四種類型的不鏽鋼以及合金元素的作用
不鏽鋼可分為四種類型:奧氏體型、馬氏體型、鐵素體型和雙相不鏽鋼(表1)。
這是根據不鏽鋼在室溫時的金相組織劃分的。當低碳鋼被加熱到1550℉時,其組織從室溫時的鐵素體相轉變成奧氏體相。而冷卻時,低碳鋼組織又重新轉變成鐵素體。高溫時存在的奧氏體組織是非磁性的,而且相比室溫鐵素體組織其強度較小,韌性較好。
當鋼中的Cr含量大於16%時,室溫的鐵素體組織得到固定使得鋼材在所有溫度範圍內保持鐵素體態。因此,稱為鐵素體不鏽鋼。當Cr含量大於17%,Ni含量大於7%時,奧氏體相得到固定,使得從低溫到幾乎熔點的範圍內均保持奧氏體態。
奧氏體不鏽鋼通常稱為“Cr-Ni”型,馬氏體和鐵素體不鏽鋼直接稱為“Cr”型。不鏽鋼和填充金屬中的元素可分為奧氏體形成元素和鐵素體形成元素。最主要的奧氏體形成元素有Ni、C、Mn和N,鐵素體形成元素有Cr、Si、Mo和Nb。調整元素含量可控制焊縫中的鐵素體含量。
奧氏體型不鏽鋼相比含Ni量低於5%的不鏽鋼更容易焊接而且焊接質量更好。奧氏體不鏽鋼的焊接接頭強韌性很好,一般不需要焊前預熱和焊後熱處理。在不鏽鋼焊接領域,奧氏體不鏽鋼佔全部不鏽鋼用量的80%,因此本文的重點就是奧氏體不鏽鋼的焊接。
如何選擇正確的不鏽鋼焊材?
如果母材是相同的,首要準則就是“與母材匹配”。例如焊接310或316不鏽鋼,就選擇相應的焊材。
焊接異種材料,則遵循選擇與合金元素含量高的母材相匹配的準則。例如焊接304和316不鏽鋼,則選擇316型焊材。
但是,也存在很多不遵循“匹配母材”原則的特殊情況,這時就要“查閱焊材選擇表”。例如,304型不鏽鋼是最常見的母材,但是沒有304型的焊條。
假如要焊材與母材匹配,如何選擇焊材來焊接304不鏽鋼?
焊接304不鏽鋼時,使用308型焊材,因為308不鏽鋼中的額外元素可以更好的穩定焊縫區域。
308L也是一個可接受的選擇。L表示低碳含量,3XXL不鏽鋼表示碳含量≤ 0.03%,而標準的3XX不鏽鋼可最高含有0.08%的碳含量。
由於L型焊材與非L型焊材屬於同一型別的分類,因此生產產商應該特別考慮使用L型焊材,因為它的低碳含量可以減少晶間腐蝕的傾向(圖1)。實際上,筆者認為如果生產廠商希望升級產品的話,L型焊材將獲得更廣泛的應用。
圖1 使用L型焊材可降低發生晶間腐蝕的傾向
採用GMAW方法焊接的生產廠商也考慮使用3XXSi型焊材,因為Si可改善潤溼性(圖2)。在焊件具有較高隆起或者在角焊縫或搭接焊縫的焊趾處焊接熔池連線不良的情況下,使用含Si的氣保焊絲可潤溼焊縫並提高熔敷率。
圖2 為改善GMAW焊接中的焊材潤溼性,選用含Si焊絲,如308L Si或316L Si
如果考慮碳化物析出,可選擇含有少量Nb元素的347型焊材(最後一個問題)。
如何焊接不鏽鋼與碳鋼?
為了降低成本,一些結構件會在碳鋼表面焊接一層耐腐蝕層。當焊接不含合金元素的母材與含合金元素的母材時,使用合金含量更高的焊材以平衡焊縫中的稀釋率。
焊接碳鋼和304或316不鏽鋼時,以及其他異種不鏽鋼焊接時(表2),多數情況下考慮選用309L焊材。如果希望得到更高的Cr含量,則選用312型。
需要指出的是,奧氏體不鏽鋼的熱膨脹率比碳鋼高50%。當焊接時,熱膨脹率的差異會產生內應力,從而導致裂紋產生,這時需要選擇合適的焊材或指定合適的焊接工藝(圖3)。
圖3 焊接碳鋼和不鏽鋼時,由於熱膨脹率不同導致的翹曲變形需更大程度的補償
什麼是合適的焊前清理操作?
當與其他材料焊接時,首先使用不含氯離子的溶劑清除油汙、標記和灰塵。此外,焊接不鏽鋼時首先要注意的就是避免受到碳鋼的汙染而影響耐蝕性。一些公司採用不鏽鋼和碳鋼分開存放以避免交叉汙染。在清理坡口周圍區域時,使用針對不鏽鋼的專用磨砂輪和刷子。有時還需要對接頭處進行二次清理。由於不鏽鋼焊接時的電極補償操作比焊接碳鋼時更難,因此其接頭清理工作非常重要。
什麼是正確的焊後清理操作?為什麼不鏽鋼焊件會生鏽?
首先,我們回想一下,不鏽鋼不生鏽的原因是:Cr與O的反應在材料表面生成了一層緻密的氧化物層,並起到了保護作用。不鏽鋼生鏽是因為碳化物的析出(見最後一個問題)以及焊接過程中的加熱造成焊件表面生成了鐵的氧化物。在焊態,完美的焊件也可能在24小時內在焊接熱影響區邊界處的生鏽地方產生咬邊。
因此,為了使新的鉻氧化物重新生成,不鏽鋼焊接後需要磨光、酸洗、打磨或者洗刷。需要強調的是,打磨機和刷子必須專有專用。
為什麼不鏽鋼焊絲有磁性?
全奧氏體組織的不鏽鋼是無磁性的。但是,焊接時較高的溫度使得組織中晶粒長大,焊後裂紋敏感性增大。為了降低熱裂紋敏感性,焊材製造商向焊材中加入鐵素體形成元素(圖4)。鐵素體相使得奧氏體晶粒變細,從而抗裂紋能力增大。
圖4 避免熱裂紋,多數奧氏體型焊材都含有少量的鐵素體。圖片表示309L焊材中的奧氏體基體上分佈的鐵素體相(灰色部分)。
磁鐵不會吸住奧氏體焊縫金屬,但是手持磁鐵時可以感受到輕微的吸力。但是,這也造成一些使用者錯認為產品貼錯了標籤,或者用錯了焊材(特別是包裝上標籤被撕掉時)。
焊材中的鐵素體數量取決於應用的服役溫度。例如,過多的鐵素體降低了低溫時的韌性。因此,用於LNG管道的308型焊材的鐵素體數在3-6之間,而標準308型焊材的鐵素體數為8。簡言之,焊材可能看起來很相似,但是很微小的成分差別有時就會造成很大的差別。
如何更輕鬆地焊接雙相不鏽鋼?
通常,雙相不鏽鋼組織中的奧氏體相和鐵素體相各佔50%左右。鐵素體相的存在可以提高強度和耐應力腐蝕效能,而奧氏體相可以提高韌性。兩相的共同作用使得雙相不鏽鋼的效能更加優異(圖5)。雙相不鏽鋼的範圍很廣,最常見的型號是2205:含有22%Cr,5%Ni,3%Mo以及0.15%N。
圖5 雙相不鏽鋼綜合了鐵素體和奧氏體的優點。圖片是鐵素體基體上分佈著奧氏體相(白色部分)的雙相焊縫組織
在焊接雙相不鏽鋼時,太多鐵素體的存在可能造成一些問題(電弧的熱量使得鐵素體基體中的原子重新排序)。為此,焊材需要提供更多的奧氏體形成元素,通常是比母材高2-4%的Ni。例如,焊接2205不鏽鋼時用的藥芯焊絲含有8.85%Ni。
焊後,焊縫中的鐵素體含量在25-55%之間(也可能更高)。注意:焊後冷卻速度要足夠慢,使得奧氏體重新形成,但是不能太慢,太慢會析出金屬間相,也不能太快,太快會在熱影響區產生過多的鐵素體。務必遵循產商提供的焊接工藝和焊材選擇手冊。
為什麼焊接不鏽鋼時要隨時調整引數?
焊工在焊接不鏽鋼時,隨時調整焊接引數(電壓、電流、電弧長度、感應係數、脈衝寬度等)的最主要原因是不匹配的焊材成分。化學成分很重要,批次之間成分的差異可以造成焊接行為很大的不同,比如差的潤溼性和脫渣性。焊材直徑、表面清潔度、澆注效能、以及螺旋形狀均可影響GMAW和FCAW時的焊接行為。
如何控制奧氏體不鏽鋼中的碳化物析出?
在800-1600℉時,碳含量超過0.02%時,C會向奧氏體晶界擴散遷移並在晶界處與Cr發生反應形成鉻的碳化物。如果Cr被C元素大量固定下來,耐蝕性會下降。此時如果暴露在腐蝕性環境下,就會發生晶間腐蝕,造成晶界被侵蝕掉(圖6)。
圖6 裝有腐蝕性介質的水槽裡,在焊接熱影響區發生了晶間腐蝕。使用含碳量低的或者特殊合金化的焊材可降低碳化物析出傾向,並增強耐蝕性。
為了控制碳化物析出,採用低含碳量的焊材來保證焊縫金屬中碳含量儘可能低(最多不超過0.04%)。也可以透過新增Nb和Ti元素來固定C,相對於Cr元素,元素Nb和Ti與C的親和力更大。347型焊材就是為此目的設計的。
如何為選擇焊材做準備?
首先,要在焊件的終端應用方面收集資訊,包括服役環境(特別是服役溫度,是否有腐蝕介質以及期望的耐腐蝕程度)和期望的服役壽命。服役條件下所需的力學效能的資訊也很重要,如強度,韌性,塑性和疲勞效能。
大多數領先的焊材廠商都會為選擇焊材提供指導手冊,在此,筆者再次強調:建議參閱焊材應用手冊或者聯絡他們的技術專家。他們會幫助我們更正確的選擇不鏽鋼焊材。
