奧氏體不銹鋼焊接接頭的熱裂紋

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1、奧氏體不銹鋼焊接接頭的熱裂紋焊接接頭的熱裂紋中最常見的是結(jié)晶(凝固)裂紋、熱影響區(qū)(液化)裂紋和高溫低塑性裂紋。(1)焊縫凝固裂紋在奧氏體不銹鋼的焊接接頭中常常發(fā)現(xiàn)的凝固裂紋有焊縫縱向、橫向及火口裂紋(圖1)。這種裂紋是焊縫凝固過程在結(jié)晶后期產(chǎn)生的，所以稱凝固裂紋。凝固裂紋首先與奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小、線夠脹系數(shù)大有關(guān)，它使焊縫在結(jié)晶過程產(chǎn)生較大的收縮變形和拉伸應(yīng)力，這是產(chǎn)生凝固裂紋的必要條件。結(jié)晶裂紋的另一個(gè)主要原因是某些容易形成低熔點(diǎn)共晶的元素例如S、P、B、Si、Nb等，在奧氏體基體中的溶解度很低，容易在粗大的方向性很強(qiáng)的桂狀晶、樹枝狀晶體之問偏析和形成低熔點(diǎn)

2、共晶液態(tài)薄膜。當(dāng)在結(jié)晶后期，基體已經(jīng)結(jié)晶之后，低熔點(diǎn)共晶仍然以液態(tài)形式存在，受收縮拉應(yīng)力的作用，發(fā)生沿晶的開裂。圖2是00Cr25Ni20Nb奧氏體焊縫的結(jié)晶裂紋及其斷口上柱狀晶的形貌。圖1?焊接接頭的熱裂紋采用國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)機(jī)對常用的奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性進(jìn)行了試驗(yàn)，測出表示凝固裂紋敏感程度的BTR(脆性溫度區(qū)間)和Emin(臨界最小應(yīng)變)。BTR越大Emin越小．表明凝固裂紋越敏感，表1中以304、321、347、316、310為序，凝固裂紋敏感性加強(qiáng)。說明不同成分的奧氏體不銹鋼，凝固裂紋的敏感性也是不同的。表中304、321、

3、347的敏感性相當(dāng)且最小，310最強(qiáng)，316居中。表1?奧氏體不銹鋼可變拘束試驗(yàn)抗熱裂紋試驗(yàn)結(jié)果鋼號(hào)BTR起止溫度（℃）BTR溫度范圍（℃）DTR起止溫度（℃）DTR溫度范圍（℃）Emin3101400～12401601200～8503500.083161400～12801201180～10501300.253471400～132080000.453211430～136070000.403041430～137060000.60圖2?00Cr20Ni10Nb奧氏體焊縫的結(jié)晶裂紋a)焊縫裂紋（×100）；b)裂紋斷口形貌?由于上述凝固裂紋產(chǎn)生的原因可知防止凝固裂紋的措施

4、之一，即是要盡可能的減少木材，焊材中有害元素的含量。奧氏體鋼焊縫中存在少量δ鐵素體（4%以上），對防止凝固裂紋有顯著的效果，表1中的304，321，347鋼的焊縫凝固裂紋敏感性較小，其主要原因就是即是本身自熔焊縫中，焊后也會(huì)存在少量的δ鐵素體的緣故。所以奧氏體不銹鋼的配套焊接材料常常在制造時(shí)即已經(jīng)考慮合金元素的含量匹配，使焊縫中形成復(fù)合要求的少量鐵素體。鐵素體的有利作用是對S,P,Si,Nb等元素溶解度較大，能防止這些元素的偏析和形成低熔點(diǎn)共品。焊縫中的鐵素體數(shù)量是有控制的，過多的鐵素體相使焊縫素韌性降低。而且加入在焊后有經(jīng)受熱處理時(shí)，可能發(fā)生δ→σ+γ`的轉(zhuǎn)變引起

5、焊縫脆化，所以通常18-8，18-12-2等鋼的相應(yīng)焊材鐵素體的含量控制在4%～12%之間。另一方面在某些腐蝕環(huán)境，即使輕微的鐵素體也可能引起嚴(yán)重的問題，例如在尿素，醋酸等介質(zhì)中，焊縫中的鐵素體會(huì)發(fā)生選擇性腐蝕。純奧氏體的焊縫金屬，通過加入Mn,Mo,W,V,Ti可以改善其凝固裂紋敏感性，如尿素級(jí)不銹鋼的焊材00Cr25Ni22Mn4Mo2N，00Cr18Ni15Mn5Mo2N鋼和耐硫酸，磷酸。有機(jī)酸抗孔蝕，應(yīng)力腐蝕用的00Cr20Ni24Mo5Cu等焊縫金屬雖然并不含有鐵素體相，但因Mn,Mo含量較高，仍具有良好的抗熱烈性能，焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生凝固裂紋。Mn在焊縫金屬

6、中可與S結(jié)合生成高熔點(diǎn)的MnS從而防止S的偏析和產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶，而Mo,W可提高熔池的結(jié)晶溫度，縮小結(jié)晶溫度范圍，V,Ti可以縮小脆性溫度區(qū)間BTR（表1）.因此均對防止凝固裂紋起到良好作用。(2)熱影響區(qū)（液化）裂紋奧氏體不銹鋼焊接熱影響區(qū)常?？梢姷骄o鄰融合線處的熱裂紋。這種裂紋與焊縫凝固裂紋形成的原因相同，是由于木材中奧氏體經(jīng)界殘存著比基體熔點(diǎn)低的熔點(diǎn)共晶薄膜，在焊接電弧焊加熱總發(fā)生熔化，并在隨后的冷卻中受收縮拉應(yīng)力的作用熱發(fā)生開裂。圖3是含硼304鋼熱影響區(qū)的液化裂紋。在多層（多道）焊縫中也會(huì)遇到液化裂紋，這種情況往往是先焊的焊道中鐵素體含量少或無鐵素體而存在

7、低熔點(diǎn)共晶薄膜，在隨后的焊道德熱影響下發(fā)生開裂。同樣防止熱影響區(qū)液化裂紋的主要對策是盡可能減少可能生成低熔點(diǎn)共晶的有害元素和偏析程度。因此，在選用剛才和焊材時(shí)，特別要注意有害元素的含量，焊接時(shí)應(yīng)采用小的線能量的焊接工藝和規(guī)范，防止熱影響區(qū)過熱，以及注意接頭設(shè)計(jì)和焊接程序，盡可能減少焊接殘余應(yīng)力。(3)高溫低塑性裂紋這種裂紋多數(shù)發(fā)生在單相奧氏體鋼及合金的熱影響區(qū)或多層焊縫中先一層（道）焊縫上，其產(chǎn)生的溫度范圍相當(dāng)于再結(jié)晶溫度，因此高溫低塑性裂紋產(chǎn)生的溫度比液化裂紋更低的熱影響區(qū)。對于奧氏體鋼，在低于固相線溫度以下的加熱過程和冷卻過程，其塑性變化是不同的（見圖4）。