奥氏体不锈钢焊接接头的热裂纹

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1、奥氏体不锈钢焊接接头的热裂纹焊接接头的热裂纹中最常见的是结晶(凝固)裂纹、热影响区(液化)裂纹和高温低塑性裂纹。(1)焊缝凝固裂纹在奥氏体不锈钢的焊接接头中常常发现的凝固裂纹有焊缝纵向、横向及火口裂纹(图1)。这种裂纹是焊缝凝固过程在结晶后期产生的，所以称凝固裂纹。凝固裂纹首先与奥氏体不锈钢导热系数小、线够胀系数大有关，它使焊缝在结晶过程产生较大的收缩变形和拉伸应力，这是产生凝固裂纹的必要条件。结晶裂纹的另一个主要原因是某些容易形成低熔点共晶的元素例如S、P、B、Si、Nb等，在奥氏体基体中的溶解度很低，容易在粗大的

2、方向性很强的桂状晶、树枝状晶体之问偏析和形成低熔点共晶液态薄膜。当在结晶后期，基体已经结晶之后，低熔点共晶仍然以液态形式存在，受收缩拉应力的作用，发生沿晶的开裂。图2是00Cr25Ni20Nb奥氏体焊缝的结晶裂纹及其断口上柱状晶的形貌。图1 焊接接头的热裂纹采用国际焊接学会(IIW)推荐的可调拘束裂纹试验机对常用的奥氏体不锈钢的热裂纹敏感性进行了试验，测出表示凝固裂纹敏感程度的BTR(脆性温度区间)和Emin(临界最小应变)。BTR越大Emin越小．表明凝固裂纹越敏感，表1中以304、321、347、316、310为

3、序，凝固裂纹敏感性加强。说明不同成分的奥氏体不锈钢，凝固裂纹的敏感性也是不同的。表中304、321、347的敏感性相当且最小，310最强，316居中。表1 奥氏体不锈钢可变拘束试验抗热裂纹试验结果钢号BTR起止温度（℃）BTR温度范围（℃）DTR起止温度（℃）DTR温度范围（℃）Emin3101400～12401601200～8503500.083161400～12801201180～10501300.253471400～132080000.453211430～136070000.403041430～13706000

4、0.60图2 00Cr20Ni10Nb奥氏体焊缝的结晶裂纹a)焊缝裂纹（×100）；b)裂纹断口形貌 由于上述凝固裂纹产生的原因可知防止凝固裂纹的措施之一，即是要尽可能的减少木材，焊材中有害元素的含量。奥氏体钢焊缝中存在少量δ铁素体（4%以上），对防止凝固裂纹有显著的效果，表1中的304，321，347钢的焊缝凝固裂纹敏感性较小，其主要原因就是即是本身自熔焊缝中，焊后也会存在少量的δ铁素体的缘故。所以奥氏体不锈钢的配套焊接材料常常在制造时即已经考虑合金元素的含量匹配，使焊缝中形成复合要求的少量铁素体。铁素体的有利作用

5、是对S,P,Si,Nb等元素溶解度较大，能防止这些元素的偏析和形成低熔点共品。焊缝中的铁素体数量是有控制的，过多的铁素体相使焊缝素韧性降低。而且加入在焊后有经受热处理时，可能发生δ→σ+γ`的转变引起焊缝脆化，所以通常18-8，18-12-2等钢的相应焊材铁素体的含量控制在4%～12%之间。另一方面在某些腐蚀环境，即使轻微的铁素体也可能引起严重的问题，例如在尿素，醋酸等介质中，焊缝中的铁素体会发生选择性腐蚀。纯奥氏体的焊缝金属，通过加入Mn,Mo,W,V,Ti可以改善其凝固裂纹敏感性，如尿素级不锈钢的焊材00Cr25

6、Ni22Mn4Mo2N，00Cr18Ni15Mn5Mo2N钢和耐硫酸，磷酸。有机酸抗孔蚀，应力腐蚀用的00Cr20Ni24Mo5Cu等焊缝金属虽然并不含有铁素体相，但因Mn,Mo含量较高，仍具有良好的抗热烈性能，焊接时不会产生凝固裂纹。Mn在焊缝金属中可与S结合生成高熔点的MnS从而防止S的偏析和产生低熔点共晶，而Mo,W可提高熔池的结晶温度，缩小结晶温度范围，V,Ti可以缩小脆性温度区间BTR（表1）.因此均对防止凝固裂纹起到良好作用。(2)热影响区（液化）裂纹奥氏体不锈钢焊接热影响区常常可见到紧邻融合线处的热裂纹

7、。这种裂纹与焊缝凝固裂纹形成的原因相同，是由于木材中奥氏体经界残存着比基体熔点低的熔点共晶薄膜，在焊接电弧焊加热总发生熔化，并在随后的冷却中受收缩拉应力的作用热发生开裂。图3是含硼304钢热影响区的液化裂纹。在多层（多道）焊缝中也会遇到液化裂纹，这种情况往往是先焊的焊道中铁素体含量少或无铁素体而存在低熔点共晶薄膜，在随后的焊道德热影响下发生开裂。同样防止热影响区液化裂纹的主要对策是尽可能减少可能生成低熔点共晶的有害元素和偏析程度。因此，在选用刚才和焊材时，特别要注意有害元素的含量，焊接时应采用小的线能量的焊接工艺和规

8、范，防止热影响区过热，以及注意接头设计和焊接程序，尽可能减少焊接残余应力。(3)高温低塑性裂纹这种裂纹多数发生在单相奥氏体钢及合金的热影响区或多层焊缝中先一层（道）焊缝上，其产生的温度范围相当于再结晶温度，因此高温低塑性裂纹产生的温度比液化裂纹更低的热影响区。对于奥氏体钢，在低于固相线温度以下的加热过程和冷却过程，其塑性变化是不同的（见图4）。