【正文】 第 十 章 不銹鋼的焊接 主講老師：吳新華 本章講述要點： ? 慨述 ? 丌銹鋼的焊接性 ? 丌銹鋼的焊接工藝 ? 奧氏體丌銹鋼典型結(jié)構(gòu)的焊接工藝 ? 異種鋼焊接 不銹鋼焊接接頭的宏觀照片 YAGMAG激光電弧復合焊 第一節(jié) 不銹鋼及耐熱鋼的分類及特性 一、不銹鋼的基本定義 不 銹 鋼 的 定 義 原義 型 習慣 型 廣義 型 僅指在無污染的大氣 環(huán)境中能夠不生銹的鋼 指原義型含義不銹鋼與能耐 酸腐蝕的耐酸不銹鋼的統(tǒng)稱 泛指耐蝕鋼和耐熱鋼，統(tǒng)稱 為不銹鋼 Stainless Steels 不 銹 鋼 不銹鋼是耐蝕和耐 熱高合金鋼的統(tǒng)稱。 不銹鋼通常含有 Cr（ wCr≥12% ） 、 Ni、 Mn、 Mo等元素， 具有良好的耐腐蝕性、 耐熱性和較好的力學 性能， 適于制造要求耐腐蝕、 抗氧化、耐高溫和超 低溫的零部件和設備 二、不銹鋼及耐熱鋼的分類 按主要 化學成 分分類 鉻錳氮 不銹鋼 鉻鎳 不銹鋼 鉻 不銹鋼 指 Cr的質(zhì)量分數(shù)介于 12%～ 30%之間的不銹 鋼，其基本類型為 Cr13型 Cr的質(zhì)量分數(shù)介于 12%～ 30%， Ni的質(zhì)量分數(shù)介于 6%～ 12%和 含其他少量元素的鋼種，基 本類型為 Cr18Ni9鋼 屬于節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼，化學 成分中部分鎳被錳、氮替代，可 減少鎳的含量 如 1Cr18Mn8Ni5N、 1Cr18Mn6Ni5N 按 用 途 分 類 超低碳 CrNi鋼 (如 00Cr25Ni22Mo 00Cr22Ni5Mo3N)等 低碳 CrNi鋼（如 0Cr19Ni 1Cr18Ni9Ti） 高 Cr鋼（如 1Cr1 2Cr13） 不 銹鋼 抗氧 化鋼 熱 強鋼 高 Cr鋼（如 1Cr1 1Cr25Si2） CrNi鋼如 1Cr18Ni9Ti、 1Cr16Ni25Mo 4Cr25Ni 4Cr25Ni34等 CrNi鋼 （如 2Cr25Ni 2Cr25Ni20Si2） 以 Cr12為基的多元合金化 高 Cr鋼（如 1Cr12MoWV） 包括大氣環(huán)境下及有浸蝕性化學介質(zhì)中使用的鋼，工作溫度一般不超過500℃ ，要求耐腐蝕，對強度要求不高 。 在高溫下具有抗氧化性能的鋼，它對高溫強度要求不高。工作溫度可高達900～ 1100℃ 。 在高溫下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高溫強度，工作溫度可高達600～ 800℃ 。 按組織 分類 奧氏體鋼 鐵素體鋼 馬氏體鋼 鐵素體－奧 氏體雙相鋼 188:0Cr19Ni 1Cr18Ni9Ti(188Ti) 2520:2Cr25Ni20Si 4Cr25Ni20 2535:0Cr21Ni3 4Cr25Ni35 沉淀 硬化鋼 1Cr1 1Cr25Si2 000Cr30Mo2 Cr1 2Cr1 3Cr1 4Cr13 及 1Cr17Ni12 、 1Cr12MoWV 00Cr18Ni5Mo3Si 0Cr25Ni5Mo3N、 00Cr22Ni5Mo3N 0Cr17Ni4Cu4Nb，簡稱 174PH 0Cr17Ni7Al，簡稱 177PH 按室溫組織分類 《 GB/T 208782023 不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》 1) A型不銹鋼： 基體以面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體組織為主，無磁性，主要通過冷加工使其強化（并可能導致一定的磁性）的不銹鋼。是在高鉻不銹鋼中添加適當?shù)逆嚕ㄦ嚨馁|(zhì)量分數(shù)為 8%～ 25%）而形成的具有奧氏體組織的不銹鋼。它是應用最廣的一類，以高 CrNi鋼最為典型。 （固溶態(tài)供貨），綜合性能最好 188型： 1Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni8 2520型： 2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni20 2535型： 4Cr25Ni35 4Cr25Ni35Nb 2)F型不銹鋼： 基體以體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鐵素體組織為主，有磁性，一般不能通過熱處理硬化，但冷加工可使其輕微強化的不銹鋼。顯微組織為鐵素體，鉻的質(zhì)量分數(shù)在 %～ %范圍。主要用作耐熱鋼（抗氧化鋼），也用作耐蝕鋼。鐵素體鋼以退火狀態(tài)供貨。 常為耐蝕鋼 :1Cr1 1Cr25Si 000Cr30Mo2 按室溫組織分類 3)M型不銹鋼： 基體為馬氏體組織，有磁性，通過熱處理可調(diào)整其力學性能的不銹鋼。這類鋼中鉻的質(zhì)量分數(shù)為 %～ %。 Cr13系列最為典型 ，如 1Cr1 2Cr1 3Cr1 4Cr13及 1Cr17Ni12，常用作不銹鋼。熱處理對馬氏體鋼力學性能影響很大，須根據(jù)要求規(guī)定供貨狀態(tài)，或者是退火態(tài)，或者是淬火回火態(tài)。 4) AF（雙相）型不銹鋼： 基體兼有奧氏體和鐵素體兩相組織（其中較少相的含量一般大于 15%），有磁性，可通過冷加工使其強化的不銹鋼。鋼中鐵素體 δ占 60﹪ ～ 40﹪ ，奧氏體 γ占 40﹪ ～ 60﹪ ，故常稱為雙相不銹鋼。這類鋼具有極其優(yōu)異的抗腐蝕性能。 （固溶態(tài)供貨），腐蝕性能最好 185型： 00Cr18Ni5Mo3Si2； 225型 :00Cr22Ni5Mo3N 255型： 0Cr25Ni5Mo3N； 5)沉淀硬化型不銹鋼： 基體為奧氏體或馬氏體組織，經(jīng)時效強化處理以形成析出硬化相的高強鋼，主要用作高強度不銹鋼。 （時效處理態(tài)供貨） M， A+M 0Cr17Ni4Cu4Nb(174PH)； 0Cr17Ni7Al(177PH) 第二節(jié) 不銹鋼的特性 類型 鋼號 密度 ρ ( 20 ℃ ) / g cm 3 比熱容 c ( 0 ～ 1 00 ℃ ) / J (g ℃ ) 1 熱導率 λ ( 100 ℃ ) / J ( c m s ℃ ) 1 線膨脹系數(shù) α ( 0 ～ 1 00 ℃ ) / μm (m ℃ ) 1 電阻率 μ ( 20 ℃ ) / μΩ ( c m2 cm 1) 鐵素體鋼 0C r 13 4C r 25N 7. 75 7. 47 0. 46 0. 50 0. 27 0. 21 10. 8 10. 4 61 67 馬氏體鋼 1C r 13 2C r 13 7. 75 7. 75 0. 46 0. 46 0. 25 0. 25 9. 9 10. 3 57 55 18 8 型 奧氏體鋼 0C r 19N i 10 1C r 18N i 9T i 1C r 18N i 12 M o 2 8. 03 8. 03 8. 03 0. 50 0. 50 0. 50 0. 15 0. 16 0. 16 16. 9 16. 7 16. 0 72 74 74 25 20 型 奧氏體鋼 2C r 25N i 20 0C r 21N i 32 8. 03 8. 03 0. 50 0. 50 0. 14 0. 1 1 14. 4 14. 2 78 99 1. 不銹鋼的物理性能 一般地說，合金元素含量越多，熱導率 λ越小，而線膨脹系數(shù) α和電阻率 μ越大。馬氏體鋼和鐵素體鋼的 λ約為低碳鋼的 1/2，其 α不低碳鋼大體相當。奧氏體鋼的 λ約為低碳鋼的 1/3，其 α則比低碳鋼大50%，幵隨著溫度的升高，線膨脹系數(shù)的數(shù)值也相應地提高。由亍奧氏體丌銹鋼這些特殊的物理性能，在焊接過程中會引起較大的焊接變形，特別是在異種金屬焊接時，由亍這兩種材料的熱導率和線膨脹系數(shù)有很大差異，會產(chǎn)生很大的殘余應力，成為焊接接頭產(chǎn)生裂紋的主要原因乊一。 非奧氏體鋼均顯現(xiàn)磁性；奧氏體鋼中只有 2520型及 1636型奧氏體鋼丌呈現(xiàn)磁性； 188型奧氏體鋼在退火狀態(tài)下雖無磁性，在冷作條件能顯示出強磁性。 2. 不銹鋼的成分及力學性能 表 37 常用不銹鋼種的化學成分 (質(zhì)量分數(shù)， %) 一般常用不銹鋼種退火后的最低力學性能 耐蝕性能 應力腐蝕（ SCC):不銹鋼在特定的腐蝕介質(zhì)和 拉應力作用下出現(xiàn)的低于強度極限的脆性開裂現(xiàn)象。 晶間腐蝕：在晶粒邊界附近發(fā)生的有選擇性 的腐蝕現(xiàn)象。 縫隙腐蝕： 在電解液中，如在氯離子環(huán) 境中 ， 不銹鋼間或與異物接觸的表面間存在間隙時，縫隙中 不銹鋼鈍化膜吸附 Cl－而被局部破壞的現(xiàn)象。 點腐蝕（孔蝕或坑蝕）： 金屬材料表面大部分 不腐蝕或腐蝕輕微，而分散發(fā)生的局部腐蝕 均勻腐蝕： 接觸腐蝕介質(zhì)的金屬 表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象 (4) 晶間腐蝕 在晶粒邊界附近収生的有選擇性的腐蝕現(xiàn)象。受這種腐蝕的設備戒零件，外觀雖呈金屬光澤，但因晶粒彼此間已失去聯(lián)系，敲擊時已無金屬的聲音，鋼質(zhì)變脆。晶間腐蝕多卉不晶界層“貧鉻”現(xiàn)象有聯(lián)系。 ? 188奧氏體不銹鋼在 450～ 850℃ 加熱（敏化加熱）時，由于沿晶界沉淀出鉻的碳化物 Cr23C6，致使晶界邊界層 Cr低于 12%，形成貧 Cr區(qū)，在腐蝕介質(zhì)中即可沿晶粒邊界發(fā)生所謂晶間腐蝕 (Intergranular corrosion)。現(xiàn)已證明，若鋼中含碳量低于其溶解度， C%,就不會析出 Cr23C6，因而不會貧鉻。 鋼中含碳量越高，晶間腐蝕傾向越大。若鋼中存在碳化物穩(wěn)定元素，如 Ti、 Nb等 (常稱為穩(wěn)定化元素 )，經(jīng)穩(wěn)定化處理（加熱 850℃ *2h），優(yōu)先形成 NbC或 TIC，因可限制 Cr與 C結(jié)合，而防止 Cr的損失，故可提高抗晶間腐蝕性能。 (5) 應力腐蝕 也稱應力腐蝕開裂（ Stress Corrosion Cracking，簡稱 SCC），是指丌銹鋼在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應力作用下出現(xiàn)的低亍強度極限的脆性開裂現(xiàn)象。丌銹鋼的應力腐蝕大部分是由氯引起的。高濃度苛性堿、硫酸水溶液等也會引起應力腐蝕。 什么是敏化區(qū) ？ 188鋼型奧氏體不銹鋼在 450850℃ 溫度 范圍內(nèi)加熱后對晶間腐蝕最為敏感 ， 通常 把這一溫度區(qū)間成為敏化溫度區(qū)間 ， 在此 區(qū)間內(nèi)加熱的過程稱為敏化過程 。 超低碳 以及含 Ti或 Nb的奧氏體不銹鋼不易有 敏化區(qū)出現(xiàn) 。 σ 相脆化： 是 Cr的質(zhì)量分數(shù)約 45%的典型 FeCr 金屬間化合物 ， 無磁性 ， 硬而脆 。 Cr20%即可 產(chǎn)生一般在 500～ 900℃ 長時加熱有利于 σ 相的 形成 。 多分布在晶界 ， 降低韌性 。 475℃ 脆性： 主要出現(xiàn)在 Cr＞ 15%的鐵素體鋼 中 。 430～ 480℃ 之間長期加熱并緩冷 ， 導致在 常溫時或負溫時出現(xiàn)強度升高而韌性下降的現(xiàn)象 。 雜質(zhì)有促進作用 ， 高純度可抑制 。 易產(chǎn)生的 在 600700℃ 保溫 1h空冷可恢復 。 熱強性： 在高溫下長時間工作時對斷裂的抗力 （ 持久強度 ） ， 或在高溫下長時間工作時抗 塑性變形的能力 （ 蠕變抗力 ） 。 耐熱性能： 耐熱性能是指高溫下 ， 既有抗氧化 或耐氣體介質(zhì)腐蝕的性能即熱穩(wěn)定性 ， 同時又 有足夠的強度即熱強性 。 不銹鋼及 耐熱鋼的 高溫性能 第三節(jié) 奧氏體不銹鋼的焊接 性 一 、 奧氏體不銹鋼的類型 類型 188型奧 氏體不銹鋼 1812Mo型 奧氏體不銹鋼 為克服晶間腐蝕傾開發(fā)了 1Cr18Ni9Ti和 0Cr18Ni11Nb等 主要牌號有 1Cr18Ni9 和 0Cr18Ni9 2520型奧 氏體不銹鋼 超低碳 188型不銹鋼， 如 00Cr19Ni10等 0Cr17Ni12Mo 0Cr18Ni12Mo2Ti等 牌號有 0Cr25Ni20等 奧氏體丌銹鋼是丌銹鋼中最重要的鋼種，生產(chǎn)量和使用量約占丌銹鋼總產(chǎn)量及用量的 70%，該類鋼是一種十分優(yōu)良的材料，有極好的抗腐蝕性和生物相容性，因而在化學工業(yè)、沿海、食品、生物醫(yī)學、石油化工等領域中得到廣泛應用。 奧氏體不銹鋼的類型 常用的奧氏體型丌銹鋼根據(jù)其主要合金