馬氏體不銹鋼可分為鉻系馬氏體不銹鋼(gang)和低碳鉻-鎳-鉬系(超級)馬氏體不銹鋼。由于它們的合金系統不同,其微觀組織及其性能有較大的差異。
一、鉻(ge)系馬氏體不銹鋼的焊接(jie)性
鉻系馬氏體不銹鋼有 1Cr13、2Cr13、3Cr13、Y3Cr13、3Cr13Mo、4Cr13、3Cr16、7Cr17等鋼種,這些鋼種是鉻從11.5%~18%按其耐腐蝕性派生出來的。鉻是鐵素體形成元素,為了保持馬氏體組織,較高的鉻需要較多的碳含量,以使在熱處理后形成馬氏體。馬氏體不銹鋼在臨界溫度(AC3)以上是面心立方的奧氏體組織,在快速冷卻到臨界溫度以下時,奧氏體轉變為體心立方的馬氏體。組織的轉變引起體積變化,產生應力,從而提高了硬度和降低了塑性。這一特性對于焊接接頭的影響尤其重要,因此焊后在熱影響區容易引起裂紋。特別是電弧焊時,熔池因吸收氫的作用,剛度大的結構焊后經過一定的潛伏期,氫將引起焊縫和熔合區的延遲(冷)裂紋。與碳鋼、低合金鋼相比,馬氏體不銹鋼中氫的擴散速度緩慢,約為碳鋼的1/10~1/25。延遲裂紋在焊后5天之內仍應注意,有可能發生開裂。
鉻(ge)系馬(ma)氏(shi)體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)隨著碳(tan)含量(liang)(liang)的(de)增加,焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)冷裂紋傾(qing)向(xiang)加大。所以(yi)用來(lai)制造焊(han)(han)接(jie)結構的(de)多數(shu)是1Cr13、2Cr13等馬(ma)氏(shi)體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang),含碳(tan)量(liang)(liang)更高(gao)的(de)3Cr13、4Cr13等冷裂紋傾(qing)向(xiang)更強,一般不(bu)(bu)能焊(han)(han)接(jie)。已知(zhi)Cr13型不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)中隨碳(tan)+氮含量(liang)(liang)的(de)增加,硬化加強,裂紋傾(qing)向(xiang)加劇。可(ke)見降低(di)碳(tan)+氮可(ke)以(yi)顯著改善Cr13型馬(ma)氏(shi)體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de)焊(han)(han)接(jie)延(yan)遲裂紋的(de)敏(min)感性。
1Cr13馬(ma)氏體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼,實際(ji)上(shang)是(shi)半馬(ma)氏體(ti)(ti)組織,在焊(han)(han)(han)接熱影響區近縫(feng)(feng)區會形成粗大鐵素(su)體(ti)(ti)及(ji)沿晶(jing)界析出的(de)碳(tan)、氮化(hua)(hua)合物,塑性(xing)、韌性(xing)顯(xian)著降低(di)。因此(ci)在采用同質焊(han)(han)(han)材時,焊(han)(han)(han)材中應添加(jia)鈮(ni)、鈦(tai)、鋁(lv)等(deng)合金元素(su),可細化(hua)(hua)晶(jing)粒,提高焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)金屬的(de)塑性(xing)、韌性(xing),防(fang)止裂紋的(de)產生。
二、鉻系馬氏(shi)體不銹鋼(gang)的焊接方法及焊接材(cai)料(liao)
熔化焊的各種方法均可用來焊接鉻系馬氏體不銹鋼,但最常用的方法是手工焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。當采用手工焊條電弧焊時應盡可能采用低氫、超低氫焊條,焊前焊條要經過300℃~350℃的高溫烘烤以減少擴散氫的含量,降低冷裂紋的敏感性。鎢極氬弧焊(TIG)主要使用于薄壁構件和管道焊件,以及重要部件的打底焊。TIG焊的特點是焊接質量高,焊縫成型美觀,可單面焊雙面成型,保證鋼管內焊縫的成型質量。焊接時為防止背面氧化,打底焊通常采取氬氣背面保護的措施。Ar+CO2或Ar+O2的富氬混合氣體保護焊也常用于焊接馬氏體不銹鋼,具有焊接效率高、焊縫質量較好以及焊縫金屬具有較高抗氫致(冷)裂紋的特點。表2-6是已標準化的Cr13型馬氏體及低碳鉻-鎳-鉬系馬氏體不銹鋼常用焊材和焊接方法。
鉻系馬氏(shi)體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼,因焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)性(xing)較(jiao)差,采用與(yu)母材(cai)(cai)(cai)成分相同(tong)的(de)(de)焊(han)(han)(han)材(cai)(cai)(cai)時(shi),通常均應(ying)(ying)采取(qu)焊(han)(han)(han)前(qian)預熱(re)(re),焊(han)(han)(han)后熱(re)(re)處(chu)理(li)。但當(dang)焊(han)(han)(han)件的(de)(de)拘束(shu)度(du)大(da),且難以(yi)進行(xing)預熱(re)(re)和焊(han)(han)(han)后熱(re)(re)處(chu)理(li)時(shi),也可以(yi)采用奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)型(xing)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(表(biao)2-6),以(yi)提(ti)高焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)塑性(xing)和韌性(xing),防(fang)止(zhi)裂(lie)紋(wen)的(de)(de)發生。但奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)或以(yi)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)為主(zhu)的(de)(de)焊(han)(han)(han)縫金(jin)屬強度(du)要(yao)低于(yu)馬氏(shi)體(ti)(ti)母材(cai)(cai)(cai),而且由(you)于(yu)焊(han)(han)(han)縫金(jin)屬的(de)(de)化(hua)學成分和顯微(wei)組織與(yu)母材(cai)(cai)(cai)差別較(jiao)大(da),焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)殘余應(ying)(ying)力(li)(li)(li)較(jiao)大(da),對(dui)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)使用性(xing)能產(chan)生不利影響(xiang),特(te)別是對(dui)接(jie)(jie)頭的(de)(de)疲勞蠕變性(xing)能和應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐蝕(shi)破裂(lie)不利。因此,采用奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)焊(han)(han)(han)材(cai)(cai)(cai)時(shi),應(ying)(ying)根據使用條件嚴(yan)格(ge)選擇,并要(yao)求進行(xing)工藝(yi)評(ping)定(ding)。有時(shi)還(huan)可采用鎳基合(he)金(jin)焊(han)(han)(han)材(cai)(cai)(cai),使焊(han)(han)(han)縫的(de)(de)膨(peng)脹系數與(yu)母材(cai)(cai)(cai)接(jie)(jie)近,盡(jin)量降低焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)殘余應(ying)(ying)力(li)(li)(li)和高溫熱(re)(re)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)。
由于馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)不(bu)(bu)銹鋼焊(han)(han)接(jie)性較差,焊(han)(han)接(jie)馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)不(bu)(bu)銹鋼時,不(bu)(bu)論用(yong)(yong)手(shou)工(gong)電弧(hu)焊(han)(han)、藥芯焊(han)(han)絲半自動焊(han)(han)接(jie)或(huo)自動焊(han)(han),還是(shi)用(yong)(yong)氣體(ti)(ti)(ti)保護焊(han)(han)(TIG或(huo)MIG)、自動埋弧(hu)焊(han)(han),都必須(xu)(xu)預熱(re),保持層間溫度(du)(du)(du)(du),并進行(xing)焊(han)(han)后熱(re)處理。預熱(re)溫度(du)(du)(du)(du)一(yi)(yi)般為200℃~300℃.雖然馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)轉變(bian)溫度(du)(du)(du)(du)甚高(gao),但并不(bu)(bu)推薦采(cai)用(yong)(yong)高(gao)于300℃的預熱(re)與(yu)(yu)層間溫度(du)(du)(du)(du)。鋼中(zhong)的含碳(tan)量仍然是(shi)一(yi)(yi)個主要(yao)因素(su),由它來選擇預熱(re)溫度(du)(du)(du)(du),當(dang)然還與(yu)(yu)工(gong)件厚(hou)度(du)(du)(du)(du)有(you)關(guan)。一(yi)(yi)旦要(yao)采(cai)取焊(han)(han)后熱(re)處理措施,必須(xu)(xu)全面(mian)考慮(lv)冶金因素(su)的利弊。
藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)與(yu)埋(mai)弧(hu)焊(han)(han)(han)、氣體保護焊(han)(han)(han)(包括熔(rong)化與(yu)非熔(rong)化極)焊(han)(han)(han)絲(si)的(de)熔(rong)敷(fu)金屬(shu)、化學成分與(yu)手工電(dian)弧(hu)焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)條僅在(zai)硅、銅、錳含量上有些(xie)區別,其(qi)他基(ji)本一樣(yang)。
馬氏(shi)體不銹鋼焊后(hou)熱處理的(de)(de)作(zuo)用(yong)有二(er):一(yi)是通過退(tui)(tui)(tui)火降(jiang)低焊縫金屬與熱影響(xiang)區(qu)的(de)(de)硬度,以(yi)改(gai)善韌性;二(er)是降(jiang)低焊接殘余(yu)應(ying)力。通常對這類鋼的(de)(de)焊后(hou)熱處理采用(yong)亞臨界退(tui)(tui)(tui)火及完全退(tui)(tui)(tui)火。完全退(tui)(tui)(tui)火適用(yong)于把多相組成(cheng)的(de)(de)熱影響(xiang)區(qu)轉化為含鐵素(su)體的(de)(de)組織(zhi)。完全退(tui)(tui)(tui)火需有適當的(de)(de)過程(cheng)控制,只(zhi)有在要求(qiu)取得(de)最(zui)為軟化的(de)(de)條件下(xia)才采用(yong),因(yin)為它有形(xing)成(cheng)粗大(da)碳化物的(de)(de)副作(zuo)用(yong)。
電(dian)阻點焊(han)、閃光(guang)焊(han)、電(dian)子(zi)束焊(han)以及(ji)高頻電(dian)阻焊(han)皆可(ke)用于(yu)馬氏體(ti)不銹鋼(gang)的焊(han)接,注意事項同(tong)上面(mian)電(dian)弧焊(han)中(zhong)所述相同(tong)。
三、低碳(tan)鉻-鎳-鉬系馬氏體不(bu)銹鋼(gang)的焊接(jie)
在鉻系馬氏體不(bu)銹(xiu)鋼中加入鎳(nie)、鉬(mu),降低(di)碳含(han)量,就成為低(di)碳鉻-鎳(nie)-鉬(mu)馬氏體不(bu)銹(xiu)鋼。這種(zhong)鋼在不(bu)同溫度(du)下產(chan)生不(bu)同數量的(de)(de)逆(ni)變奧(ao)氏體,但(dan)均保持鉻系馬氏體不(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)強度(du)和硬度(du),同時又提高(gao)了(le)鋼的(de)(de)韌性,特別是其焊接(jie)性能得(de)到(dao)根本(ben)的(de)(de)改善。
低(di)碳鉻-鎳-鉬(mu)系馬(ma)氏體不銹鋼,通常采用同質焊(han)(han)接材料(liao)焊(han)(han)接,見表2-6。焊(han)(han)前(qian)一般不需要預熱(re)或只需低(di)溫(150℃)預熱(re),焊(han)(han)后(hou)需熱(re)處(chu)理(600℃,2h)來保證焊(han)(han)縫和(he)熱(re)影響區逆變奧氏體,恢復其(qi)韌(ren)性(xing)(xing)。由于加熱(re)對含鎳(Ni)、鉬(mu)(Mo)的(de)低(di)碳馬(ma)氏體鋼的(de)塑性(xing)(xing)、韌(ren)性(xing)(xing)及(ji)淬硬(ying)傾向的(de)影響不太(tai)顯著,因此(ci)其(qi)抗(kang)裂性(xing)(xing)能也(ye)比較(jiao)好(hao)。
綜上所述,鉻系馬氏(shi)體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)在(zai)(zai)(zai)降碳,增加(jia)鎳、鉬合金(jin)元(yuan)素以后,在(zai)(zai)(zai)回(hui)火狀(zhuang)態下,鋼(gang)(gang)中產生一(yi)定的(de)逆(ni)(ni)變奧氏(shi)體(ti)相,焊接(jie)(jie)(jie)加(jia)熱時的(de)晶粒長大(da)趨(qu)勢受到抑(yi)制,降低(di)了淬硬傾向(xiang),改(gai)善了塑(su)、韌性。同(tong)時,由于(yu)逆(ni)(ni)變奧氏(shi)體(ti)的(de)存在(zai)(zai)(zai),提高了吸收氫的(de)能力,降低(di)了氫的(de)擴散作用(yong),使焊接(jie)(jie)(jie)冷裂紋的(de)敏感性大(da)大(da)降低(di)。這種(zhong)鋼(gang)(gang)的(de)另一(yi)特點是可以通過焊后熱處理恢(hui)復逆(ni)(ni)變奧氏(shi)體(ti)量(liang),進一(yi)步改(gai)善焊接(jie)(jie)(jie)頭的(de)性能,因(yin)而在(zai)(zai)(zai)大(da)型焊接(jie)(jie)(jie)結構如水電(dian)、火電(dian)、核電(dian)等工程和(he)壓力容器中有廣闊(kuo)的(de)應用(yong)前景(jing)。
這類鋼(gang)各種厚度(du)的板(ban)材(cai)均可焊接,即使特(te)厚板(ban)用電渣焊,也可以不預(yu)熱(re)和焊后不需立即處理(li)。