不锈钢按其组织机构分为五大类,这样随着它们化学成分和组织机构的不同,它们的焊接性是有很大差别的。为此获得高质量的焊接接头难易程度和注意事项也截然不同。
不锈钢焊缝中的铁素体含量对其性能起着极其重要的作用,特别是应用最多的奥氏体不锈钢和新开发的奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊缝组织更是如此。奥氏体不锈钢焊缝中,常常需要形成一定量的铁素体(通常是4%~12%),以防止焊缝产生凝固裂纹。双相不锈钢中的铁素体对提高耐蚀性,特别是耐应力腐蚀裂纹和耐孔蚀是至关重要的。在双相不锈钢焊缝中又必须限制过多的铁素体,以保持焊缝金属具有足够的塑性、韧性和耐蚀性。因此,在这两种情况下,必须严格控制焊缝中的铁素体量。而某些在低温环境及特殊腐蚀介质中使用的奥氏体钢焊缝中的铁素体又要求尽可能地降低。现在已经把焊接时快速冷却形成的不锈钢的焊缝组织与合金元素的铬当量[Cr]和镍当量[Ni]值的关系图[(Schaeffer图)、Delong图和WRC图],作为不同情况下对焊材的选择、焊缝组织的预测和根据焊缝化学成分分析的结果,评定焊缝质量的重要依据。
Schaeffer 图、Delong图和WRC图的铬当量[Cr]和镍当量[Ni]计算公式,见表6-1。
1. Schaeffer图
Schaeffer图是最早的焊缝组织图,它适用于常规的不锈钢焊后自然状态的焊缝,其精确度为±4%.借助于薛夫勒(Schaeffer)图,可以预控制焊缝金属相的组成,可达到满足使用要求的目的,见图6-1。图6-1中的铁素体数FN是由磁性测定仪测定的,近似于用金相测定所得出铁素体含量的平均值。
为了使薛夫勒图能针对不同成分的母材与填充金属在混合之后,对可能出现的热裂纹或其冶金缺陷做出预评价,德国人A.沙赖特等绘制出经细化了的、专用于焊缝金属的薛夫勒图,见图6-2。
图6-2把焊缝金属成分分成几个区,如区域1、2、3及4.例如;当成分为A与成分为B相互焊合,使用的填充材料成分为C,混合后计算出的焊缝成分为D,其结果表明铁素体含量在5%~10%之间,具有良好的抗热裂性能与韧性。
2. Delong图
Delong图(见图6-3)是在Schaeffer 图的基础上加以改进的,并在此图中加人了奥氏体形成元素。N的作用,更适合于气体保护焊及含氮或控氮不锈钢的焊缝组织。Delong图还进一步提高了估算铁素体含量的精确度(2%),特别是对含有比正常氮含量高的熔敷金属。Delong图以铁素体序数(FN)标示焊缝的铁素体量,但FN最大到18FN,不能满足不断发展的要求,特别是不能满足高铁素体的双相钢及其焊缝组织的要求。
3. WRC图
WRC图(见图6-4)以铁素体序数(FN)标示焊缝中的铁素体量,该图把FN扩大到100FN(相当于80%的铁素体),被认为适合于判断300系列奥氏体和双相不锈钢焊缝组织中的铁素体含量。
Schaeffer 图、Delong图、WRC图是历年来根据焊缝的奥氏体形成元素C、N、Mn、Ni,以及铁素体形成元素Cr、Mo、Si、Nb等对铁素体的作用,计算铬、镍当量,绘制成的组织图。这些图是在不同时期考虑不同化学元素的影响绘制的,所以各有其特点,使用时应加以注意。
铁素体含量的预测,只有当焊缝成分包括在ISO-FN线(0~100FN)范围内才会准确(此线绘制在图6-4里),该图的极限决定于已有数据的范围,延长线族将会得出错误的预测。
1992年美国推出WRC图(见图6-4),该图能够更精确地预测不锈钢焊缝金属中的铁素体含量。图6-4中,纵坐标Ni当量中考虑了N与Cu的因素。许多研究者研究了铁素体-奥氏体混合不锈钢中Cu(通常含Cu~2%)的影响,一致认为Cu对铁素体含量有显著影响。加人Cu后,可避免出现对焊缝中EN值评估过大。
为了使焊缝金属型号、成分与其金相组织之间有一目了然的对应关系,又绘制了专用于焊缝金属的薛夫勒(Schaeffer)图,如路6-5所示。在图6-5中还包括了奥氏体不锈钢以外的其他不锈钢。