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不鏽鋼選擇焊接材料的方法

4種不鏽鋼和合金元素的作用

不鏽鋼有奧氏體型、馬氏體型、鐵素體型、雙相不鏽鋼4種(表1 )。

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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含量大于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内保持鐵素體态。因此,稱爲鐵素體不鏽鋼。當Cr含量大于17%,Ni含量大于7%時,奧氏體相得到固定,使得從低溫到幾乎熔點的範圍内均保持奧氏體态。

奧氏體不鏽鋼通常稱爲“Cr-Ni”型,馬氏體和鐵素體不鏽鋼直接稱爲“Cr”型。不鏽鋼和填充金屬中的元素可分爲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量低于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,奧氏體不鏽鋼占全部不鏽鋼用量的80%,因此本文的重點就是奧氏體不鏽鋼的焊接。

如何選擇正确的不鏽鋼焊材?

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,因爲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%,而标準的3XX不鏽鋼可最高含有0.08%的碳含量。

由于L型焊材與非L型焊材屬于同一類型的分類,因此生産産商應該特别考慮使用L型焊材,因爲它的低碳含量可以減少晶間腐蝕的傾向。實際上,筆者認爲如果生産廠商希望升級産品的話,L型焊材将獲得更廣泛的應用。

采用GMAW方法焊接的生産廠商也考慮使用3XXSi型焊材,因爲Si可改善潤濕性(圖1)。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接不良的情況下,使用含Si的氣保焊絲可潤濕焊縫并提高熔敷率。

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圖1 爲改善GMAW焊接中的焊材潤濕性,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?

爲了降低成本,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。

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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,熱膨脹率的差異會産生内應力,從而導緻裂紋産生,這時需要選擇合适的焊材或指定合适的焊接工藝(圖2)。

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圖2 焊接碳鋼和不鏽鋼時,由于熱膨脹率不同導緻的翹曲變形需更大程度的補償

什麽是合适的焊前清理操作?

當與其他材料焊接時,首先使用不含氯離子的溶劑清除油污、标記和灰塵。此外,焊接不鏽鋼時首先要注意的就是避免受到碳鋼的污染而影響耐蝕性。一些公司采用不鏽鋼和碳鋼分開存放以避免交叉污染。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。由于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。

什麽是正确的焊後清理操作?爲什麽不鏽鋼焊件會生鏽?

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,并起到了保護作用。不鏽鋼生鏽是因爲碳化物的析出(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。在焊态,完美的焊件也可能在24小時内在焊接熱影響區邊界處的生鏽地方産生咬邊。

因此,爲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。

如何更輕松地焊接雙相不鏽鋼?

通常,雙相不鏽鋼組織中的奧氏體相和鐵素體相各占50%左右。鐵素體相的存在可以提高強度和耐應力腐蝕性能,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性能更加優異。雙相不鏽鋼的範圍很廣,最常見的型号是2205:含有22%Cr,5%Ni,3%Mo以及0.15%N。

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)。爲此,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,太快會在熱影響區産生過多的鐵素體。務必遵循産商提供的焊接工藝和焊材選擇手冊。

如何爲選擇焊材做準備?

首先,要在焊件的終端應用方面收集信息,包括服役環境(特别是服役溫度,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性能的信息也很重要,如強度,韌性,塑性和疲勞性能。

大多數領先的焊材廠商都會爲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系他們的技術專家。他們會幫助我們更正确的選擇不鏽鋼焊材。

資源:鍛造法蘭工廠:www.tourochina.com
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