奥氏体不锈钢焊接热裂纹的成因及防止对策

奥氏体不锈钢焊接热裂纹的成因及防止对策

万晓峰徐应云

万晓峰徐应云

河北华北石油工程建设有限公司河北沧州062552

摘要：奥氏体不锈钢热裂纹的产生主要是由于焊剂熔池中的冶金效应和内外部拉应力共同作用的结果。母材和焊材的化学成分将影响焊接熔池中的冶金效果，焊接工艺措施是确保减小拉应力产生的有效手段。为了有效地防止奥氏体不锈钢焊接热裂纹的产生，主要从两个方面入手，首先控制化学成分，采用低C、低S、低P、加入稳定化元素的母材和焊材；其次采用合理的焊接工艺措施，尤其将焊接线能量控制在较低水平，防止产生大的内应力。本文对0Cr25Ni20不锈钢的焊接热裂纹产生的原因进行分析，目的是保证该种不锈钢的焊接实用性，防止产生焊接裂纹。从焊接热裂纹的成因角度出发，采取热裂纹防止措施，保证0Cr25Ni20不锈钢的焊接质量。

关键词：奥氏体不锈钢；焊接；热裂纹；防止对策

不锈钢的种类按照其化学成分和组织结构的不同，可以分为以铬为主加元素的铁素体不锈钢和马氏体不锈钢，从理论上讲，与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，铬镍奥氏体不锈钢的焊接性被认为是较好的，但这并不意味着在所有的情况下该钢的焊接质量都能达到较高的使用要求。在役的奥氏体不锈钢焊接结构中，焊接接头出现热裂纹等问题案例时有发生，不仅影响了结构的正常使用和安全性，还给企业造成经济损失。

一、概述

不锈钢药芯焊丝因其具有工艺性能优良、力学性能稳定等特点，国外近年来广泛应用于石化、压力容器、造船、钢结构和工程机械等行业。我国处于不锈钢应用的高速增长期，不锈钢焊材的用量也随之迅猛增长。采用不锈钢药芯焊丝来焊接是近二三十年来的事，在研发不锈钢药芯焊丝的过程中也面临着诸多问题。其中一个不可避免的问题就是奥氏体不锈钢焊接过程中的热裂纹。焊接热裂纹不仅给生产带来许多困难，还可能带来一些事故，危害甚大。热裂纹是在焊接时高温产生的，故称热裂纹（hotcracking），热裂纹是由冶金因素和力学因素相互作用形成的。

二、奥氏体不锈钢焊接热裂纹产生因素

1、焊接结晶裂纹具有高温沿晶断裂的性质。发生高温沿晶断裂的条件是金属在高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性应变量，即ε≥δmin，式中ε为高温阶段晶间发生的塑性应变量，δmin为高温阶段晶间允许的最小变形量。δmin反映了焊缝金属在高温时晶间的塑性变形能力。金属在结晶后期，即处在液相线与固相线温度附近的“脆性温度区”，在该区域范围内其塑性变形能力最低。ε是焊缝金属在高温时受各种力综合作用所引起的应变，反映了焊缝金属的应力状态。这些应力主要是由于焊接的不均匀加热和冷却过程而引起，如热应力、组织应力和拘束应力等。

2、材料合金化程度越高，焊接时容易产生热裂纹。材料中含有较多的合金元素时，焊接时易产生方向性很强的粗大柱状晶组织，同时增大了液固相线的间距，加剧了偏析。奥氏体不锈钢焊缝结晶时，液、固相线的区间较大，结晶时间较长，且奥氏体结晶的枝晶方向性强，所以杂质偏析现象比较严重，并在晶界积聚。总的来说，在奥氏体不锈钢焊接中，促进热裂纹的元素顺序为P＞S＞Si＞Ni，抑制热裂纹的元素顺序为C＞Mn＞Cr。其中Cr和Ni是为满足一定的性能而设定的，因此为抗裂纹主要在其他几个元素上进行控制。除了进行单个含量的控制外，工程上还常采用裂纹指数HCI来评判热裂纹的敏感性。为了防止产生热裂纹，HCI应小于15。除元素的影响外，奥氏体不锈钢中的铁素体残余含量对焊接热裂纹的产生也有不可忽视的影响。常温组织为奥氏体相加少量的因过冷而残余的铁素体相。少量的铁素体在焊缝中呈孤岛状，可妨碍奥氏体相的枝晶发展，从而产生一定的细化晶粒和打乱结晶方向的作用。同时，少量的铁素体能溶解杂质以减少偏析，因此铁素体的存在对抗热裂纹是有利的。试验证明，铁素体相为5%～20%时，热裂纹倾向最小。

3、含有一定δ铁素体的铬镍奥氏体焊缝具有较高的抗凝固裂纹性能。铬镍奥氏体钢焊缝凝固时，根据不同的化学成分可能有三种结晶模式，即先结晶析出奥氏体并形成全奥氏体组织的模式；先结晶析出奥氏体后在晶界产生δ铁素体的模式和先析出δ铁素体后产生奥氏体+δ铁素体组织的模式。铬镍奥氏体焊缝结晶模式由先δ铁素体变为先奥氏体或全奥氏体模式时，抗凝固裂纹能力突然剧烈下降。

三、奥氏体不锈钢焊接热裂纹防止对策

1、冶金方面首先，在焊缝金属中严格限制B、S、P、Sn等有害元素含量，以防止热裂纹的产生。对于不允许存在铁素体的纯奥氏体焊缝，可以加入适当的锰，少许的碳、氮，同时减少硅的含量。其次，在焊缝金属或母材中增添一定数量的铁素体组织，使焊缝成奥氏体-铁素体双相组织，能很有效地防止焊缝热裂纹的产生。常用来促成铁素体的元素有铬、钼、钒等。

2、焊接工艺要点。首先，因奥氏体钢热导率低而线膨胀系数大，在焊后易产生焊接变形，焊接所需的热输入低。过高的热输入会造成焊缝开裂、降低抗蚀性能、变形严重和接头力学性能改变。采用小电流、低电压和窄焊道快速焊可使热输入减小。另外，应避免同一部位多次重复加热或高温停留时间长，多层焊时，每层焊缝的交接处应错开；尽可能每层施焊方向与前一层相反，层间温度控制在60℃以下。其次，奥氏体不锈钢焊缝受到污染其耐蚀性能和强度变差。因此焊前必须对焊接区表面作彻底的清理，层间若有焊渣必须清除后再焊，以防止夹渣，最后焊道表面也应清渣。最后，奥氏体钢母材和焊材中都含有与氧亲和力强的合金元素，为防止和减少焊接时的烧损，焊接时必须尽可能用短弧焊，不作横向摆动。由于焊缝受到污染其耐蚀性能和强度变差，因此焊前必须对焊接区表面作彻底的清理，层间若有焊渣必须清除后再焊，以防止夹渣，最后焊道表面也应清渣。

3、焊接工艺

（1）焊接方法的选择。由于在自由状态下焊接时易产生较大的焊接变形，所以应选用能量集中的焊接方法。同时由于其对过热较为敏感，只能采用低热输入进行快速焊接，氩弧焊应是首选的焊接方法。焊接时，焊缝背面需充氩保护，以保证背面成形良好和防止氧化。

（2）焊接材料的选择。焊接材料选择原则是在不致产生焊接裂纹的前提下保证焊缝金属具有与母材基本相同的热强性。这就要求其合金成分大致与母材相匹配。通过分析，选用φ1.2mm的H0Cr26Ni21焊丝。

奥氏体不锈钢焊接时，如果不能有效避免焊接缺陷，焊后对这些缺陷进行返修时则极易出现焊接热裂纹，主要是奥氏体材料导热差，且返修处应力比一次焊接时应力大，多次返修则应力更大。在工艺方面，采用焊接能量集中的焊接方法，工艺参数选择应遵循尽可能加快接头冷却的原则，工艺措施应有利于降低焊接残余拉应力。多层焊接时即使层间温度得到有效控制，焊接时输入的热量加上拘束应力，则足以在焊缝区或热影响区出现热裂纹。控制热裂纹的措施除了焊缝成形以外，最重要的就是温度和应力，当温度也能得到有效控制后，应力就是最主要的原因，这一点在多次返修易出裂纹特别是纵缝和环缝相交的丁字口附近最易出现，返修难度大，足以说明应力对热裂纹的影响，应严格控制温度。

参考文献：

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［2］孙咸．铬镍奥氏体不锈钢的焊接质量问题及对策［J］．机械工人，2013（2）：22－26．

［3］戴真金．347H奥氏体不锈钢的焊接热裂纹和再热裂纹［J］．化工设备与管道，2014（6）：54－58．