各類不銹鋼壓力容器的焊接工藝要點(diǎn)

所謂不銹鋼是指在鋼中加進(jìn)一定量的鉻元素后，使鋼處于鈍化狀態(tài)，具有不生銹的特性。為達(dá)到此目的，其鉻含量必須在12％以上。為進(jìn)步鋼的鈍化性，不銹鋼中還往往需加進(jìn)能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸，而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。

不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類，即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼，以高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn)：

① 焊接熱裂，奧氏體不銹鋼由于其熱傳導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，因此在焊接過(guò)程中，焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，焊縫易形成粗大的柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過(guò)程中，若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質(zhì)元素含量較高，就會(huì)在晶間形成低熔點(diǎn)共晶，在焊接接頭承受較高的拉應(yīng)力時(shí)，就易在焊縫中形成凝固裂紋，在熱影響區(qū)形成液化裂紋，這都屬于焊接熱裂紋。防止熱裂紋最有效的途徑是降低鋼及焊材中易產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4％ ~ 12％的鐵素體組織。

② 晶間腐蝕，根據(jù)貧鉻理論，在晶間上析出碳化鉻，造成晶界貧鉻是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此，選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩(wěn)定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③ 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂通常表現(xiàn)為脆性破壞，且發(fā)生破壞的過(guò)程時(shí)間短，因此危害嚴(yán)重。造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要原因是焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭的組織變化或應(yīng)力集中的存在，局部腐蝕介質(zhì)濃縮也是影響應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因。

④ 焊接接頭的σ相脆化，σ相是一種脆硬的金屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變。比如對(duì)于Cr25Ni20型焊縫在800℃ ~ 900℃加熱時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的γ→δ轉(zhuǎn)變。對(duì)于鉻鎳型奧氏體不銹鋼，特別是鉻鎳鉬型不銹鋼，易發(fā)生δ→σ相轉(zhuǎn)變，這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的σ化作用，當(dāng)焊縫中δ鐵素體含量超過(guò)12％時(shí)，δ→σ的轉(zhuǎn)變非常明顯，造成焊縫金屬的明顯的脆化，這也就是為什么熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將δ鐵素體含量控制在3％~10％的原因。

2. 鐵素體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

鐵素體不銹鋼分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類，其中普通鐵素體不銹鋼有Cr12 ~ Cr14型，如00Cr12、0Cr13Al；Cr16 ~ Cr18型，如1Cr17Mo；Cr25 ~ 30型。

由于普通鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高，故加工成形及焊接都較困難，耐蝕性也難以保證，使用受到限制，在超純鐵素體不銹鋼中嚴(yán)格控制了鋼中的碳和氮總量，一般控制在0.035％ ~ 0.045％、0.030％、0.010％ ~ 0.015％三個(gè)層次，同時(shí)還加進(jìn)必要的合金元素以進(jìn)一步進(jìn)步鋼的耐腐蝕性和綜合性能。與普通鐵素體不銹鋼相比，超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕性能，較多的應(yīng)用于石化設(shè)備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn)：

① 焊接高溫作用下，在加熱溫度達(dá)到1000℃以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大，焊后即使快速冷卻，也無(wú)法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。

② 鐵素體鋼本身含鉻量較高，有害元素碳、氮、氧等也較多，脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，缺口敏感性較強(qiáng)。因此，焊后脆化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

③ 在400℃ ~ 600℃長(zhǎng)時(shí)間加熱緩冷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)475℃脆化，使常溫韌性嚴(yán)重下降。在550℃ ~ 820℃長(zhǎng)時(shí)間加熱后，則輕易從鐵素體中析出σ相，也明顯降低其塑、韌性。

3. 馬氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級(jí)馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能，從Cr12為基的馬氏體不銹鋼，因加進(jìn)鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，除具有一定的耐腐蝕性能，還具有較高的高溫強(qiáng)度及抗高溫氧化性能。

馬氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)：Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)的淬硬傾向特別大，焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體，在焊接拘束應(yīng)力和擴(kuò)散氫的作用下，很輕易出現(xiàn)焊接冷裂紋。當(dāng)冷卻速度較小時(shí)，近縫區(qū)及焊縫金屬會(huì)形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物，使接頭的塑、韌性明顯降低。

低碳及超級(jí)馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)冷卻后，固然全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，但沒(méi)有明顯的淬硬現(xiàn)象，具有良好的焊接性能。

1. 奧氏體不銹鋼焊材選用

奧氏體不銹鋼焊材的選擇原則是在無(wú)裂紋的條件下，保證焊縫金屬的耐蝕性能及力學(xué)性能與母材基本相當(dāng)，或高于母材，一般要求其合金成分大致與母材成分匹配。對(duì)于耐蝕的奧氏體不銹鋼，一般?？春欢康蔫F素體，這樣既能保證良好的抗裂性能，又能有很好的抗腐蝕性能。但在某些特殊介質(zhì)中，如尿素設(shè)備的焊縫金屬是不答應(yīng)有鐵素體存在的，否則就會(huì)降低其耐蝕性。對(duì)耐熱用奧氏體鋼，應(yīng)考慮對(duì)焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量的控制。對(duì)于長(zhǎng)期在高溫運(yùn)行的奧氏體鋼焊件，焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量不應(yīng)超過(guò)5％。讀者可根據(jù)Schaeffler圖，按焊縫金屬中的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量估計(jì)出相應(yīng)的鐵素體含量。

2. 鐵素體不銹鋼焊材選用

鐵素體不銹鋼焊材基本上有三類：1)成分基本與母材匹配的焊材；2)奧氏體焊材；3)鎳基合金焊材，由于其價(jià)格較高，故很少選用。

鐵素體不銹鋼焊材可采用與母材相當(dāng)?shù)牟牧?，但在拘束度大時(shí)，很輕易產(chǎn)生裂紋，焊后可采用熱處理，恢復(fù)耐蝕性能，并改善接頭塑性。采用奧氏體焊材可免除預(yù)熱和焊后熱處理，但對(duì)于不含穩(wěn)定元素的各種鋼，熱影響區(qū)的敏化仍然存在，常用309型和310型鉻鎳奧氏體焊材。對(duì)于Cr17鋼，也可用308型焊材，合金含量高的焊材有利于進(jìn)步焊接接頭塑性。奧氏體或奧氏體一鐵素體焊縫金屬基本與鐵素體母材等強(qiáng)，但在某些腐蝕介質(zhì)中，焊縫的耐蝕性可能與母材有很大的不同，這一點(diǎn)在選擇焊材時(shí)要留意。

3. 馬氏體不銹鋼焊材選用

在不銹鋼中，馬氏體不銹鋼是可以利用熱處理來(lái)調(diào)整性能的，因此，為了保證使用性能的要求，特別是耐熱用馬氏體不銹鋼，焊縫成分應(yīng)盡量接近母材的成分。為了防止冷裂紋，也可采用奧氏體焊材，這時(shí)的焊縫強(qiáng)度必然低于母材。

焊縫成分同母材成分相近時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)將會(huì)同時(shí)硬化變脆，同時(shí)在熱影響區(qū)中出現(xiàn)回火軟化區(qū)。為了防止冷裂，厚度3mm以上的構(gòu)件往往要進(jìn)行預(yù)熱，焊后也往往需要進(jìn)行熱處理，以進(jìn)步接頭性能，由于焊縫金屬與母材的熱膨脹系數(shù)基本一致，經(jīng)熱處理后有可能完全消除焊接應(yīng)力。

當(dāng)工件不答應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱或熱處理時(shí)，可選擇奧氏體組織焊縫，由于焊縫具有較高的塑性和韌性，能松弛焊接應(yīng)力，并且能較多地固溶氫，因而可降低接頭的冷裂傾向，但這種材質(zhì)不均勻的接頭，由于熱膨脹系數(shù)不同，在循環(huán)溫度的工作環(huán)境下，在熔合區(qū)可能產(chǎn)生剪應(yīng)力，而導(dǎo)致接頭破壞。

對(duì)于簡(jiǎn)單的Cr13型馬氏體鋼，不采用奧氏體組織的焊縫時(shí)，焊縫成分的調(diào)整余地未幾，一般都和母材基體相同，但必須限制有害雜質(zhì)S、P及Si等，Si在Cr13型馬氏體鋼焊縫中可促使形成粗大的馬氏體。降低含C量，有利于減小淬硬性，焊縫中存在少量Ti、N或Al等元素，也可細(xì)化晶粒并降低淬硬性。

對(duì)于多組元合金化的Cr12基馬氏體熱強(qiáng)鋼，主要用途是耐熱，通常不用奧氏體焊材，焊縫成分希看接近母材。在調(diào)整成分時(shí)，必須保證焊縫不致出現(xiàn)一次鐵素體相，因它對(duì)性能十分有害，由于Cr13基馬氏體熱強(qiáng)鋼的主要成分多為鐵素體元素(如Mo、Nb、W、V等)，為保證全部組織為均一的馬氏體，必須用奧氏體元素加以平衡，也就是要有適當(dāng)?shù)腃、Ni、Mn、N等元素。

馬氏體不銹鋼具有相當(dāng)高的冷裂傾向，因此必須嚴(yán)格保持低氫，甚至超低氫，在選擇焊材時(shí)，必須要留意這一點(diǎn)。