18-8NB钢的熔合区上，其实质也是因在晶界有M23C6沉淀而形成贫铬层握所致。

B 应力腐蚀开裂 奥氏体不锈钢焊接接头对应力腐蚀更为敏感。因为钢的热导率小，线胀系数大，焊后存在较大的焊接残余应力，为应力腐蚀开裂创造了必要条件；此外，由于焊接热过程导致接头碳化物析出敏化，促进了应力腐蚀的发生。预防应力腐蚀开裂的措施有：减小或消除残余应力最有效的方法是退火处理。对18-8钢退火温度为850-900度，对含钼奥氏体不锈钢为950-1000度；选用抗应力腐蚀性能好的母材或焊接材料，可以是选择含NI量高的母材及其焊接材料；表面处理 应力腐蚀裂纹总是从接触敏感介质一侧的表面开始，逐渐向内部扩展。改变焊件表面状态可以提高其耐蚀性能。对敏感侧表面进行喷丸处理，使其产生残余压应力。利用锤击该表面，也有相同效果；对表面进行抛光、电镀或喷涂也能提高其耐蚀性能。

3）焊接接头脆化 对于在低温或高温下工作的奥氏体不锈钢，焊接时，要防止焊接接头发生脆化。

A 低温脆化 焊缝的化学成分和组织状态对低温韧性影响很大，在18-8双相组织焊缝中，铁素体形成元素均可提高焊缝强度，但却降低了塑性和韧性，其中钛、铌最为明显。因此，为了满足低温韧性的要求，最好不采用双相组织的焊缝，而使用能形成单一焊缝组织的焊接材料。

B 高温脆化高温下进行短进拉伸或持久强度试验表明，当奥氏时缝中含有较多铁素体形成元素或较多的铁素体时，都会发生显著脆化现象。这主要是由于焊缝中的铁素体高温下发生析出而脆化。为了保证焊缝有必要的塑性和韧性，长期工作在高温的焊缝中所含的铁素体的体积分数应小于5%。当焊件已出现铁素体相，可加热到1050-1100度保温1小时后水淬，这样可使绝大部分铁素体相重新溶入奥氏体中，即可恢复原性能。

三、焊接工艺要点

1、热输入 焊接奥氏体不锈钢不能用大焊接热输入，一般焊接所需的热输入比碳钢低20-30%，过高焊接热输入会造成焊缝开裂，降低抗，变形严重的接着力学性能改变。采用小电流/低电压和窄焊道快速焊可使热输入减小，采用必要的急冷措施可以防止接头过热的不利影响。

2、焊缝污染 彻底清理每道焊缝

3、焊条电弧焊 层间温度控制在60度以下，焊缝接头相互错开。

三、铁素体不锈钢的焊接

1、化学成分与力学性能 铁素体不锈钢分普通铁素体和高纯铁素体钢两大类，普通铁素不锈钢成本低、耐饼性好，特别耐应力腐蚀性优越，但塑性较差。高纯铁素体不锈钢因C、N总含量降得很低，故其塑性和韧性显著提高，并能有效地防止晶间腐蚀。铁素体不锈钢都存在着475度脆性和析出脆化倾向，因此，只能用作300度以下的耐蚀钢和抗氧化钢，在氧化性的酸类及大部分有机酸和有机酸盐的水溶液中具有良好的耐酸性。

2、焊接性

1）普通铁素体不锈钢的焊接特点 普通铁素体不锈钢焊接的主要问题有冷裂纹倾向和焊接接头的脆化。

A 冷裂倾向 焊接W（CR）》16%的铁素不锈钢时，近缝区晶粒急剧长大而引起脆化，同时常温韧性较低，如果接头刚性较大时，很容易在接头上产生冷裂纹。在使用铬钢焊接材料时，为了防止过热脆化和产生裂纹，常采用低温预热以使接头处于富裕韧性状态下进行焊接。

B 焊接接头的脆化  这类钢的晶粒在900度以上极易粗化；加热到475度附近或自高温缓冷至475度附近附近，在550-820度温度区间停留均使接着的塑性、韧性降低而脆化。接头上一旦出现晶粒粗化就难以消除，因热处理无法细化铁素体晶粒，因此，焊接时尽量采取小的热输入和较快的冷却速度，多层焊时严格控制层间温度，避免过热。若已在接着上产生和475度脆化，可通过热处理方法消除。

2、高纯铁素不锈钢的焊接特点

高纯铁素不锈钢比普通铁素体不锈钢容易焊接，因为前者含C、N很低，比后者具有良好的抗裂性能和耐蚀性能，并且不再存在室温脆性问题。但要注意以下几点：

A防止焊缝隙金属被污染 在焊接过程中必须防止带入C、N、O等杂质。最好采用带背面保护的TIG焊或双层气流保护焊，并用高纯度氩气，以同纯焊缝金属。有条件宜尾气保护，对多层焊尤其需要。

B 正确选择焊接材料 最好选用含有TI、NB稳定化元素的高纯铁素体不锈钢焊接材料，以防止多层多道焊时产生敏化以及焊缝金属吸收焊接气氛中的C、N后造成晶间腐蚀。

C 控制焊缝中NI、CU和MO的含量  退火状态的高纯铁素体不锈钢在含气离子介质中一般不产生应力腐蚀，但是当钢或焊缝金属中NI、CU和MO含量超过临界值，会出现应力腐蚀倾向。高纯铁素体不锈钢也存在475度脆性，且与杂质含量无关，故焊接时，也应采取小焊接热输入，窄焊道并控制层间温度等措施。

3、焊接工艺

1）焊接方法和焊接材料

铁素体不锈钢通常采用焊条电弧焊、TIG焊和MIG焊。普通铁素体钢有时也用埋弧焊，对耐蚀和韧性要求高的高纯铁素体钢不推荐埋弧焊，以防止过热和C、N的污染。所用的焊接材料有两类；同质的铁素体型和异质的奥氏体型。同质铁素体型焊接材料优点是焊缝颜色与母材相同，线胀系数和耐蚀性大体相似。但同质焊缝的抗裂性能不高。当要求具有高抗裂性能，而且不能进行预热和焊后热处理的情况下，可采用异质的奥氏体型焊接材料。但要注意：焊接材料应是低碳的；焊后不可退火处理，因铁素体钢退火温度（80-850）正好在奥氏体钢敏化温度区间，易引起晶间腐蚀和脆化；奥氏体钢焊缝的颜色和性能和线材不同。

2）    热输入

由于铁素体不锈钢具有强烈的晶粒长大倾向和易于在焊接过程中析出有害的中间相，因此，应尽量采用小的热输入，和窄焊道进行焊接，并采取适当措施，提高焊缝的冷却速度以控制接头的过热。

3）    与焊后热处理

普通铁素体不锈钢有冷裂倾向，其脆性转变温度常在室温以上，韧性低，为了防止冷裂纹，焊前预热是必要的。但这种钢对过热敏感。预热温度不能高，只能低温预热。最好控制在150度以下，层间温度也应控制在相应水平，否则晶粒长大和可能性产生475度脆性。

采用同质焊接材料焊接后应进行热处理，热处理目的在于使接头的组织均匀化，提高其塑性和耐蚀性，同时也能消除焊接应力。热处理温度应低于使晶粒粗化或形成奥氏体的亚临界温度下进行。必须避免在370-570度之间缓冷，以免产生475度脆性。已产生475度脆性和8相脆化的焊接接头，可短时加热到600度以上空冷消除475度脆性；加热到930-980度急冷消除8相脆化。采用奥氏体钢焊接材料时，不必预热和焊后热处理。

四、马氏体不锈钢的焊接

1、化学成分与力学性能

马氏体不锈钢的W（CR）一般在12-18%范围内，W（CR）超过15%时，需加入一定量的镍或适当提高含碳量以平衡组织。这类钢加热到高温时组织为奥氏体，冷却到室温时，转变为马氏体，故可以热处理强化。一般是在淬火—回火（调质）状态下使用。马氏体不锈钢有下列类型：

A 普通CR13型。这类钢经高温加热后空冷即可淬硬，淬火后的强度、硬度随含碳量增加而提高，但耐蚀性及塑性、韧性却随之降低。前两种钢主要用于在中温腐蚀介质中工作并要求中等强度的结构件，后两种钢主要用于要求高强度、高耐磨性具有一定耐蚀性能要求的零件。

B 热强马氏体钢  是以CR12为基经过复杂合金化的马氏体钢，如2CR12WMOV、2CR12MOV、2CR12NI3MOV等。同样，高温加热后空冷也可淬硬。这类钢不仅中温瞬时强度高，而且中温持久性能及蠕变性能也相当优越，而应力腐蚀及冷热疲劳性能良好。很适合于在500-600度以下及湿热条件下工作的承力件、复杂的模锻件及焊接件。这类钢在添加MO、W、V的同时，常再将碳提高一些，因此，其淬硬倾向更大，一般均经调质处理。

C 超低碳复相马氏体钢 这是一种新型马氏体高强钢，很有发展前途。其特点是W（C）降到0.05%以下，并添加镍，此外，还可能加入少量MO、TI或SI等。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。也可在淬火状态下使用，因低碳马氏体组织并无硬脆性。这类钢适用于筒体、压力窗口及低温制件等。

2、焊接性

马氏体不锈钢的焊接性和调质的中低合金钢相似，焊接的主要问题是冷裂纹问题。

无论马氏体不锈钢以何种状态供货，焊后接头总会形成淬硬的马氏体组织。当焊接接头刚度大或含氢量高时，在焊接应力作用下，特别当从高温直接冷至120-100度以下时，很容易产生冷裂纹，含碳量越高，焊缝及热影响区硬度就越高，对冷裂纹就越敏感。

防止淬硬造成冷裂纹的最有效方法是预热和控制层间温度；为了获得最佳的使用性能和防止延迟裂纹，焊后要求热处理。

此外，要防止铁素体的产生。含碳量较高的马氏体不锈钢如2CR13、3CR13等，经加热冷却后都可以形成完全马氏体组织。但是，对含奥氏体形成元素碳和镍较少或者含铁素体形成元素铬、钼、钨或钒较多的马氏体钢，如1CR13、1CR17NI2等，其铁素体稳定性偏高，加热到高温后铁素体不能全部转变为奥氏体，淬火后除了得到马氏体外，还要产生一部分铁素体。在粗大铸态焊缝组织及过热区中的铁素体，往往分布在粗大的马氏体晶间，严重时可呈网状分布。这使接着对冷裂更加敏感，高温力学性能恶化。

含铁素体形成元素较高的马氏体不锈钢具有较大的晶粒长大倾向。如果焊接时搜索或冷却速度小时近缝区会出现粗大的铁素体和晶界碳化物，降低焊接接头塑性。

2、    焊接工艺

1）    焊接方法和焊接材料 马氏体不锈钢可采用各种电弧焊方法焊接。

焊条电弧焊：最为常用的方法，一般采用与母材同质的低氢型焊条，焊条在焊前须经过高达350-400度烘干。这类焊缝焊后一定要进行热处理，如果焊后不能进行热处理，则可选用铬镍奥氏体焊条。此时，相当于异种钢焊接，可运用焊缝组织图去合理选择焊条的奥氏体钢类型。并严格控制母材对焊缝的稀释。这类焊缝抗裂性能好。

2）    预热与层间温度 焊接马氏体不锈钢，尤其在使用与母材同质的焊接材料时，为防止冷裂纹，焊前需预热，预热温度通常在200-400度范围，含碳量越高，焊件百度越大，预热温度也越高，但最好不要高于MS点。多层焊时层间温度应保证不低于预热温度，以防止在熔敷后续焊缝前就发生冷裂纹。、

3）    焊后热处理 为了降低焊缝和热影响区硬度，改善其塑性和韧性，以及减少焊接残余应力，焊后应进行整体或局部高温回火（730-790度）热处理。对于某些多元合金的马氏体不锈钢，既不容许焊后沿处高温时立即回火，也不允许冷却至室温再回火，而应冷却到150-200保温2小时，使奥氏体大部分转变成马氏体，然后及时地进行高温回火热处理。

4）    焊接工艺要点：凡是能用于调质状态的低合金高强度钢的焊接工艺，原则上均适用于马氏体不锈钢。焊接时，所用的焊接热输入应大些，以利于减少冷裂纹倾向，但热输入的增加以不使晶粒粗化为限度。

五、铁素体—奥氏体不锈钢的焊接

铁素体—奥氏体不锈钢是由铁素体和奥氏体两相组成的双相不锈钢。它兼备了奥氏体钢和铁素体钢的优点，故具有强度高、耐腐蚀性好和易于焊接的特点。目前主要有CR18、CR21、CR25三种类型的双相不锈钢。这类钢焊接的主要特点是：与奥氏体不锈钢比具有较低的热倾向；与纯铁素体不锈钢比焊后具有较低的脆化倾向，而且焊接热影响区铁素体粗化程度也较低，故焊接性较好。

但是，双相不锈钢的相比例不仅与万分有关，而且与加热温度也有关，在焊接热循环作用下会发生明显的相比例变化，当加热温度足够高时，就会发生转变，使铁素体增多，而奥氏体减少。甚至可能完全变成纯铁素体组织，从而失去双相组织所具有的特性，使接头的力学性能和耐蚀性能下降。为此，须控制母材和焊接材料的成分（可通过舍夫勒的不锈钢组织图估计）和焊接工艺参数，使接着能形成足够数量的奥氏体相，以保证接头所需的力学性能和耐蚀性能。

由于这类钢焊接性能良好，焊时可不预热和后热。薄板宜用TIG焊，中厚板可用焊条电弧焊，焊条电弧焊时宜选用万分与母材相近的专用焊条或含碳量低的奥氏体焊条。对于CR25型双相钢也可选用镍基合金焊条。

双相钢中因有较大比例铁素体存在，而铁素体钢所固有的脆化倾向，如475度脆性、8相析出脆化和晶粒粗大，依然存在，只因有奥氏体的平衡作用而获得一定缓解，焊接时，仍需注意。对无NI或低NI双相不锈钢焊接时，在热影响区有单相铁素体及晶粒粗化倾向，这时应注意控制焊接热输入，尽量用小电流、高焊速、窄道焊和多道焊，以防止热影响区晶粒粗化和单相铁素体化，层间温度不宜太高，最好冷后再焊下一道。

六、沉淀硬化不锈钢的焊接

沉淀硬化不锈钢是在各类不锈钢中加入一种或多种合金元素如CU、TI、NB和AI促使沉淀硬化。在固溶洞退火或奥氏体期间溶解这些元素，然后在增加基体的硬度和强度的时效热处理期间产生亚显微沉淀。根据从奥氏体化温度冷却所得到的组织和性能，沉淀硬化不锈钢分成：马氏体、半奥氏体和奥氏体三类。

这类钢强度高、韧性好，又有很好的耐蚀性能，一般限于在318度以下长期使用，短期使用的许多马氏体和半奥氏体沉淀硬化不锈钢在使用温度高达486度仍有较好的力学性能。

如果焊后的结构不能进行完整的热处理，则可以在焊前进行了固溶退火处理，然后在使用前进行时效处理。

1）    马氏体沉淀硬化不锈钢如0CR17NI4CU4NB。这类钢的化学成分能使固溶热处理后冷到室温均为马氏体组织。按韧性要求可选择低温回火（426-454度）或中温回火675度进行时效硬化处理。它们之间组织上有差别，中强类的组织不是纯马氏体，而是含有体积分数为10%铁素体。

这类钢的耐蚀性和普通奥氏体不锈钢相当，热处理后尺寸变化很小，价格较便宜。而且具有良好的焊接性能，焊接时既不需预热，也不需后热。焊接材料的选择取决于对焊缝性能的要求，若要求焊缝韧性好，可选用奥氏体不锈钢焊接材料，因没有时效强化作用，故得到非等强的接头；为了获得等强接头，应采用与母材成分相同的焊接材料，焊后按母材热处理制度进行低温回火时效硬化，将得到没有裂纹的等强接头。多层焊时，各层焊和热影响区的组织和性能有差别，须经退火可消除其差别。再回火时效硬化处理，即可得等强接头。

这类钢可用手弧焊和填丝或不填丝的TIG焊。在焊接工艺上和一般奥氏体不锈钢的基本相似。

2）    半奥氏体沉淀硬化不锈钢如1CR17NI7AI。这类钢的组织特点是在固溶或退火状态时具有奥氏体和铁素体组织，经过系列热处理或机械变形处理后奥氏体转变成马氏体，再通过时效析出硬化达到所需的高强度。

这类钢通常是在退火状态下焊接，韧性的奥氏体组织使这类钢具有奥氏体不锈钢相似的焊接特性，所以具有良好的焊接性能。经相变形成马氏体组织后焊接时，因是低碳的马氏体，韧性好而不会开裂，所以无论采用奥氏体型焊接材料或与母材成分相同的焊接材料焊接，焊缝和热影响区均不产生裂纹。只有当终止焊接的弧坑未填满时，可能会产生弧坑裂纹。所以可采用与奥氏体不锈钢的焊接工艺进行焊接。

当不要求等强度或等耐蚀性能的接头时，可以选用奥氏体型焊接材料焊接。

当采用焊缝与母材成分相同的焊接材料焊接时，由于焊接热循环的特点，将会引起焊接接头区铁素体含量增加，因为焊缝及近缝区加热温度远高于固溶温度，铁素体的相比例有所增加。此外，也引起焊缝及近缝区的MS点有所降低，为了控制焊缝中的的8铁素体，可适当调整焊接材料成分，如降低铬或提高镍。此外，焊接时应采用隋性气体保护以防焊丝中铝的氧化。为了达到接头与母材等性能，一般焊后须进行整体复合热处理；调整处理，746度加热3小时空冷；低温退火，930度加热1小时水淬；冰冷处理，在-73度保持3小时以上后自然升至常温；时效硬化处理。

3）奥氏体沉淀硬化不锈钢如17-10P钢系。这类钢的化学万分是铬、镍含量高，固溶后奥氏体极为稳定，经冷变形后仍为奥氏体组织。需高温回火（8-760度），析出的是金属化合物。可用于较高温度和极低温度的工作环境，在许多介质中具有18-8型号18-12-2MO型奥氏体不锈钢相似的耐蚀性能。