奧氏體不銹鋼較一般結構鋼容易產生焊接熱裂紋,其主要以焊縫的結晶裂紋為主,個別鋼種在近縫區或多層焊層間也可能產生液化裂紋。焊縫的金相組織、化學成分和焊接應力是導致奧氏體不銹鋼焊接接頭產生裂紋的主要因素。

焊接接頭的熱裂紋中最常見的是結晶(凝固)裂紋、熱影響區(液化)裂紋和高溫低塑性裂紋。

(一)焊縫凝固裂紋

在奧氏體不銹鋼的焊接接頭中常常發現的凝固裂紋有焊縫縱向、橫向及火口裂紋(9)。這種裂紋是焊縫凝固過程在結晶后期產生的,所以稱凝固裂紋。凝固裂紋首先與奧氏體不銹鋼導熱系數小、線夠脹系數大有關,它使焊縫在結晶過程產生較大的收縮變形和拉伸應力,這是產生凝固裂紋的必要條件。結晶裂紋的另一個主要原因是某些容易形成低熔點共晶的元素例如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的桂狀晶、樹枝狀晶體之問偏析和形成低熔點共晶液態薄膜。當在結晶后期,基體已經結晶之后,低熔點共晶仍然以液態形式存在,受收縮拉應力的作用,發生沿晶的開裂。

采用國際焊接學會(IIW)推薦的可調拘束裂紋試驗機對常用的奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性進行了試驗,測出表示凝固裂紋敏感程度的BTR(脆性溫度區間)Emin(臨界最小應變)。BTR越大Emin越?。砻髂塘鸭y越敏感,表1中以304、321、347、316、310為序,凝固裂紋敏感性加強。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、347的敏感性相當且最小,310最強,316居中。

由于上述凝固裂紋產生的原因可知防止凝固裂紋的措施之一,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即已經考慮合金元素的含量匹配,使焊縫中形成復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共品。焊縫中的鐵素體數量是有控制的,過多的鐵素體相使焊縫素韌性降低。而且加入在焊后有經受熱處理時,可能發生δ→σ+γ`的轉變引起焊縫脆化,所以通常18-8,18-12-2等鋼的相應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境,即使輕微的鐵素體也可能引起嚴重的問題,例如在尿素,醋酸等介質中,焊縫中的鐵素體會發生選擇性腐蝕。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,如尿素級不銹鋼的焊材00Cr25Ni22Mn4Mo2N,00Cr18Ni15Mn5Mo2N鋼和耐硫酸,磷酸。有機酸抗孔蝕,應力腐蝕用的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,焊接時不會產生凝固裂紋。Mn在焊縫金屬中可與S結合生成高熔點的MnS從而防止S的偏析和產生低熔點共晶,而Mo,W可提高熔池的結晶溫度,縮小結晶溫度范圍,V,Ti可以縮小脆性溫度區間BTR(表1.因此均對防止凝固裂紋起到良好作用。

(二)熱影響區(液化)裂紋

奧氏體不銹鋼焊接熱影響區常??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界殘存著比基體熔點低的熔點共晶薄膜,在焊接電弧焊加熱總發生熔化,并在隨后的冷卻中受收縮拉應力的作用熱發生開裂。圖11是含硼304鋼熱影響區的液化裂紋。在多層(多道)焊縫中也會遇到液化裂紋,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低熔點共晶薄膜,在隨后的焊道德熱影響下發生開裂。同樣防止熱裂紋。

影響區液化裂紋的主要對策是盡可能減少可能生成低熔點共晶的有害元素和偏析程度。因此,在選用剛才和焊材時,特別要注意有害元素的含量,焊接時應采用小的線能量的焊接工藝和規范,防止熱影響區過熱,以及注意接頭設計和焊接程序,盡可能減少焊接殘余應力。

(三)高溫低塑性裂紋

這種裂紋多數發生在單相奧氏體鋼及合金的熱影響區或多層焊縫中先一層(道)焊縫上,其產生的溫度范圍相當于再結晶溫度,因此高溫低塑性裂紋產生的溫度比液化裂紋更低的熱影響區。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。在加熱過程中,起初隨溫度升高,塑性(Φ值)略有增加,在達到溫度t3時塑性開始降低。到達taD時降至零。在冷卻過程中,塑性開始恢復,當溫度降至t3時已接近原來加熱時的水平。但在t2t1溫度范圍出現塑性降低。此時如果存在較大的收縮應變,就會引起裂紋。表1中的DTR是用可調拘束裂紋試驗測出的奧氏體不銹鋼產生高溫低塑性裂紋的溫度。從表1中的高溫低塑性裂紋開始和終了溫度及其范圍可知,310,316鋼分別在1200840℃和11801050℃產生高溫低塑性裂紋,其溫度范圍相應為350℃和130。而347,321,304三種鋼,既未發現裂紋也沒測出產生裂紋的DTR溫度,表明穩定型奧氏體鋼具有較大的高溫低塑性裂紋傾向。而亞穩奧氏體鋼的敏感性較小,一般焊接過程中不會產生這種裂紋。

奧氏體鋼及臺金冷卻過程中出現塑性降低和產生高溫低塑性裂紋的機制相當復雜,簡單說與熱影響區在“再結晶溫度”二次晶界的形成有關。二次晶界又與金屬在高溫下點陣缺陷(空位、位錯)的運動和晶界遷移等擴散行為有關。因此凡是能提高“再結晶溫度”和增加擴散激括能的因素都可以阻礙二次晶界的形成,從而降低高溫低塑性裂紋的敏感性。焊縫中的鐵素體可以有效阻止位錯運動,使多層焊縫防止高溫低塑性裂紋。合金元素Mo、W、Ta、Ti等可有效地增加多邊化激活能,提高再結晶溫度,在鋼和焊縫中掭加這些元素,都有利于防止高溫低塑性裂紋。

奧氏體不銹鋼的熱裂紋問題,曾經是這類鋼最擔心的問題。因此也就成為奧氏體鋼工藝焊接性的指標。事實上,早期不銹鋼制品中,熱裂紋是經常出現的,相當多的焊接結構存在隱患,是“帶病”工作。隨著對奧氏體鋼焊接裂紋的成因、不銹鋼及焊接材料中元素對裂紋的影響、焊縫中鐵素體作用的研究以及新型焊接工藝的開發等,現在奧氏體不銹鋼的熱裂紋,在實際焊接產品上已經很少發現,顯著改進了焊接性,提高了焊接結構的安全程度.可以說奧氏體不銹鋼的熱裂紋已經有辦法避免和清除。