奥氏体不锈钢是使用最为广泛的不锈钢,这和它具有良好的机械性能、耐腐蚀性能,其焊接性在高合金钢中被认为是最好有关。铬-镍奥氏体不锈钢具有良好的焊接性,无淬硬性,因而在热影响区内无淬硬现象,同时也无晶粒粗大化现象。但在焊接中存在以下问题:


  奥氏体不锈钢焊接接头可有三种晶间腐蚀的情况:焊缝晶间腐蚀、母材上敏化区腐蚀及刀状腐蚀。关于奥氏体钢晶间腐蚀的机理,一般用“贫铬”理论来解释。在固溶状态下,奥氏体钢中的碳过饱和固溶于奥氏体中。加热过程中,过饱和的碳将以Cr23C6的形式沿晶界析出。由于Cr23C6中含铬量大大超过奥氏体基体中的含铬量,因而使得晶界附近的含铬量显著下降,晶内的铬原子又来不及扩散及时补充,故形成贫铬层(Cr<11.7%).贫铬层的电极电位比晶体内低得多,在腐蚀介质的作用下,电极电位低的晶界将成为阳极,而被腐蚀溶解。


①. 焊缝晶间腐蚀和母材上敏化温度区腐蚀


  18-8型不锈钢在450~850℃温度加热时,具有晶间腐蚀倾向,这一温度范围称为敏化温度区间。


  焊缝晶间腐蚀可有两种情况:一种情况为焊接线能量过大或多层焊时焊缝金属在敏化温度区间停留时间过长所引起,即焊接状态下已有碳化铬析出而形成贫铬层;另一种情况是焊接状态下耐蚀性良好,焊后经受了敏化加热的作用,因而具有晶间腐蚀倾向。


  热影响区、敏化区的晶间腐蚀倾向也是由于形成贫铬层所致。但因为焊接热循环具有快速连续加热的特点,碳化铬的析出需要在更高的温度下才能较快进行,因此,焊接接头的敏化区温度范围为600~1000℃,要比平衡加热条件下的敏化区温度(450~850℃)高。


焊缝和热影响区晶间腐蚀倾向与含碳量、加热温度和保温时间等因素有关。因此,为提高焊接接头抗晶腐蚀能力,一般宜采取以下措施:


  a. 减小母材及焊缝中的含碳量,使加热时减少或避免Cr23C6析出,可以消除产生贫铬层的机会。例如,超低碳(C≤0.03%)不锈钢由于含碳量较低,具有优良的抗蚀性能,但是超低碳不锈钢的冶炼成本高。


  b. 在钢中添加稳定化元素 Ti、Nb等,使之优先形成MC,而避免形成贫铬层。


  c. 使焊缝形成奥氏体加少量铁素体的双相组织。当焊缝中存在一定数量的铁素体时,可以细化晶粒,增加晶界面积,使晶界单位面积上的碳化铬析出量减少,减轻贫铬程度。铬在铁素体中溶解度较大,Cr23C6优先在铁素体中形成,而不致使奥氏体晶界贫铬;此外,散在奥氏体之间的铁素体,还可能防止腐蚀沿晶界向内部扩展。


  d. 控制在敏化温度区间的停留时间。调整焊接热循环,尽可能缩短600℃以上的高温停留时间,以防止焊缝及热影响区大量析出碳化铬。如选择能量密度高的焊接方法(如等离子弧焊),选用较小的焊接线能量,焊缝背面通氩气或采用铜垫增加焊接接头的冷却速度,减少起弧、收弧次数以避免重复加热,多层焊时与腐蚀介质的接触面尽可能最后施焊等,均可以减少接头的晶间腐蚀倾向。



 e. 焊后进行固溶处理或稳定化退火。固溶处理可使已析出的Cr23C6重新溶入奥氏体中,但一般只适用于较小的工件。稳定化退火是将工件加热到850~900℃保温后空冷。其作用为使碳化物充分析出,并促使铬加速扩散而消除贫铬区。



②. 焊接接头的刀状腐蚀


  刀状腐蚀简称刀蚀,它是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀,只发生在含有稳定剂的奥氏体钢(如06Cr18Ni11Ti06Cr17Ni12Mo3Ti等)的焊接接头中。刀状腐蚀的腐蚀部位在热影响区的过热区,沿熔合线发展,开始宽度仅3~5个晶粒,逐步扩大至1.0~1.5mm.因形状如刀刃,故称刀状腐蚀。


  高温过热和中温敏化是导致焊接接头产生刀蚀的重要条件。含有稳定剂的奥氏体钢,一般以固溶状态供货,此时钢中少部分的碳固溶于奥氏体,其余大部分碳则形成TiC或NbC.焊接时,在温度超过1200℃的过热区中,这些碳化物将溶人固溶体。由于碳的扩散能力较强,在冷却过程中将偏聚在晶界形成过饱和状态,而钛则因扩散能力低而留于晶内。当焊接接头在敏化温度区间再次加热时,过饱和的碳将在晶间以Cr23C6形式析出,在晶界形成贫铬层,使焊接接头抗蚀性能降低。从以上分析可知,刀状腐蚀的形成根源也在于晶间形成贫铬层。


  防止刀口腐蚀的措施如下:


 a. 降低含碳量


  这是防止刀状腐蚀的很有效的措施。对于含有稳定化元素的不锈钢,含碳量最好不超过0.06%。


b. 采用合理的焊接工艺


  尽量选择较小的线能量,以减少过热区在高温停留时间,注意避免在焊接过程产生“中温敏化”的效果。因此双面焊时,与腐蚀介质接触的焊缝应最后施焊(这是大直径厚壁焊内焊在外焊之后再进行的原因所在),如不能实施,则应调整焊接规范及焊缝形状,焊管内焊,应尽量避免与腐蚀介质接触的过热区再次受到敏化加热。


 焊后热处理。焊后进行固溶或稳定化处理,均能提高接头的抗刀状腐蚀能力。