奥氏体不锈钢的焊接.docx

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奥氏体不锈钢的焊接

毕业设计（论文）

题目奥氏体不锈钢的焊

系（部）机械工程系

专业焊接技术及自动化

指导教师陈玲

作者杜震宇

完成日期2011.4.5

前言

不锈钢指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，是20世纪初材料领域最伟大的发明之一。

不锈钢工业化生产自1912年由克虏伯公司开始至今已有近百年的历史，是一种重要的工程材料，已经被广泛用于各种工业和环境的结构中去。

近年来，中国不锈钢的生产和消费迅速的发展，不锈钢的表观消费量由1990年的26万吨增长到2009年近千万吨，成为世界上备受关注的不锈钢第一消费大国。

奥氏体不锈钢，含铬大于18％，还含有8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。

综合性能好，可耐多种介质腐蚀。

是不锈钢中最为重要的钢类，其生产量和使用量约占不锈钢总量的70%。

奥氏体不锈钢的综合焊接性能良好，但在焊接过程中由于设备、材料、工艺、及操作等原因，会形成一定的焊接缺陷，使焊件质量达不到要求，影响工作质量及使用寿命。

Foreword

Stainlesssteelreferstotheresistanceofair,steam,waterandothercorrosivemediumandweakacid,alkali,saltandotherchemicalattackbycorrosionofthesteelmedia,istheearly20thcenturymaterials,oneofthegreatestinventioninthefield.Stainlesssteelindustrialproductionsince1912startedbytheKrupphasbeennearlyahundredyearsofhistory,isanimportantengineeringmaterial,hasbeenwidelyusedinvariousindustrialandenvironmentalfabric.Inrecentyears,China'sstainlesssteelproductionandconsumptionofrapiddevelopment,theapparentconsumptionofstainlesssteelin1990to26milliontonstonearlyathousandtonsin2009tobecometheworld'sfirstconcernofstainlesssteelconsumptioncountry.

 Austeniticstainlesssteel,chromiumgreaterthan18%,italsocontains8%nickelandasmallamountofmolybdenum,titanium,nitrogenandotherelements.Comprehensiveperformance,andcanberesistanttoavarietyofmediacorrosion.Isthemostimportantsteelstainlesssteeltype,itsproductionanduseofstainlesssteelaccountsforabout70%ofthetotal.

Integratedstainlesssteelweldingperformanceisgood,butintheweldingprocessbecauseoftheequipment,materials,technology,andoperationalandotherreasons,theformationofsomeweldingdefects,thequalityoftheweldsmeettherequirements,affectthequalityofworkandlife.

目录

1.焊接成型特点…………………………………………………………………3

2.奥氏体不锈钢的焊接性………………………………………………………3

3.奥氏体不锈钢的焊接问题……………………………………………………4

3.1焊接接头的晶间腐蚀………………………………………………………4

3.2焊接接头的刀口腐蚀………………………………………………………4

3.3应力腐蚀开裂问题…………………………………………………………5

3.4焊接接头的热裂纹问题……………………………………………………5

4.奥氏体不锈钢焊接问题的原因及防止措施…………………………………5

4.1焊接接头的晶间腐蚀………………………………………………………5

4.2焊接接头的刀口腐蚀………………………………………………………6

4.3应力腐蚀开裂问题…………………………………………………………7

4.4焊接接头的热裂纹问题……………………………………………………7

5.奥氏体不锈钢的焊接工艺……………………………………………………8

5.1焊前准备……………………………………………………………………8

5.2奥氏体不锈钢焊接方法……………………………………………………8

5.2.1焊条电弧焊………………………………………………………………8

5.2.2钨极氩弧焊………………………………………………………………10

5.2.3埋弧焊……………………………………………………………………10

6.结论………………………………………………………………………………11

7.致谢………………………………………………………………………………12

8.参考文献…………………………………………………………………………13

不锈钢概述

一、不锈钢分类

不锈钢中的主要合金元素是Cr，当ω（Cr）>12%时，Cr比Fe优先与氧化合并在钢的表面形成一层致密的氧化膜，可以提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性能。

只在空气、水及蒸汽中具有不腐蚀、不生锈性能的是普通不锈钢；不锈钢中加入Ni、Mn等元素，能抵抗某些强介质侵蚀的钢是耐蚀不锈钢；不锈钢中加入一定量的Si、Al等合金元素，提高高温下的抗氧化性能和高温强度的钢是耐热不锈钢。

1.按化学成分分类

（1）铬不锈钢1Cr13、1Cr17等。

（2）铬镍不锈钢1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。

2.按室温金相组织分类

（1）奥氏体型不锈钢在钢中加入ω（Cr）为18%，ω（Ni）为8%~10%时，钢中便有了稳定的奥氏体组织，这种钢就是奥实体型不锈钢。

该钢无磁性，具有良好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接性，焊接时一般不需要采取特殊的焊接工艺措施，虽然经淬火也不会硬化，但经冷加工后，钢材表面有加工硬化性。

属于这类钢的牌号有1Cr17Ni8、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni20等，实际应用最多的是1Cr17Ni8、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti。

（2）马氏体型不锈钢这种钢除了含有较高的铬外，ω（Cr）为11.5%~18%，还含有较高的碳，ω（C）为0.1%~0.5%，室温下钢的金相组织是马氏体，具有淬硬性，提高了钢的强度和硬度。

属于这类钢的牌号有2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2等，实际应用最多的是2Cr13、1Cr17Ni2。

（3）铁素体型不锈钢室温下的金相组织为铁素体，ω（Cr）为13%~30%，含碳量很低，ω（C）为0.15%以下，经过淬火也不会硬化，具有良好的热加工性和冷加工性。

属于这类钢的牌号有1Cr17、0Cr13Al、1Cr17Mo等，实际应用最多的是1Cr17、1Cr17Mo。

（4）奥氏体+铁素体型不锈钢这种刚在室温下的金相组织为奥氏体+铁素体，铁素体的体积分素小于10%，是在奥氏体钢的基础上发展的钢种，与含碳量相同的奥氏体型不锈钢相比，它具有较小的晶间腐蚀倾向和较高的力学性能，并且韧性比铁素体型不锈钢好。

当铁素体的体积分素为30%~60%时，该类钢具有特殊抗点蚀、抗应力腐蚀性能，从金相组织上分类，属于典型的双相不锈钢。

属于这类钢的牌号有1Cr18Ni11Si4AlTi、1Cr21Ni5Ti、0Cr26Ni5Mo等。

（5）沉淀硬化型不锈钢这种钢有很好的成形性能和良好的焊接性，属于这类钢的牌号有0Cr17Ni7A、0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr17Ni4Cu4Nb等。

3.按用途分类

（1）不锈钢包括高铬钢（Cr13之类）、铬镍钢（1Cr18Ni9Ti、1Cr17Ni8之类）、铬锰氮钢（Cr17Mn13Mo2N）等。

用于具有浸湿性的化学介质（主要是各类酸），要求能耐腐蚀，对强度要求不高。

（2）热稳定钢主要用于高温下要求抗氧化或耐气体介质腐蚀的一类钢，也称为抗氧化不起皮钢，对高温强度并无特殊要求。

常用的钢有铬镍钢如Cr25Ni20、高铬钢如Cr17等。

（3）热强钢在高温下既要能抗氧化或耐气体介质腐蚀、又必须具有一定的高温强度。

常用的钢有高铬镍钢如1Cr18Ni9Ti，多元化合金的以Cr12为基的马氏体型钢也用来做热强钢。

二、不锈钢的物理性能

（1）奥氏体型不锈钢的线膨胀系数比碳钢大50%，只有马氏体型不锈钢和铁素体型不锈钢的线膨胀系数与碳钢大体相当。

（2）不锈钢的电阻率高，奥氏体型不锈钢的电阻率是碳钢的5倍。

（3）不锈钢的热导率低于碳钢，马氏体型不锈钢的热导率约为碳钢的1/3。

（4）奥氏体型不锈钢的密度大于碳钢，马氏体型不锈钢和铁素体型不锈钢的密度比碳钢稍小。

（5）奥氏体型不锈钢没有磁性，马氏体型不锈钢和铁素体型不锈钢有磁性。

（6）奥氏体型不锈钢、马氏体型不锈钢比热容与碳钢相差不大，只有铁素体型不锈钢的比热容比碳钢要小一些。

1.焊接成型特点

焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法，其实质是使两个分离金属通过原子或分子间的相互扩散与结合而形成一个不可拆卸的整体的过程。

其特点包括：

1.减轻了结构重量，节省金属材料与工时。

在金属结构制造当中，用焊接代替传统的连接方法铆接，一般可节省金属材料的15%~20%，由于节省了材料，因此可减轻自重。

2.能化大为小，拼小成大，降低生产成本。

在制造大型结构或复杂的及其零部件时，可以用化大为小，化复杂为简单的办法来准备坯料，然后用逐次装配焊接的方法拼小成大

3.可制造双金属结构。

采用焊接方法可对不同材料零件进行对焊、摩擦焊等，还可制造复合层容器，从而满足高温、高压设备、化工设备和切削刀具等的特殊性能要求，节省贵重金属材料。

4.焊接接头组织性能不均匀。

焊接的过程其实是一个不均匀的加热和冷却的过程，焊接接头组织性能的不均匀程度大大超过了铸件和锻件，从而影响焊接结构的精度和承载能力。

此外，焊接形成的焊缝具有良好密封性的优点，还具有不能拆卸、不便于更换零部件等的缺点。

2.奥氏体不锈钢的焊接性

金属材料的焊接性，是指金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

它与金属铸造性、机械加工性一样，同属于金属材料的工艺性能。

金属材料的焊接性不仅取决于金属本身的成分与组织，同时与焊接的热作用直接相关。

焊接性并不是金属材料的固有性能，而是随焊接技术的发展而变化的。

金属材料的焊接性可分为工艺焊接性和使用焊接性：

（1）工艺焊接性是指金属材料对各种焊接方法的适应能力。

它不仅取决于金属本身的成分与性能，而且与焊接热源的性质、保护方式、预热及后热等工艺措施有关。

（2）使用焊接性是指焊接接头或整体结构，满足技术条件中所规定的使用性能的能力。

显然，使用焊接性与产品的工作条件有密切关系。

奥氏体不锈钢的焊接性

工艺焊接性方面，很容易获得无缺陷的焊接接头，也不需要采用特殊的工艺措施即结合性能良好。

使用焊接性方面，如果处在腐蚀的介质中，焊接接头常常沿晶界被腐蚀，即使用性能不好。

奥氏体不锈钢由于具有较高的变形能力并不可淬硬，所以总的来说焊接性能良好。

3.奥氏体不锈钢的焊接问题

3.1焊接接头的晶间腐蚀

在腐蚀介质作用下，起源于金属表面沿晶界深入到金属内部的腐蚀就是晶间腐蚀。

晶间腐蚀是一种局部性的腐蚀，它会导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，是一种必须重视的危险的腐蚀现象。

3.2焊接接头的刀口腐蚀

刀口腐蚀是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，只发生于含有稳定剂钛、铌的奥氏体钢的焊接接头上。

腐蚀的部位在热影响区的过热区，腐蚀一直深入到金属内部，因形状似刀刃而得名。

3.3应力腐蚀开裂问题

金属在应力和腐蚀性介质共同的作用下，所发生的腐蚀破坏叫做应力腐蚀开裂。

该种开裂问题几乎涉及所有的耐蚀材料，开裂时没有任何变形，因而事故往往是突发性的，后果严重。

3.4焊接接头的热裂纹问题

奥氏体不锈钢焊接时产生的裂纹是热裂纹，在焊缝和热影响区都可能出现。

焊缝中主要是结晶裂纹；热影响区及多层焊层间金属，则多为高温液化裂纹。

二者都与由于偏析而导致的晶间液化有关。

4.奥氏体不锈钢焊接问题的原因及防止措施

4.1焊接接头的晶间腐蚀问题

产生原因：

奥氏体钢在固溶状态下碳以过饱和的形式溶解于γ固溶体，加热时过饱和的碳以碳化铬的形式沿晶界析出。

碳化铬的析出消耗了大量的铬，因而使晶界附近铬的含量降到低于钝化所需要的最低量（12%），形成贫铬层。

贫铬层的电极电位比晶粒内低得多。

当金属与腐蚀介质接触时，就形成了微电池。

电极电位低的晶界成为阳极，被腐蚀溶解形成晶间腐蚀。

防止措施：

（1）降低母材和焊缝中的含碳量，将钢中的碳降低到小于或等于其室温时在γ相中的溶解度，这样在加热时就不会有或很少有碳化铬析出，从而从根本上避免贫铬层的形成。

（2）在钢中加入稳定的碳化物形成元素，改变碳化物的类型，如向钢中加入与碳亲和力大于铬的钛、铌、钽等，这些元素将优先与碳结合而避免形成碳化铬，从而避免了碳化铬的产生。

（3）焊后进行固溶处理，固溶处理可使已经析出的碳化铬重新溶于奥氏体中，但对大型复杂零部件则有一定的困难。

且在加热时会反复形成碳化铬。

（4）改变焊缝的组织状态，使焊缝由单一的γ相改变为γ+δ双相。

当焊缝中存在一定数量的初析铁素体δ相时，可以打乱粗大的柱状树枝晶，使面积较小而直的晶界变为曲折的晶界，破坏了腐蚀通道。

4.2焊接接头刀口腐蚀

产生原因：

刀口腐蚀一般发生在焊后再次在敏化温度区间加热时，即高温过热与中温敏化连续作用的条件下，产生原因也和碳化铬析出后形成贫铬层有关。

防止措施：

（1）降低含碳量，最好采用超低碳不锈钢。

对于稳定化不锈钢，要求碳含量小于等于0.06%

（2）减少近缝区过热，尽量选用较小的线能量，以减少过热区在高温停留的时间。

（3）合理安排焊接顺序，刀口腐蚀不仅产生于焊后在敏化温度再热时，而在多层焊与双面焊时后一条焊缝的热作用，有可能对先焊焊缝的过热区起到敏化温度再加热的作用，在与腐蚀介质接触时，也会产生刀口腐蚀。

（4）焊后进行稳定化处理，对于可能在敏化温度区工作的产品，焊后进行稳定化处理可使过热区的碳与稳定剂结合为稳定的碳化物，从而在工作中不会再以碳化铬形式析出。

4.3应力腐蚀开裂问题

产生原因：

纯金属一般没有应力腐蚀开裂的倾向，而在不锈钢中，奥氏体钢比铁素体钢或马氏体钢对应力腐蚀更为敏感。

奥氏体钢在焊接应力和腐蚀介质的共同作用下就会有应力腐蚀开裂的倾向。

防止措施：

（1）正确选用材料，根据介质特性，选用对应力腐蚀开裂敏感性低的材料是防止应力腐蚀开裂最根本的措施。

（2）消除产品的残余应力，消除或减少结构或部件中的残余应力，是降低奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂敏感性的重要措施。

（3）对材料进行防蚀处理，通过电镀、喷镀、衬里等方法，用金属或非金属覆盖层将金属与腐蚀介质隔离。

（4）改进部件结构及接头设计，由于设计的不合理，往往会形成较大的应力集中或在制造中产生较大的残余应力。

4.4焊接接头的热裂纹问题

产生原因：

奥氏体不锈钢对热裂纹比较敏感，主要是由冶金因素决定的，即由钢的化学成分、组织与性能决定的。

由于奥氏体钢是单相组织，焊缝从凝固冷却到室温不发生相变，很容易形成方向性很强的粗大柱状晶组织，为低熔点物质的偏析与集中创造了条件；且奥氏体钢中合金元素的品种多，数量大，不仅硫、磷等杂质会与铁形成低熔点共晶，合金元素之间或与杂质之间作用也会形成低熔点化合物或共晶；奥氏体钢的热物理性能对裂纹敏感性亦有着直接的影响。

防止措施：

（1）严格控制有害杂志，主要是硫、磷的数量。

（2）调整焊缝金属为双相组织，因为纯奥氏体组织的焊缝很容易产生结晶裂纹。

（3）合理进行合金化。

（4）工艺上，为降低焊缝的热裂倾向，应尽可能减少熔池过热和接头的残余应力。

5.奥氏体不锈钢焊接工艺

5.1焊前准备

为了保证焊接接头的耐蚀性，防止焊接缺陷，在焊前准备中对下列问题应予以特别注意。

（1）下料方法的选择。

奥氏体钢中铬含量较高，用一般的氧乙炔火焰切割有困难，可用机械切割、等离子切割或碳弧气刨等方法进行下料或坡口加工。

（2）焊前清理。

为了保证焊接质量，焊前应将坡口及其两侧20～30㎜范围内的焊件表面清理干净。

（3）表面保护。

在搬运、坡口制备、装配及点焊过程中，应注意避免损伤钢材表面，以免使产品的耐蚀性能降低。

5.2奥氏体不锈钢焊接方法

5.2.1焊条电弧焊:

（1）焊条的选择。

正确选用焊条是保证焊接接头使用性能的关键，选用焊条的一般原则是，应使焊缝金属与母材具有相同的使用性能，通常遵循的是“等强度原则”和“同成分原则”。

（等强度原则主要适用于结构钢的焊接，即焊接低、中碳钢或低合金钢的结构件时，应选择与母材强度级别相等或稍高的结构钢焊条。

同成分原则主要适用于特殊性能钢的焊接，如不锈钢。

焊接此类钢时，为保证接头的特殊性能，应选择与母材化学成分相同或相近的焊条。

）

所以焊条电弧焊奥氏体不锈钢时应选用奥氏体不锈钢焊条。

（2）焊接工艺要点。

奥氏体不锈钢焊接环境温度一般不应低于0℃，否则，熔化情况不好，也容易产生裂纹，但不得对工件预热。

为防止产生晶间腐蚀和热裂纹，应采用快速焊、窄焊道。

为防止药皮发红及母材过热，焊接电流不宜过大，一般比相同直径的碳钢焊条小20%左右。

焊条电弧焊焊接参数如下表：

＜2

2.0

40~70

40~60

40~50

2~2.5

2.5

50~80

50~70

50~70

3~5

3.2

70~120

70~95

70~90

5~8

4.0

130~190

130~145

130~140

8~12

5.0

160~210

焊件厚度＼㎜

焊条直径＼㎜

焊接电流＼A

平焊

立焊

仰焊

焊接时尽量采用平焊位置，焊条角度要正确，运条要稳，电弧不宜过长，焊条最好不作或稍作横向摆动。

一次焊成的焊缝不宜过宽，一般不应超过焊条直径的3倍。

多层焊时，每焊一层后应彻底清渣，并仔细检查有无缺陷，在确定无缺陷时才能焊下一层。

为防止晶间腐蚀，应严格控制层间温度，待上一层焊道冷却至60℃以下时再焊下一层焊道。

奥氏体不锈钢一般不进行焊后热处理，且焊后变形不能用火焰加热矫正，只能用其他方法防止和消除变形。

5.2.2钨极氩弧焊:

钨极氩弧焊焊接线能量很低，特别适合焊接对过热敏感的各种奥氏体钢。

这种方法的主要缺点是生产率较低且成本高，一般只适用于焊接6㎜以下的薄板。

5.2.3埋弧焊:

埋弧焊是一种深熔高熔敷率的焊接方法，具有较高的经济性，可用来焊接5㎜以上的大多数奥氏体钢。

埋弧焊具有热输入量高、熔池尺寸大、冷却和凝固速度较低等特点，加剧了合金元素的偏析，使热裂纹倾向加大；同时在冷却过程中还可能因在敏化温度区间停留时间较长，导致耐晶间腐蚀能力下降。

结论

奥氏体不锈钢是一种非常重要的工程材料，被广泛的应用到各种工业与环境中，奥氏体不锈钢的焊接问题也日益的突显出来。

优质的奥氏体不锈钢焊接质量可以满足设计要求，保证正常的使用寿命。

而一旦出现焊接缺陷，就会影响焊件的使用寿命，甚至带来安全威胁，引发安全事故。

为了防止这些缺陷的产生，对奥氏体不锈钢的焊接技术进行更深一步的探索。

通过对造成焊接缺陷原因的分析，逐步改善和提高奥氏体不锈钢的焊接质量。

奥氏体不锈钢的焊接质量受到焊接设备、焊接材料、工艺流程、操作技术水平等诸多方面的影响，通过对这些影响的分析研究，提出相应的防止措施，就可以奥氏体不锈钢焊接技术进一步的提高、完善。

致谢

通过这一阶段的努力，我的毕业论文《奥氏体不锈钢的焊接》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。

在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

在本论文的写作过程中，我的指导老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。

同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。

最后，向我的父亲母亲致谢，感谢他们对我的养育之恩。

参考文献

[1]刘云龙主编.《焊工》.北京：

机械工业出版社，2006

［2］凌爱林主编.《工程材料及成型技术基础》.北京：

机械工业出版社，2005

［3］英若采主编.《熔焊原理及金属材料焊接》.北京：

机械工业出版社，2000

［4］柳秉毅主编.《材料成型工艺基础》.北京：

机械工业出版社，2005

［5］雷世明主编.《焊接方法与设备》.北京：

机械工业出版社，2007