不銹鋼焊接工藝與操作技巧bjh

2019-03-0909:43:50已關閉評論

一、焊接特點

不銹鋼具有優良的化學穩定性和一定的抗腐蝕性能。一般來說，不銹鋼包括不銹鋼和耐酸鋼兩類。能抵抗大氣腐蝕的鋼叫不銹鋼，能抵抗強烈浸蝕性介質的鋼叫耐酸鋼。1Cr18Ni9Ti是一種常用的不銹鋼，它既可作為不銹鋼使用，又可作為耐酸鋼使用，還可以作為耐熱鋼使用。bjh

合金中鉻是提高抗腐蝕性能的最主要的一種元素，鋼中含鉻量只有在大于12%時才具有抗腐蝕性能。故不銹鋼中鉻含量必須大于12%。

不銹鋼可以按化學成分和組織狀態進行分類。按化學成分分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼。按組織狀態可分為三類：奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼。

1.奧氏體不銹鋼焊接工藝

當鋼中含鉻量在18%左右，含鎳8%～10%時，便有穩定的奧氏體組織產生，稱為奧氏體不銹鋼。這種鋼無磁性，不能通過熱處理方法提高其強度和硬度，如經淬火也不能硬化，而用加工硬化方法，可使奧氏體不銹鋼強化。但它比其他不銹鋼具有更優良的耐腐蝕性能、耐熱性和塑性，可焊性良好，是不銹鋼中得到最廣泛應用的一個鋼種。屬于這類鋼的牌號有：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr25Ni20等。

奧氏體鋼的焊接性比馬氏體鋼和鐵素體鋼都好。但是，當焊接工藝制訂不當時也會出現一些問題。主要問題如下。

（1）焊接熱裂紋問題。焊縫和近縫區均可能產生熱裂紋。最常見的是在焊縫金屬中產生結晶裂紋，有時在近縫區也會產生液化裂紋。鋼中的含鎳量越高，產生熱裂紋的傾向越大。

（2）焊接接頭腐蝕問題。焊接接頭有可能產生兩種腐蝕問題。

①晶間腐蝕。焊接接頭有三個部位有可能產生晶間腐蝕：a.焊縫晶間腐蝕；b.敏化區腐蝕；c.近縫區刀狀腐蝕（圖4-1）。這三種晶間腐蝕不會在同一接頭上同時出現。其中，焊縫晶間腐蝕發生在采用單純的18-8型焊接材料焊接18-8型鋼以后，焊縫又經受了600～1000℃加熱的情況下，或多層焊時前層焊縫受到后層焊縫600～1000℃加熱的區域；敏化區腐蝕發生在不含穩定化元素（如Ti、Nb等）而又不是超低碳的18-8型鋼的熱影響區中加熱溫度達到600～1000℃的區域；近縫區刀狀腐蝕只發生在含有Ti、Nb等穩定化元素的奧氏體鋼接頭的近縫區。

圖4-1　奧氏體鋼接頭的晶間腐蝕

1—焊縫晶間腐蝕；2—敏化區腐蝕；3—刀狀腐蝕

②應力腐蝕。由于奧氏體鋼的導熱系數小、線膨脹系數大，在焊接不均勻加熱的情況下，接頭處很容易產生較大的焊接殘余拉伸應力，因而在與鋼材匹配的介質共同作用下容易產生應力腐蝕。例如，MgCl₂、CaCl₂等對奧氏體鋼并無腐蝕作用，但對有焊接殘余拉伸應力的接頭卻有腐蝕開裂作用。有資料表明，焊接接頭過熱區對應力腐蝕開裂最為敏感。

（3）焊接接頭脆化問題。奧氏體鋼在生產中用途很廣，可以用在耐蝕、耐熱、耐低溫等各種工作條件下，但在不同的工作條件下對焊接接頭性能的要求不同。如果用做工作在室溫或350℃以下的不銹鋼，主要要求其具有耐蝕性；如果用做熱強鋼，則要求其在高溫下有足夠強度的同時，有足夠的塑性和韌性；如果作為低溫鋼，則主要要求接頭有良好的低溫韌性。但是，如果焊接工藝制訂不當，則可能產生高溫脆化問題和低溫脆化問題。

①高溫脆化。高溫下進行短時拉伸試驗和持久強度試驗表明，當奧氏體鋼焊縫中含有較多鐵素體化元素或較多的σ相時，都會發生顯著的脆化現象。一般認為與鐵素體化元素促使析出σ相和由δ相能直接轉變成σ相有關。鐵素體δ越多，影響越嚴重，因此要求長期工作在高溫的焊縫中所含的δ相數量應當小于5%。

②低溫脆化。試驗表明，奧氏體鋼焊縫中一次鐵素體δ相不僅能引起高溫脆化，而且也能引起低溫脆化，δ相數量越多，低溫脆化越嚴重。因此，為了滿足低溫韌性的要求，最好不采用γ+δ雙相組織，而應取得單相奧氏體組織。實際上即使采用單相奧氏體組織，其低溫韌性也低于經固溶處理的母材。

焊接奧氏體不銹鋼時，產生熱裂紋的因素如下。

a.鉻鎳奧氏體不銹鋼成分復雜，含有較多的能夠形成低熔點共晶體的合金元素和雜質；

b.奧氏體結晶的枝晶方向性強，容易造成偏析聚集；

c.奧氏體的線膨脹系數大，冷卻時焊縫收縮應力大。

為防止產生熱裂紋，應采取以下措施。

a.控制焊縫組織。焊縫為奧氏體加少量鐵素體雙相組織，不僅能防止晶間腐蝕，也有利于減少鋼中低熔點雜質偏析，阻礙奧氏體晶粒長大，防止熱裂紋；

b.控制化學成分。對18-8型不銹鋼，應減少焊縫中鎳、碳、磷、硫元素的含量和增加鉻、鉬、硅、錳等元素的含量；

c.選用小功率焊接參數和冷卻速度快的工藝方法，避免過熱，提高抗裂性。

2.馬氏體不銹鋼焊接工藝

這類鋼主要特點是含有較高的鉻和較高的碳，所以具有淬硬性。當溫度不超過30℃時，在弱腐蝕介質中，有良好的耐腐蝕性（如鹽水溶液、硝酸及某些濃度不高的有機酸等）；在熱處理與拋光后，具有良好的機械性能。這類鋼的牌號有2Cr13、3Cr13、9Cr18等。

馬氏體鋼淬硬傾向很大。在冷卻的條件下就能產生高硬度的馬氏體組織，在所有的不銹鋼和高合金耐熱鋼中其焊接性最差，焊接時容易產生以下問題。

（1）焊接冷裂紋是馬氏體鋼很突出的問題。這一方面與其淬硬性大有關，另一方面也與馬氏體導熱性差，能引起較大的焊接內應力有關，特別是含碳量比較高的鋼和剛性比較大的焊接結構很容易產生焊接冷裂紋，因此，一般都需要采取預熱和焊后熱處理等措施。

（2）焊接接頭處近縫區過熱脆化和回火脆化：當冷卻速度較大時，近縫區能產生粗大的馬氏體組織，使接頭塑性下降；當冷卻速度較小時，則產生粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使接頭的塑性更顯著下降，因此焊接時應注意控制冷卻速度，避免近縫區過熱脆化。而且馬氏體鋼及其焊接接頭在375～575℃的范圍內加熱并逐漸冷卻時，能產生比較明顯的斷裂韌性降低現象。這是由回火脆化引起的，因此熱處理時應避開回火脆化溫度區。

3.鐵素體不銹鋼焊接工藝

鐵素體不銹鋼以鉻為主要合金元素，鉻含量一般是13%～30%。含碳量較低，均在0.25%以下。這類鋼具有良好的熱加工性和一定的冷加工性，經淬火也不會硬化，在400～600℃溫度區間停留時，易出現脆化現象。屬于這類鋼的牌號有：Cr17、Cr17Ti、Cr17Mo2Ti、Cr25、Cr25Mo3Ti、Cr28等。

鐵素體鋼中鐵素體形成元素鉻的含量很高，有些鋼中還加入了一些鉛、鉬和硅等鐵素體形成元素，大多數鋼在高溫下完全失去了轉變成奧氏體的可能性。這種鋼沒有淬硬性，焊接性比馬氏體鋼好，但比奧氏體鋼差。鐵素體鋼焊接時主要有以下兩方面問題。

（1）焊接接頭脆化問題主要有三種方式。

①高溫過熱引起的脆化。鐵素體鋼焊縫和熱影響區中的過熱區的晶粒粗化傾向比較大。當接頭嚴重過熱時，晶粒劇烈地長大，使常溫下的沖擊韌度顯著地降低，而且，如果焊接內應力比較大，還容易產生裂紋。這種脆化無法用焊后熱處理來改善。過熱脆化的主要原因與這種鋼沒有重結晶過程有關。

②475℃脆化。鐵素體鋼由于含鉻量很高，475℃脆化問題比較突出。在熱影響區被加熱到350～550℃的部位很容易產生475℃脆化，因此應盡量縮短在這個溫度區停留的時間，同時，在預熱、焊后熱處理時都應避開這個溫度范圍。

③σ相脆化。這也是鐵素體鋼焊接時比較突出的問題，在焊接接頭被加熱到520～820℃的部位和當焊接接頭整體在520～820℃的范圍內加熱時，都容易產生σ相脆化。

（2）焊接接頭晶間腐蝕問題。鐵素體鋼比奧氏體鋼有更大的晶間腐蝕敏感性，腐蝕部位在熱影響區中被加熱至925℃到熔合線之間。鐵素體鋼一般是退火狀態供貨，金相組織是鐵素體加少量碳化物和少量金屬間化合物，此時，碳化物分布比較均勻。焊接時，當金屬被加熱到925℃以上時，碳化物溶解到鐵素體中。在隨后冷卻時，由于碳在鐵素體中的溶解度下降，碳要從鐵素體中析出，而碳在鐵素體中的擴散速度大，因此能擴散到晶界與鉻形成碳化鉻。而鉻在鐵素體中的擴散速度相對較慢，不能及時向晶界補充自由態的鉻，因而在晶界會造成貧鉻，使晶間的耐蝕性大大下降。但是這種腐蝕傾向在經過650～815℃短時加熱而使鉻加速向晶界擴散后可消失。

當鐵素體含鉻量高，或加入一些能固定碳的元素時，可提高抗晶間腐蝕的能力，例如1Cr28、1Cr17Ti型鋼具有良好的抗晶間腐蝕能力。

二、焊接工藝與操作技巧

氬弧焊焊接不銹鋼的適用范圍如表4-1所示。

表4-1　氬弧焊焊接不銹鋼的適用范圍

1.奧氏體不銹鋼焊接技巧

氬弧焊主要用于多層焊時的封底焊和薄件焊接，特別是當焊接接頭的拘束度較大時，最好采用鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊。在不使近縫區過熱脆化的前提下適當增大焊接熱輸入，可減小產生冷裂紋的傾向。氬弧焊的焊接接頭有較高的質量，所以，對于厚度較薄的不銹鋼焊件通常采用氬弧焊，其中又以手工鎢極氬弧焊應用最為普遍。

（1）手工鎢極氬弧焊用于焊接0.5～3mm的不銹鋼薄板。一般采用直流正極性，也可以采用交流弧焊電源。厚度大于3mm的不銹鋼，可采用熔化極氬弧焊，此時用直流反極性或用交流弧焊電源。

（2）氬弧焊的焊接材料（焊絲）一般與基本金屬相同，也可根據鋼材的化學成分和使用條件從有關手冊中選用。其中，18-8型不銹鋼氬弧焊時，一般采用H0Cr18Ni9或H1Cr18Ni9Ti焊絲。用H1Cr18Ni9Ti焊絲時，飛濺較少，焊縫成形良好，并具有良好的抗晶間腐蝕性能。HCr18Ni11Mo焊絲可用于在高溫下工作的設備。

（3）氬氣的純度不得低于99.6%。為了獲得高質量的焊縫，常在氬氣中摻入2%～5%氧氣可以細化熔滴尺寸，達到電弧穩定、成形良好以及去氫的目的。

（4）必須采取背面充氬保護工藝，使焊縫背面受到氬氣的保護，防止接頭因氧化而產生未熔合缺陷，即背部焊道“發渣”現象，可以通過在工件背面充氬氣或者在焊件背面用焊劑保護的方法來防止，如圖2-31～圖2-33所示。

（5）焊接速度適當快些為佳，這有利于減小焊件的變形和減少焊縫中的氣孔。但也不應過快，以免造成焊縫不均勻和形成未焊透等缺陷。施焊過程中，焊槍不應做橫向擺動，以減少過熱區。

（6）熔化極氬弧焊的特點是生產率高，焊縫熱影響區小，焊件變形小，抗腐蝕性好，易于實現自動化。

手工鎢極氬弧焊焊接規范見表4-2。

表4-2　手工鎢極氬弧焊焊接規范

（7）在不銹鋼氬弧焊過程中，可以通過觀察焊縫表面顏色來判斷氬氣的保護效果。當采用99.99%的氬氣作為保護氣體，焊縫表面顏色呈銀白、金黃色時的保護效果最佳，呈藍色時為良好，紅灰色次之，灰色和黑色的保護效果不好，其中焊縫呈黑色時保護效果最差，應停止施焊，進行操作和氣路系統的調整。

（8）對奧氏體不銹鋼焊接接頭進行酸洗鈍化主要是為了增加奧氏體不銹鋼焊件的耐腐蝕性而進行的一種表面處理方法。鈍化處理的流程為。

焊件表面清理和修補→酸洗→水洗、中和→鈍化→水洗和吹干。

①處理前先對焊件進行表面清理和修補，將表面損傷的地方修補好，用手提砂輪磨光，最后把焊縫上的渣殼和近旁的飛濺物清除干凈。

②酸洗的目的是去除氧化皮。因為經熱加工的不銹鋼及焊接熱影響區都會產生一層氧化皮，影響其耐腐蝕性。酸洗有酸液酸洗和酸膏酸洗兩種方法。

a．酸液酸洗有浸洗和刷洗兩種。酸液的配方如下。

浸洗酸液配方：硝酸（密度1.42g/cm³）的質量分數為20%、氫氟酸5%、其余為水，酸洗溫度為室溫。

刷洗酸液配方：鹽酸50%＋水50%。

b．酸膏配方：鹽酸（密度1.19g/cm³）20mL、水100mL、硝酸（密度1.42g/cm³）30mL、膨潤土150g。

浸洗法適用于較小的設備和零件。浸洗時，將設備和部件浸沒在酸洗液里25～45min，取出后用清水沖凈。刷洗法適用于大設備，用刷子蘸取酸洗液刷洗，直到呈白亮色為止，再用清水沖凈。

③鈍化是在酸洗后進行。鈍化液的配方為：硝酸5mL、重鉻酸鉀1g、水95mL。處理溫度為室溫，處理時間1h。方法是將鈍化液在焊件表面抹一遍，保持1h后用冷水沖，用布仔細擦洗，最后用熱水沖洗干凈，并將其吹干。經鈍化處理后的不銹鋼，外表全部呈銀白色，具有較高的耐腐蝕性。

2.馬氏體不銹鋼焊接技巧

馬氏體不銹鋼有強烈的淬硬傾向，焊后殘余應力較大，容易產生裂紋。含碳量越高，則淬硬和裂紋傾向也越大。為了提高焊接接頭的塑性，減少內應力，避免產生裂紋，焊接馬氏體不銹鋼時應注意以下幾點：

（1）焊接方法。當焊接接頭的拘束度較大時，最好采用鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊。在不使近縫區過熱脆化的前提下適當增大焊接熱輸入，可減小產生冷裂紋的傾向。鎢極惰性氣體保護焊主要用于多層焊時的封底焊和薄件焊接。

（2）由于這種鋼具有很大的冷裂敏感性，焊前必須嚴格清理焊件、焊絲，使焊接保持低氫甚至超低氫條件。

（3）焊接材料的選擇。當選用與母材成分相近的焊絲時，焊后需進行回火處理；當選用奧氏體不銹鋼焊絲時，焊后可不進行熱處理。

（4）焊前預熱。預熱溫度首先要考慮鋼中的含碳量，其次根據焊件厚度和剛性大小、焊接材料成分和焊接方法等來決定，見表4-3。為防止脆化，一般預熱溫度不宜超過400℃。

表4-3　馬氏體鋼焊接時的預熱溫度

（5）焊接參數應選用大電流，以減緩冷卻速度。

（6）焊后緩冷。一般應緩冷到150～200℃。

3.鐵素體不銹鋼

（1）盡量采用小的熱輸入、窄焊道等焊接技術。

（2）焊接時將焊件預熱100～150℃，含鉻量越高，預熱溫度越高。

（3）焊絲的選用見表4-4。采用鉻鎳奧氏體不銹鋼焊絲時，不用進行焊前預熱和焊后熱處理。

（4）避免連續施焊。多層焊時應控制層間溫度高于150℃，采用小的焊接線能量。

（5）焊后進行回火處理，回火溫度750～800℃，改善焊件的塑性，提高耐蝕性。回火后必須快冷，防止出現475℃脆性和σ相脆化。

表4-4　鐵素體不銹鋼氬弧焊焊絲

三、操作實例

1.不銹鋼波紋管手工鎢極氬弧焊

波紋管和法蘭材料為1Cr18Ni9Ti，管壁厚度0.5mm。接頭形式分波紋管對接和法蘭與波紋管對接兩種，如圖4-2所示。焊接工藝要點如下。

圖4-2　波紋管的接頭位置

（1）為控制焊接變形，采用圖4-3所示波紋管焊接專用夾具。先進行波紋管對接，然后再進行法蘭與波紋管的對接，并采用小型焊接變位機帶動波紋管旋轉。

圖4-3　波紋管氬弧焊專用夾具

1—支座；2—波紋管；3—軸承；4—接頭

（2）0.5mm薄壁管對接的焊接電流為20A左右，故應采用NSA5-25小型鎢極脈沖氬弧焊機。若使用功率較大的手工氬弧焊機，則起弧沖擊電流過大，電弧不穩，很難在20A左右進行正常操作。

（3）保護氣為氬（94%～99%）和氫（1%～6%）的混合氣體。加氫的作用是改善電弧特性，凈化熔池和有利焊縫成形。

（4）焊前須用丙酮仔細清洗工作，焊時不加填充焊絲。兩種不同的焊接工藝參數見表4-5和表4-6。

表4-5　波紋管鎢極氬弧焊工藝參數

表4-6　波紋管脈沖氬弧焊工藝參數

（5）焊接位置為平焊。引弧后待工件開始熔化形成熔池即啟動焊接變位機，使工件轉動。焊接過程中要正確控制弧長，并注意鎢極與接縫對中。焊后著色檢驗。

2.不銹鋼高壓容器的焊接

高壓容器的結構如圖4-4所示，由固溶狀態供貨的板材經壓延成形為兩個半球殼體后焊接而成。材質為0Cr17Ni7MoAl半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，化學成分見表4-7。球殼體壁厚3.5mm，每一半球殼體都有一段68.5mm寬的直邊，壁厚7mm。需要焊接的部位有法蘭與半球殼體的焊接和兩半球殼體對接焊兩部分。

圖4-4　高壓球形容器結構示意圖

表4-7　0Cr17Ni7MoAl半奧氏體沉淀硬化不銹鋼的化學成分

（1）半球的對接焊。

①兩半球對接環縫的坡口形式如圖4-5所示。

②焊件焊前進行噴砂處理。

③組對間距為50mm，對接處的間隙不大于0.5mm。

④用手工鎢極氬弧焊進行定位焊，不填焊絲，

⑤然后將定位焊后的球形容器置于專用的焊接轉胎上采用自動鎢極氬弧焊打底，采用埋弧焊填充和蓋面，焊絲成分均與母材相同，直徑均為2mm。焊劑牌號為HJ2160。焊接參數見表4-8。

（2）法蘭的焊接。

①采用手工鎢極氬弧焊焊接，法蘭與半球殼體的坡口形式如圖4-6所示。

圖4-5　對接環縫坡口形式

圖4-6　法蘭與球體的焊接坡口

1—法蘭；2—球殼體

表4-8　半球對接焊焊接參數

②焊絲成分與母材相同。

③為防止焊接變形，里側采用純銅制成的成形墊板。它起支撐作用，并能通氬氣對焊縫背面進行保護。外側采用壓板固定。

④施焊時，第一層采用不填絲的打底焊，第二層采用填絲的蓋面焊，焊接參數見表4-9。

表4-9　法蘭與球體的焊接參數

3.　不銹鋼儲罐的MAG焊

某化工機械公司焊接多臺直徑2800mm，長度12000mm，板厚δ=12～14mm的臥式儲罐，材質分別為0Cr18Ni19和00Cr18Ni12Mo2Ti。縱縫及環縫采用熔化極氣體保護全自動焊工藝，入孔、接管、支座加強板采用熔化極氣體保護半自動焊工藝。

焊接工藝如下。

（1）焊機選用YM-500AG1HGE微電腦控的逆變脈沖MIG/MAG焊機。脈沖電流、基值電流、脈沖上升時間、下降時間及脈沖頻率等焊接參數由微電腦自行設定。該焊機采用φ1.2mm焊絲時，脈沖電流300～500A，一個脈沖過渡一個熔滴，其熔滴過渡電流超過臨界電流值，始終處于射流狀態，能夠滿足δ=2～50mm不同板厚的平焊、立焊（立向下焊）、角焊等工藝規范要求。

（2）采用40°～45°小截面坡口角度，焊縫截面積減小30%～38%，節省1/3的填充金屬量。

（3）采用實心不銹鋼焊絲，其化學成分與母材的化學成分相同或相似。0Cr18Ni19選用H0Cr21Ni10，00Cr18Ni12Mo2Ti選用H00Cr19NiMo2。

（4）用純氬氣保護時熔池表面張力較大，焊縫成形較差，余高稍高。加入2%氧氣后增加了熔池的潤濕性，焊縫成形平整美觀。所以保護氣體采用98%Ar+2%O₂（即氬氣流量24.5L/min，氧氣流量0.5L/min，用配比器混合或用三通管混合）。

（5）在上述氣體保護下，φ1.2mm實心不銹鋼焊絲，利用脈沖MIG焊，焊接電流大于80A，即可形成射流過渡實現無飛濺焊接。

（6）筒體及封頭焊前機械加工坡口，切削單邊坡口20°～22°，鈍邊1～2mm，組對間隙2～2.5mm，對接頭打底焊道基本達到單面焊雙面成形。焊槍及送絲機固定在行走小車上焊接縱焊縫；筒體在滾輪架上均勻轉動，焊槍固定在平臺托架上焊接環焊縫，最后一條環縫背面封底焊采用焊條電弧焊。

（7）小車行走時（縱縫焊接）或筒體滾動時（環縫焊接）在焊槍后面設置冷卻裝置（吸水海綿），隨焊隨冷，快速冷卻焊縫及熱影響區，以減少450～850℃敏化溫度區內停留時間，提高焊縫的耐蝕性能。

（8）焊接工藝規范參數。V形坡口對焊接縫，正面多層多道焊，背面封底焊。焊接電流180～220A，電弧電壓19～22V，焊接速度60～90cm/min，焊絲伸出長度10～15mm，左向焊法（即前進法，由右向左焊），焊槍行走角度80°～85°，工作角90°。

（9）打底層焊道以焊透為基準，調定焊接電流和焊接速度處于最佳配合參數。如背面未焊透可適當加大焊接電流或降低焊接速度。背面均勻焊透，可免去了背面清根的工藝要求。不銹鋼清根工藝難度較大，打磨量大，效率低，質量難于保證，并容易污染容器內表面，造成耐蝕性能下降。

（10）容器內焊縫最后焊接，焊后焊縫內外表面經鈍化處理。