奥氏体不锈钢的焊条选用

1、对不锈钢的认识：

不锈钢是指主加元素Cr高于12%，能使钢处于钝化状态、又具有不锈钢特性的钢。不锈钢实际是不锈钢（耐大气、水等弱腐蚀介质）和耐酸钢（耐酸、碱、盐等强腐蚀介质）的总称。不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般具有良好的不锈性能。

●不锈钢的分类

◆不锈钢根据其显微组织分为铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体+铁素体型和沉淀硬化型不锈钢。

◆不锈钢根据主要合金元素大致分为高铬型不锈钢和高铬镍型不锈钢。

◆高铬型不锈钢包括马氏体型不锈钢和铁素体不锈钢两大类。

◆高铬镍型不锈钢则包括奥氏体、奥氏体+铁素体型和沉淀硬化型不锈钢。

▼马氏体不锈钢：常见的以Cr13不锈钢为代表，在常温下具有马氏体组织，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2、9Cr18MoV。

▼铁素体不锈钢：常见的以Cr13、Cr17为代表，在常温下具有铁素体组织，如0Cr13、0Cr13Al、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr25Ti。

▼奥氏体不锈钢：大致分为：

◇Cr18-Ni8型，如0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2等；

◇Cr25-Ni13型，如0Cr23Ni13； 

◇Cr25-Ni20型，如0Cr25Ni20 ；

◇Cr25-Ni35型，如4Cr25Ni35（国外铸造不锈钢） ；

◇超级奥氏体型，如254SMo（20Cr-18Ni-6Mo）。

☆Cr18Ni9不锈钢是基本的铬镍奥氏体不锈钢。

★注意：

不锈钢的不锈性和耐蚀性是相对的和有条件的，目前还没有对任何腐蚀环境都具有耐蚀性的不锈钢，所以不锈钢的选用应根据具体的使用条件加以合理考虑。技术人员在进行材料代用时应注意。

●奥氏体不锈钢的组织特点：

◆通常在常温下的组织为纯奥氏体，也有一些为奥氏体+少量铁素体，这种少量铁素体有助于防止热裂纹。

◆不能用热处理方法强化。但具有显著的冷加工硬化性，可通过冷变形方法提高强度。

◆经冷变形产生的加工硬化，可采用固溶处理便之软化。

2、奥氏体不锈钢的焊接特点：

（1）热裂纹。

★防止措施：

◇尽量使焊缝金属呈双相组织，铁素体的含量控制在3-5%以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。

◇尽量选用碱性药皮的优质焊条，以限制焊缝金属中S、P、C等的含量。

（2）晶间腐蚀：根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到450-850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，不足以抵抗腐蚀的程度。

★防止措施：

◇采用低碳或超低碳的焊材，如A002等；采用含钛、铌等稳定化元素的焊条，如A137、A132等。

◇由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体形成元素，使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织，（铁素体一般控制在4-12%）。

◇减少焊接熔池过热，选用较小的焊接电流和较快的焊接速度，加快冷却速度。

◇焊后稳定化退火处理（对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件而言）：850 ℃/2-3h，空冷。 

（3）应力腐蚀开裂：

●应力腐蚀开裂——焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。

●奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。

●应力腐蚀开裂的宏观特征：裂纹从表面开始向内部扩展，点蚀往往是裂纹的根源。断口上常附有各种腐蚀产物及氧化现象。

●影响应力腐蚀开裂的三要素：化学成分、拉应力、工作介质。

▲化学成分：不同的材料本身对于应力腐蚀敏感性有所不同。

▲工作介质：主要是介质的浓度和温度的影响：

① 对于碳钢及低合金钢的应力腐蚀开裂：

◇H2S介质的存在：H2S的浓度达到饱和状态；H2S水溶液的温度在室温附近开裂倾向最大。

◇NaOH介质的存在：在超过5% NaOH的几乎全部浓度范围内都可产生碱脆，而以30% NaOH附近最为危险。碱脆的临界温度约为沸点，碱脆的最低温度约为60℃。

② 对于奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂：

◇氯化物介质的存在：几乎只要有Cl- 存在，即可发生应力腐蚀开裂；温度升高，应力腐蚀开裂加速，在Cl- 浓度少的稀溶液中，存在一个SCC敏感温度范围，一般在150-300℃。

◇NaOH介质的存在：OH-的浓度高于0.1%即发生SCC，40-42%的NaOH是最危险的浓度；最低发生应力腐蚀开裂的温度是115℃左右（对于40-42%的NaOH）。

◇高温高压水介质的存在：其中溶解的氧（O）浓度对不锈钢应力腐蚀开裂倾向影响很大，且存在一敏感温度范围150-300℃，在300℃附近最易产生应力腐蚀开裂。

▲接头拉应力：拉应力的存在是SCC的先决条件。压应力不会引起SCC。据调查，造成SCC的应力主要是残余应力，约占80%，其中由焊接引起的残余应力约占30%。

★应力腐蚀开裂防止措施：

◇合理设计：①耐蚀材料的合理选择，实用上选用高Cr、Ni且含高Mo的奥氏体不锈钢是合理的，双相不锈钢具有最好的抗SCC性能，超级奥氏体不锈钢显示明显的耐应力腐蚀能力；②最大限度地减少应力集中和减少高应力区。

◇合理制定成形加工和组装工艺，尽可能减小冷作变形度，避免强制组装，防止组装过程中造成各种伤痕（各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为SCC的裂源，易造成腐蚀坑）。

◇合理选择焊材：焊缝与母材应有良好的匹配，不产生任何不良组织，如晶粒粗化及硬脆马氏体等；

◇采取合适的焊接工艺：保证焊缝成形良好，不产生任何应力集中或点蚀的缺陷，如咬边等；采取合理的焊接顺序，降低焊接残余应力水平；

◇消除应力处理：焊后热处理，如焊后完全退火或退火；在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。 

◇生产管理措施：介质中杂质的控制，如液氨介质中的O2、N2、H2O等；液化石油气中的H2S；氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等；防蚀处理：如涂层、衬里或阴极保护等；添加缓蚀剂。

（4）焊缝金属的低温脆化：

对于奥氏体不锈钢焊接接头，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时，焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。

★由此可知，除了单相奥氏体钢，其他各类不锈钢均不适用于低温条件。

★防止措施：通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝。

（5）焊接接头的σ 相脆化：

 ●焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ 相，导致整个接头脆化，塑性和韧性显著下降。 

σ 相的析出温度范围650-850℃。在高温加热过程中，σ 相主要由铁素体转变而成。加热时间越长， σ 相析出越多。

★防止措施：

◇限制焊缝金属中的铁素体含量（小于15%）；采用超合金化焊接材料，即高镍焊材。

◇采用小规范，以减小焊缝金属在高温下的停留时间；

◇对已析出的σ 相在条件允许时进行固溶处理，使σ 相溶入奥氏体。

3、奥氏体不锈钢的焊条选用要点：

●不锈钢主要用于耐腐蚀，但也用作耐热钢和低温钢。因此，在焊接不锈钢时，焊条的性能必须与不锈钢的用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件（包括工作温度和接触介质等）来选用。

（1）一般来说，焊条的选用可参照母材的材质，选用与母材成分相同或相近的焊条。如：A102对应0Cr19Ni9；A137对应1Cr18Ni9Ti。 

（2）由于碳含量对不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响，因此，一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如316L必须选用A022焊条。

（3）奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能。可通过工艺评定验证

（4）对于在高温工作的耐热不锈钢（奥氏体耐热钢），所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。

◆对Cr/Ni≥1的奥氏体耐热钢，如1Cr18Ni9Ti等，一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条，以焊缝金属中含2-5%铁素体为宜。铁素体含量过低时，焊缝金属抗裂性差；若过高，则在高温长期使用或热处理时易形成σ脆化相，造成裂纹。如A002、A102、A137。

在某些特殊的应用场合，可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时，可采用比如A402、A407焊条等。

◆对Cr/Ni＜1的稳定型奥氏体耐热钢，如Cr16Ni25Mo6等，一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时，增加焊缝金属中Mo、W、Mn等元素的含量，使得在保证焊缝金属热强性的同时，提高焊缝的抗裂性。如采用A502、A507。

（5）对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢，则应按介质和工作温度来选择焊条，并保证其耐腐蚀性能（做焊接接头的腐蚀性能试验）。

◆对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质，须采用含有Ti或Nb稳定化元素或超低碳不锈钢焊条。如A137或A002等。

◆对于含有稀硫酸或盐酸的介质，常选用含Mo或含Mo和Cu的不锈钢焊条如：A032、A052等。

◆对于在常温下工作，腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备，方可采用不含Ti或Nb的不锈钢焊条。

◆为保证焊缝金属的耐应力腐蚀能力，采用超合金化的焊材，即焊缝金属中的耐蚀合金元素（Cr、Mo、Ni等）含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2类型的焊接材料（如A022）焊接00Cr19Ni10焊件。

（6）对于在低温条件下工作的奥氏体不锈钢，应保证焊接接头在使用温度的低温冲击韧性，故采用纯奥氏体焊条。如A402、A407。

（7）也可选用镍基合金焊条。如采用Mo达9%的镍基焊材焊接Mo6型超级奥氏体不锈钢。 

（8）焊条药皮类型的选择：

◆由于双相奥氏体钢焊缝金属本身含有一定量的铁素体，具有良好的塑性和韧性，从焊缝金属抗裂性角度进行比较，碱性药皮与钛钙型药皮焊条的差别不像碳钢焊条那样显著。因此在实际应用中，从焊接工艺性能方面着眼较多，大都采用药皮类型代号为17或16的焊条（如A102A、A102、A132等）。

◆只有在结构刚性很大或焊缝金属抗裂性较差（如某些马氏体铬不锈钢、纯奥氏体组织的铬镍不锈钢等）时，才考虑选用药皮代号为15的碱性药皮不锈钢焊条（如A107、A407等）。 

4、铁素体-奥氏体双相不锈钢的焊接：

（1）对国内外双相不锈钢的认识：

●用途：主要用于耐强腐蚀性介质（如氯离子含量较高）的石油化工、海水与废水处理的设备、管道等场合。

●组织和性能特点：

◇含有较高的铬（18-28%）和较低的镍（4-10%），室温下的组织为奥氏体+铁素体，通常铁素体含量不低于50%。

◇屈服强度可达400-550MPa，是普通不锈钢的2倍

◇同时具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的一些特性，韧性良好，强度较高，耐氯化物应力腐蚀优于普通不锈钢。

◇具有良好的焊接性能：与奥氏体不锈钢相比，具有较低的热裂倾向；与铁素体不锈钢相比，具有较低的加热脆化倾向。

●双相不锈钢的类型：

双相不锈钢的品种很多，最常用的有3种，即：

◇超低碳的18Cr-5Ni-3Mo型（也称Cr18型、 1805型）：

如已列入国家标准GB4237《双相不锈钢热轧钢板》的00Cr18Ni5Mo3Si2（1805）；美国ASTM S31500（18Cr-5Ni-3Mo-N，抗拉强度下限630MPa）

◇23Cr-4Ni-Mo型（也称Cr23无Mo型、 2305型）： 

如：美国ASTM S32304（23Cr-4Ni-Mo-Cu-N，抗拉强度下限600MPa）

◇22Cr-5Ni-3Mo型（也称Cr22型、 2205型）：

如：美国ASTM S31803（22Cr-5Ni-3Mo-N，抗拉强度下限620MPa）

◇25Cr-7Ni-4Mo型（也称Cr25型、2507型）：分普通和超级两种类型。

■如：已列入国家标准GB4237-92《双相不锈钢热轧钢板》和GB13296-91的普通双相不锈钢有0Cr26Ni5Mo2；美国ASTM S31260（普通型，25Cr-6Ni-3Mo-Cu-N-W，抗拉强度下限690MPa）、 ASTM S32750（超级型，25Cr-7Ni-4Mo-N，抗拉强度下限800MPa）。

（2）双相不锈钢的焊接特点：

◇具有良好的焊接性，热裂纹敏感性较小，当双相组织的比例适当时冷裂纹敏感性也较低。但在拘束度较大及焊缝金属含氢量较高时，由于双相组织中的铁素体作用，仍存在氢致裂纹的危险。

◇双相钢在300-500℃范围内存在时间较长时，发生“475℃脆性”，所以双相钢的使用温度常低于250℃。

★各种类型双相钢的具体焊条选用：

☆Cr18型双相钢：选用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材（如AWS A5.4 E2209和ER2209牌号）；也可选用含Mo的奥氏体型不锈钢焊材，如A022Si（E316L-16）、A042（E309MoL-16）。

☆Cr23无Mo型双相钢：选用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材（如AWS A5.4 E2209和ER2209牌号）；也可选用奥氏体型不锈钢焊材，如A062（E309L-16）。

☆Cr22型：选用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材（如AWS A5.4 E2209和ER2209牌号）；也可选用含Mo的奥氏体型不锈钢焊材，如A042（E309MoL-16）。

☆Cr25型：选用Cr25-Ni5-Mo3或Cr25-Ni5-Mo4型超低碳焊材，（如AWS A5.4 E2553和ER2553牌号） ；也可选用不含Nb的高Mo镍基焊材，如无Nb的NiCrMo-3型焊材。

●预热：不需要。层间温度不高于100℃。

●焊接线能量：Cr18型双相钢不大于15kJ/cm；Cr23无Mo型和Cr22型双相钢为10-25kJ/cm；Cr25型双相钢为10-15kJ/cm。

●焊后热处理：不需要。

（3）双相不锈钢的焊接工艺要点：

●焊接方法：

钨极氩弧焊、手工电弧焊、熔化极钨极气体保护焊、埋弧焊均可均可。

●焊接材料：

◇为防止σ相和保证焊缝金属正常的奥氏体/铁素体相比例，焊接双相钢也同样要采用“超合金化”焊材，即高镍焊材。

◇为防止碳化物析出，焊缝金属的含碳量应控制在超低碳（0.03%）的水平。

◇当对焊缝金属的耐腐蚀性能有特殊要求时，还应采用超级双相钢成分的碱性焊条。

5、超级奥氏体不锈钢的焊接：

目前在国外广泛开发应用的新钢种，用于抗氯离子等强腐蚀的环境。我公司将在烟台万华MDI项目和宁波台塑NAE项目上接触到。

★国外最典型的超级奥氏体不锈钢是ASTM S31254（254SMo），公称成分20Cr-18Ni-6Mo，强度比316L高约50%。

（1）组织和性能特点：

◇化学成分介于普通奥氏体不锈钢与镍基合金之间，含有较高的Mo、N、Cu等合金化元素，以提高奥氏体组织的稳定性、耐腐蚀性，特别是提高抗Cl-的应力腐蚀开裂性能

◇钢的组织为纯奥氏体组织。

◇冷加工硬化倾向较大，冷成形后有较大的反弹。所以加工时要有一定的成形留量。冷成形后不需热处理。

◇长时间热成形加热易导致严重的起皮现象。热成形后一般需要固溶处理。（2）焊接特点：同其它奥氏体不锈钢相同。

（3）焊接工艺要点：

●焊接方法：优选钨极氩弧焊，其次手工电弧焊。

●焊接材料：采用镍基焊材，如焊丝ASTM A5.14 ERNiCrMo-3；焊条ASTM A5.11 ENiCrMo-12。

●预热：不需要，层间温度不高于100℃。

●焊接线能量：控制。

●焊后热处理：一般不需要。如果采用自熔焊（即不填丝TIG焊）时，要进行固溶处理和淬火，以保证耐蚀性。建议尽量不采用自熔焊工艺。

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