需要指出的是,奥氏体不锈钢的热膨胀率比碳钢高50%。当焊接时,热膨胀率的差异会产生内应力,从而导致裂纹产生,这时需要选择合适的焊材或指定合适的焊接工艺(图3)。

图3 焊接碳钢和不锈钢时,由于热膨胀率不同导致的翘曲变形需更大程度的补偿

什么是合适的焊前清理操作?

当与其他材料焊接时,首先使用不含氯离子的溶剂清除油污、标记和灰尘。此外,焊接不锈钢时首先要注意的就是避免受到碳钢的污染而影响耐蚀性。一些公司采用不锈钢和碳钢分开存放以避免交叉污染。在清理坡口周围区域时,使用针对不锈钢的专用磨砂轮和刷子。有时还需要对接头处进行二次清理。由于不锈钢焊接时的电极补偿操作比焊接碳钢时更难,因此其接头清理工作非常重要。

什么是正确的焊后清理操作?为什么不锈钢焊件会生锈?

首先,我们回想一下,不锈钢不生锈的原因是:Cr与O的反应在材料表面生成了一层致密的氧化物层,并起到了保护作用。不锈钢生锈是因为碳化物的析出(见最后一个问题)以及焊接过程中的加热造成焊件表面生成了铁的氧化物。在焊态,完美的焊件也可能在24小时内在焊接热影响区边界处的生锈地方产生咬边。

因此,为了使新的铬氧化物重新生成,不锈钢焊接后需要磨光、酸洗、打磨或者洗刷。需要强调的是,打磨机和刷子必须专有专用。

为什么不锈钢焊丝有磁性?

全奥氏体组织的不锈钢是无磁性的。但是,焊接时较高的温度使得组织中晶粒长大,焊后裂纹敏感性增大。为了降低热裂纹敏感性,焊材制造商向焊材中加入铁素体形成元素(图4)。铁素体相使得奥氏体晶粒变细,从而抗裂纹能力增大。

图4 避免热裂纹,多数奥氏体型焊材都含有少量的铁素体。图片表示309L焊材中的奥氏体基体上分布的铁素体相(灰色部分)。

磁铁不会吸住奥氏体焊缝金属,但是手持磁铁时可以感受到轻微的吸力。但是,这也造成一些用户错认为产品贴错了标签,或者用错了焊材(特别是包装上标签被撕掉时)。

焊材中的铁素体数量取决于应用的服役温度。例如,过多的铁素体降低了低温时的韧性。因此,用于LNG管道的308型焊材的铁素体数在3-6之间,而标准308型焊材的铁素体数为8。简言之,焊材可能看起来很相似,但是很微小的成分差别有时就会造成很大的差别。

如何更轻松地焊接双相不锈钢?

通常,双相不锈钢组织中的奥氏体相和铁素体相各占50%左右。铁素体相的存在可以提高强度和耐应力腐蚀性能,而奥氏体相可以提高韧性。两相的共同作用使得双相不锈钢的性能更加优异(图5)。双相不锈钢的范围很广,最常见的型号是2205:含有22%Cr,5%Ni,3%Mo以及0.15%N。

图5 双相不锈钢综合了铁素体和奥氏体的优点。图片是铁素体基体上分布着奥氏体相(白色部分)的双相焊缝组织

在焊接双相不锈钢时,太多铁素体的存在可能造成一些问题(电弧的热量使得铁素体基体中的原子重新排序)。为此,焊材需要提供更多的奥氏体形成元素,通常是比母材高2-4%的Ni。例如,焊接2205不锈钢时用的药芯焊丝含有8.85%Ni。

焊后,焊缝中的铁素体含量在25-55%之间(也可能更高)。注意:焊后冷却速度要足够慢,使得奥氏体重新形成,但是不能太慢,太慢会析出金属间相,也不能太快,太快会在热影响区产生过多的铁素体。务必遵循产商提供的焊接工艺和焊材选择手册。

为什么焊接不锈钢时要随时调整参数?

焊工在焊接不锈钢时,随时调整焊接参数(电压、电流、电弧长度、感应系数、脉冲宽度等)的最主要原因是不匹配的焊材成分。化学成分很重要,批次之间成分的差异可以造成焊接行为很大的不同,比如差的润湿性和脱渣性。焊材直径、表面清洁度、浇注性能、以及螺旋形状均可影响GMAW和FCAW时的焊接行为。

如何控制奥氏体不锈钢中的碳化物析出?

在800-1600℉时,碳含量超过0.02%时,C会向奥氏体晶界扩散迁移并在晶界处与Cr发生反应形成铬的碳化物。如果Cr被C元素大量固定下来,耐蚀性会下降。此时如果暴露在腐蚀性环境下,就会发生晶间腐蚀,造成晶界被侵蚀掉(图6)。