奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對策摘要：奧氏體不銹鋼熱裂紋的產生主要是由于焊劑熔池中的冶金效應和內外部拉應力共同作用的結果。母材和焊材的化學成分將影響焊接熔池中的冶金效果，焊接工藝措施是確保減小拉應力產生的有效手段。為了有效地防止奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的產生，主要從兩個方面入手，首先控制化學成分，采用低C、低S、低？、加入穩定化元素的母材和焊材；其次采用合理的焊接工藝措施，尤其將焊接線能量控制在較低水平，防止產生大的內應力。本文對0Cr25Ni20不銹鋼的焊接熱裂紋產生的原因進行分析，目的是保證該種不銹鋼的焊接實用性，防止產生焊接裂紋。從焊接熱裂紋的成因角度出發，采取熱裂紋防止措施，保證0Cr25Ni20不銹鋼的焊接質量。關鍵詞：奧氏體不銹鋼；焊接；熱裂紋；防止對策不銹鋼的種類按照其化學成分和組織結構的不同，可以分為以銘為主加元素的鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，從理論上講，與鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼相比，銘鎳奧氏體不銹鋼的焊接性被認為是較好的，但這并不意味著在所有的情況下該鋼的焊接質量都能達到較高的使用要求。在役的奧氏體不銹鋼焊接結構中，焊接接頭出現熱裂紋等問題案例時有發生，不僅影響了結構的正常使用和安全性，還給企業造成經濟損失。一、 概述不銹鋼藥芯焊絲因其具有工藝性能優良、力學性能穩定等特點，國外近年來廣泛應用于石化、壓力容器、造船、鋼結構和工程機械等行業。我國處于不銹鋼應用的高速增長期，不銹鋼焊材的用量也隨之迅猛增長。采用不銹鋼藥芯焊絲來焊接是近二三十年來的事，在研發不銹鋼藥芯焊絲的過程中也面臨著諸多問題。其中一個不可避免的問題就是奧氏體不銹鋼焊接過程中的熱裂紋。焊接熱裂紋不僅給生產帶來許多困難，還可能帶來一些事故，危害甚大。熱裂紋是在焊接時高溫產生的，故稱熱裂紋(hotcracking)，熱裂紋是由冶金因素和力學因素相互作用形成的。二、 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋產生因素1、 焊接結晶裂紋具有高溫沿晶斷裂的性質。發生高溫沿晶斷裂的條件是金屬在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當時所發生的塑性應變量，即E>6min，式中e為高溫階段晶間發生的塑性應變量，6min為高溫階段晶間允許的最小變形量。6min反映了焊縫金屬在高溫時晶間的塑性變形能力。金屬在結晶后期，即處在液相線與固相線溫度附近的“脆性溫度區〃，在該區域范圍內其塑性變形能力最低。e是焊縫金屬在高溫時受各種力綜合作用所引起的應變，反映了焊縫金屬的應力狀態。這些應力主要是由于焊接的不均勻加熱和冷卻過程而引起，如熱應力、組織應力和拘束應力等。2、 材料合金化程度越高，焊接時容易產生熱裂紋。材料中含有較多的合金元素時，焊接時易產生方向性很強的粗大柱狀晶組織，同時增大了液固相線的間距，加劇了偏析。奧氏體不銹鋼焊縫結晶時，液、固相線的區間較大，結晶時間較長，且奧氏體結晶的枝晶方向性強，所以雜質偏析現象比較嚴重，并在晶界積聚。總的來說，在奧氏體不銹鋼焊接中，促進熱裂紋的元素順序為P>S>Si>Ni，抑制熱裂紋的元素順序為C>Mn>Cr。其中Cr和Ni是為滿足一定的性能而設定的，因此為抗裂紋主要在其他幾個元素上進行控制。除了進行單個含量的控制外，工程上還常采用裂紋指數HCI來評判熱裂紋的敏感性。為了防止產生熱裂紋，HCI應小于15。除元素的影響外，奧氏體不銹鋼中的鐵素體殘余含量對焊接熱裂紋的產生也有不可忽視的影響。常溫組織為奧氏體相加少量的因過冷而殘余的鐵素體相。少量的鐵素體在焊縫中呈孤島狀，可妨礙奧氏體相的枝晶發展，從而產生一定的細化晶粒和打亂結晶方向的作用。同時，少量的鐵素體能溶解雜質以減少偏析，因此鐵素體的存在對抗熱裂紋是有利的。試驗證明，鐵素體相為5%?20%時，熱裂紋傾向最小。3、含有一定6鐵素體的銘鎳奧氏體焊縫具有較高的抗凝固裂紋性能。銘鎳奧氏體鋼焊縫凝固時，根據不同的化學成分可能有三種結晶模式，即先結晶析出奧氏體并形成全奧氏體組織的模式；先結晶析出奧氏體后在晶界產生6鐵素體的模式和先析出6鐵素體后產生奧氏體+6鐵素體組織的模式。銘鎳奧氏體焊縫結晶模式由先6鐵素體變為先奧氏體或全奧氏體模式時，抗凝固裂紋能力突然劇烈下降。三、奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋防止對策1、 冶金方面首先，在焊縫金屬中嚴格限制B、S、P、Sn等有害元素含量，以防止熱裂紋的產生。對于不允許存在鐵素體的純奧氏體焊縫，可以加入適當的錳，少許的碳、氮，同時減少硅的含量。其次，在焊縫金屬或母材中增添一定數量的鐵素體組織，使焊縫成奧氏體-鐵素體雙相組織，能很有效地防止焊縫熱裂紋的產生。常用來促成鐵素體的元素有銘、鉬、釩等。2、 焊接工藝要點。首先，因奧氏體鋼熱導率低而線膨脹系數大，在焊后易產生焊接變形，焊接所需的熱輸入低。過高的熱輸入會造成焊縫開裂、降低抗蝕性能、變形嚴重和接頭力學性能改變。采用小電流、低電壓和窄焊道快速焊可使熱輸入減小。另外，應避免同一部位多次重復加熱或高溫停留時間長，多層焊時，每層焊縫的交接處應錯開；盡可能每層施焊方向與前一層相反，層間溫度控制在60C以下。其次，奧氏體不銹鋼焊縫受到污染其耐蝕性能和強度變差。因此焊前必須對焊接區表面作徹底的清理，層間若有焊渣必須清除后再焊，以防止夾渣，最后焊道表面也應清渣。最后，奧氏體鋼母材和焊材中都含有與氧親和力強的合金元素，為防止和減少焊接時的燒損，焊接時必須盡可能用短弧焊，不作橫向擺動。由于焊縫受到污染其耐蝕性能和強度變差，因此焊前必須對焊接區表面作徹底的清理，層間若有焊渣必須清除后再焊，以防止夾渣，最后焊道表面也應清渣。3、 焊接工藝焊接方法的選擇。由于在自由狀態下焊接時易產生較大的焊接變形，所以應選用能量集中的焊接方法。同時由于其對過熱較為敏感，只能采用低熱輸入進行快速焊接，氬弧焊應是首選的焊接方法。焊接時，焊縫背面需充氬保護，以保證背面成形良好和防止氧化。焊接材料的選擇。焊接材料選擇原則是在不致產生焊接裂紋的前提下保證焊縫金屬具有與母材基本相同的熱強性。這就要求其合金成分大致與母材相匹配。通過分析，選用?1.2mm的H0Cr26Ni21焊絲。奧氏體不銹鋼焊接時，如果不能有效避免焊接缺陷，焊后對這些缺陷進行返修時則極易出現焊接熱裂紋，主要是奧氏體材料導熱差，且返修處應力比一次焊接時應力大，多次返修則應力更大。在工藝方面，采用焊接能量集中的焊接方法，工藝參數選擇應遵循盡可能加快接頭冷卻的原則，工藝措施應有利于降低焊接殘余拉應力。多層焊接時即使層間溫度得到有效控制，焊接時輸入的熱量加上拘束應力，則足以在焊縫區或熱影響區出現熱裂紋。控制熱裂紋的措施除了焊縫成形以外，最重要的就是溫度和應力，當溫度也能得到有效控制后，應力就是最主要的原因，這一點在多次返修易出裂紋特別是縱縫和環縫相交的丁字口附近最易出現，返修難度大，足以說明應力對熱裂紋的影響，應嚴格控制溫度。參