对于不锈钢来说,一定要了解其焊接性能,因为大部分不锈钢的零部件都需要焊接。不同类型的不锈钢,其焊接性能是不同的。即使其焊接性能较差,也要通过采取一定的工艺、技术措施来提高,进而达到并满足使用的要求,这是不锈钢焊接工作者的责任。表1-1中列出了对各种类型不锈钢可焊性的评价,供参考。
1. 奥氏体型不锈钢
以18%Cr-8%Ni钢为代表,一般具有良好的焊接性能,原则上不需要进行焊前预热和焊后热处理。但其中镍、钼含量高的高合金不锈钢进行焊接时易产生高温裂纹。另外还易发生σ-相脆化,在铁素体生成元素的作用下生成的铁素体引起低温脆化,以及耐蚀性下降和应力腐蚀裂纹等缺陷。奥氏体不锈钢焊接后,焊接接头的力学性能一般良好,但当在热影响区中的晶界上有铬的碳化物时会极易生成贫铬层,而贫铬层的出现将在使用过程中易产生晶间腐蚀。为避免问题的发生,应采用低碳(C≤0.03%)的牌号或添加钛、铌的牌号。为防止焊接金属的高温裂纹,通常认为控制奥氏体中的δ-铁素体肯定是有效的。一般提倡在室温下含5%以上的δ-铁素体。对于以耐蚀性为主要用途的钢,应选用低碳和稳定的钢种,并进行适当的焊后热处理;而以结构强度为主要用途的钢,不应进行焊接后热处理,以防止变形和由于析出碳化物和发生σ-相脆化。
2. 铁素体型不锈钢
以18%Cr钢为代表。在含碳量低的情况下有良好的焊接性能,焊接裂纹的敏感性也较低。但在由于被加热至900℃以上的焊接热影响区晶粒会显著地变粗大,使得在室温条件下延伸性和韧性有所降低,易发生低温裂纹。也就是说,铁素体型不锈钢有475℃脆化、700~800℃长时间加热下发生相脆性、夹杂物和晶粒粗化引起的脆化及低温脆化、碳化物析出引起耐蚀性下降以及高合金钢中易发生的延迟裂纹等问题。通常应在焊接时进行焊前预热和焊后热处理,并在具有良好韧性的温度范围进行焊接。
3. 马氏体型不锈钢
一般以13%Cr钢为代表。它进行焊接时,由于热影响区中被加热到相变点以上的温度区间会发生γ-α(M)相变,因此存在低温脆性、低温韧性恶化、伴随硬化产生的延伸性下降等问题。因而对于一般马氏体不锈钢焊接时需进行预热,但碳、氮含量低和使用奥氏体系焊接材料时可不需预热。焊接热影响区的组织通常又硬又脆,对于这个问题,可通过进行焊后热处理使其韧性和延展性得到恢复。另外碳、氮含量最低的牌号,在焊接状态下也有一定的韧性。
4. 双相不锈钢
双相不锈钢焊接的主要问题是“使用焊接性”,因为双相不锈钢对焊接热裂纹、冷裂纹不敏感。但经过焊接之后,热影响区(HAZ)紧邻熔合线的部分,铁素体晶粒急剧长大。奥氏体组织的消失,形成单相铁素体组织,塑性和韧性极低;再加上早期的双相不锈钢碳含量较高,因而在粗大的铁素体晶界容易析出碳化物,导致耐应力腐蚀、点腐蚀和晶间腐蚀性能下降。
超低碳双相不锈钢的出现,再加上氮作为奥氏体形成元素的发现,促进双相不锈钢焊接接头、热影响区,在高温下形成的单相铁素体冷却时,发生逆转变并能形成足够的奥氏体组织,从而既改善了焊接热影响区的塑性、韧性,同时又保持了双相钢的抗应力腐蚀、点腐蚀的优良特性。尽管新型的超低碳含氮的双相不锈钢的焊接性得到了实质性的改善,但是双相不锈钢焊接时的状态(供货状态)、使用的焊接材料、焊接工艺及参数等仍然是焊接接头耐腐蚀性能、力学性能,即使用焊接性是关键。
双相不锈钢的焊接裂纹敏感性较低。但在热影响区内铁素体含量的增加会使晶间腐蚀敏感性提高,因此可造成耐蚀性降低及低温韧性恶化等问题。
5. 沉淀硬化不锈钢
沉淀硬化不锈钢的焊接性良好,与奥氏体300系列相近,焊前不必预热,裂纹倾向性小。这种钢单层焊时,焊缝金属及热影响区,一般好像与通过焊后沉淀硬化处理一样;多层焊时,则会出现组织不均匀,必须进行焊后的沉淀硬化处理以达到组织的均匀。焊接马氏体沉淀硬化不锈钢的焊接材料,可以按强度选300系列奥氏体不锈钢焊接材料。对于沉淀硬化型不锈钢存在有焊接热影响区发生软化等问题。
综上所述,不锈钢的焊接性能主要表现在以下几个方面:
a. 高温裂纹
此处的高温裂纹是指与焊接有关的裂纹。高温裂纹大致可分为凝固裂纹、显微裂纹、HAZ(热影响区)裂纹和再加热裂纹等。
b. 低温裂纹
在马氏体型不锈钢和部分具有马氏体组织的铁素体型不锈钢中有时会发生低温裂纹。由于其产生的主要原因是氢扩散、焊接接头的约束程度以及其中的硬化组织,所以解决方法主要是在焊接过程中减少氢的扩散,适宜地进行预热和焊后热处理以及减轻约束程度。
c. 焊接接头的韧性
在奥氏体型不锈钢中,为减轻高温裂纹敏感性,通常在成分设计上,使其中残存有5%~10%的铁素体,但这些铁素体的存在会导致了低温韧性的下降。在双相不锈钢进行焊接时、焊接接头区域的奥氏体量减少而对韧性产生影响,另外随着其中铁素体的增加,其韧性值也有显著下降的趋势。
已证实高纯铁素体型不锈钢的焊接接头的韧性显著下降的原因是由于混入碳、氮、氧的缘故。其中一些钢的焊接接头中的氧含量增加后生成了氧化物型夹杂,这些夹杂物成为裂纹发生源或裂纹传播的途径使得韧性下降。而有一些钢则是由于在保护气体中混人了空气,其中氮含量的增加在基体解理面{100}上产生板条状Cr2N,基体变硬而使得韧性下降。
d. σ-相脆化
奥氏体型不锈钢、铁素体不锈钢和双相钢易发生σ-相脆化。由于组织中析出了百分之几的α'-相,使韧性显著下降,α'-相一般是在600~900℃范围内析出,尤其在750℃左右最易析出。作为防止α'-相产生的预防型措施,奥氏体型不锈钢中应尽量减少铁素体的含量。
e. 475℃脆化
在475℃附近(370~540℃)长时间保温时,使Fe-Cr合金分解为低铬浓度的α'-固溶体和高铬浓度的α'-固溶体。当α'-固溶体中铬浓度大于75%时,形变由滑移变形转变为李晶变形,从而发生475℃脆化。