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耐热不锈钢焊接缺陷产生的原因及防治措施

生产中工作温度比珠光体耐热钢的高时，主要采用Cr-Ni系的不

锈钢，包括Cr不锈钢和Cr-Ni不锈钢。从组织上讲，包括铁素体不

锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢，还有不锈铸钢。表1中列出了

各种耐热不锈钢的物理性能。与奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢或

马氏体不锈钢的平均线膨胀系数较小，而热导率稍高，有利于降低热

应力。即铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的热应力比奥氏体不锈钢小。

这类不锈钢在石油化学工业的裂解装置、脱硫装置、反应塔、热

交换器及其管道中使用较多，在原子能发电的轻水反应器内壁堆焊或

管道等也大量应用。

1耐热不锈钢的化学成分

耐热不锈钢中通常含有铬、钼、硅、铝、镍的合金，其中铬是最

主要的抗氧化性元素。与不锈钢相比，耐热不锈钢中不仅增加了铝和

硅的含量，还增加了碳的含量，使该类钢具有强的高温抗拉强度、高

温抗蠕变性能、高温耐蚀性。其中奥氏体耐热不锈钢是应用比较广泛

的一类钢，具有强的热稳定性、热强性。

2耐热不锈钢的焊接性

奥氏体耐热不锈钢焊接时存在的主要问题有焊缝金属的热裂纹、

焊接热影响区晶界上碳化铬的析出以及焊接接头的脆化等。

3耐热不锈钢的焊接缺陷产生原因

奥氏体耐热不锈钢产生焊接缺陷的主要原因可以归纳为两大因

素：冶金因素及力学因素。包括化学成分、结晶组织、焊接材料、焊

接工艺及结构的拘束度，特别是化学成分和结晶组织影响大。

3.1焊缝金属热裂纹的形成

奥氏体焊缝金属的热裂纹敏感性较大，因为奥氏体钢易形成方向

性很强的粗大的柱状组织，有利于杂质的偏析和缺陷的聚集；这些杂

质又能与Ni形成低熔点的共晶体，增大脆性温度区间，处成形成液

态薄膜；另外奥氏体钢的热导率小及线膨胀系数大，在焊接的不均匀

加热和冷却条件下，焊接接头形成较大的拉应力，因此，在焊缝处易

产生热裂纹。热裂纹的影响因素如下。

3.1.1化学成分的影响

①硫、磷有害杂质的影响。硫、磷易与NI形成低熔点共晶体从

而产生热裂纹。

②锰的影响。适当提高奥氏体形成元素锰可以改善抗裂性。当锰

的质量分数增加到4%～6%时，焊缝金属具有最小的热裂纹倾向。

3.1.2组织的影响

对于镍含量小于10%～15%时的18-8型奥氏体不锈钢，提高焊缝

抗裂性最有效的办法是使焊缝形成（γ+δ）双相组织。这是因为奥氏

体组织中少量的δ相打乱了奥氏体结晶的枝晶方向，细化了晶粒，阻

碍杂质的聚集。铬和镍的比例也影响热裂纹的产生。一定量的铁素体

形成元素，如硅、钛、铝、钒、铌、钨、钼等，当能获得双相组织时，

有利于防止热裂纹。碳和氮均可抑制硅的有害作用。

3.2焊接接头的刀状腐蚀

含义Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体钢焊接时熔合区加热到1300℃

以上，钛的碳化物开始向奥氏体相溶解。在高温下，碳化钛的扩散速

度大得多，所以溶解的碳迅速向晶界处迁移。冷却后，奥氏体相溶解

有较多的钛原子，而晶界处有较多的碳原子。如果这时焊接接头再次

被加热到450～850℃的危险温度，钛在奥氏体相里的扩散速度非常

慢，没有可能移动到晶界与碳再次结合而形成碳化钛，就会在晶界处

产生Cr的碳化物，使晶界贫铬而产生一种特殊的晶间腐蚀，称为刀

状腐蚀。

3.3焊接接头的脆化

3.3.1475℃的脆性

Fe-Cr合金在400-550℃长期加热时，会产生一种特殊的脆性，

其硬度显著提高，冲击韧性严重下降，称为475℃的脆性。随着奥氏

体钢中铁素体含量的增加，发生475℃的脆性的危险性增大。

3.3.2σ相析出脆性

σ相是一种Fe-Cr的金属间化合物，分布在晶粒边界上，性质极

硬且脆，硬度大于68HRC，使焊接接头的塑性和韧性大大降低。

4耐热不锈钢的焊接缺陷防止措施

4.1控制焊缝中有害杂质的含量

严格限制有害杂质是提高焊缝抗裂性的首要条件，特别是限制硫

和磷的含量。

4.2形成（γ+δ）双相组织

对于镍含量小于10%～15%时的18-8型奥氏体不锈钢，提高焊缝

抗裂性最有效的办法是使焊缝形成（γ+δ）双相组织。对于镍含量超

过15%的单相奥氏体钢，通常是在严格控制有害杂质的基础上，适当

提高奥氏体形成元素Mn、C、N的含量，以改善抗裂性。