奥氏体不锈钢的焊接热裂纹倾向

焊接裂纹分为热裂纹和冷裂纹(延迟裂纹)两大类。热裂纹是奥氏体钢的主要问题。热裂纹又分为凝固裂纹、液化裂纹、高温低塑性裂纹和多边化等。现仅就常见的前3种做概述。
(一)凝固裂纹
熔池在结晶的后期,即在固液共存温度下产生的裂纹称作凝固(或结晶)裂纹。在结晶后期,奥氏体柱状晶、树枝状晶之间残存着某种低熔点的液态共晶或化合物,在冷却收缩变形形成的拉应力作用下,引起晶间开裂。用IIW推荐的可变拘束热裂纹试验机进行热裂纹敏感性试验,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,表明凝固裂纹敏感性越大。表11一1-4中以304,321,347,316,310为序,凝固裂纹的敏感性加强。
表11一1一4奥氏体钢可变拘束试验机热裂纹试验结果

钢种 BTR起止温度 BTR温度范围 DTR起止温度 DTR温度围 Emin
310 1400-1240 160 1200-850 350 0.08
316 1400-1280 120 1180-1050 130 0.25
347 1400-1320 80 0 0 0.45
321 1430-1360 70 0 0 0.40
304 1430-1370 60 0 0 0.60

奥氏体钢的凝固裂纹倾向大的原因,除与前述导热系数小、膨胀系数大、焊接时变形和应力比其它钢种大有关外,还因在y相中溶解度小的元素Nb,Si,P等容易偏析,在柱状晶、树枝状晶之间生成低熔点化合物及共晶薄膜,降低了BTR下限温度和扩大BTR。这是奥氏体钢对凝固裂纹敏感的主要原因。00Cr25Ni20Nb奥氏体钢焊缝凝固裂纹断口上胞状柱晶间富妮、富磷低熔点共晶的形貌。为了防止凝固裂纹,通常要求焊缝中尽可能降低Nb, Si,S, P等有害元素的含量。Mn,Mo,W, V, Ti等在奥氏体焊缝中有利于防止凝固裂纹。Mn的有利作用是它可以形成MnS,防止NiS一Ni的低熔点共晶,并且MnS是高熔点化合物,在熔池中成为结晶中心,提高熔池的结晶速度,缩短BTR,对防止凝固裂纹有良好的作用。要求焊缝中的Mn量大于1%。例如尿素级不锈钢00Cr25Ni22Mo2N,如采用同成分的焊条焊接,容易产生凝固裂纹,而用高锰的00Cr25Ni22Mn4M2N焊条,就可以避免裂纹。Mo和W的有利作用是提高熔池的结晶温度,缩小BTR,改善抗裂性。如00Cr18Ni14Mo3钢的焊缝需要4%以上的铁素体才能防止裂纹,而含4.5%Mo的00Cr20Ni25 Mo4.5Cu钢的焊缝(无铁素体)也不发生开裂。V ,Ti可缩小BTR,具有减小凝固裂纹敏感性的作用。
随着焊接中a铁素体数量的增加,凝固裂纹的敏感性降低。表11一1一4中304 , 321 , 347钢的焊缝凝固裂纹敏感性小,是由于焊缝中有少量铁素体而显著地减小了裂纹敏感性的缘故。铁素体量在4%一10%的范围内便可有效地抑制焊缝开裂。例如00Cr25 Ni20Nb钢,如采用与母材同成分的焊条焊接,焊缝无铁素体则裂纹十分严重。而当把焊缝的C:提高到28 % }  Ni降至14%,使焊缝中有8%的铁素体之后,焊缝便不再开裂,可见铁素体在奥氏体钢焊缝中防止凝固裂纹的作用是十分明显和有效的。但应指出,并不是所有奥氏体钢的焊缝都允许有少量铁素体。这是因为在某些还原性介质、有机酸中铁素体具有选择性腐蚀。尤其是焊缝中有Mo, W,Si ,Nb元素时,因促进铁素体的转变,对耐蚀性和力学性能都是不利的。在这种情况下,主要依靠加入可有效消除裂纹的元素和提高填充金属及母材的纯洁度、以及采用某此工艺措施认到消除裂纹目的。

(二)液化裂纹
液化裂纹发生在焊接接头上靠熔合线的过热区和多层焊缝的层间金属。这时因为这些部位的金属在焊接时被加热到接近熔点的高温,晶界熔化,特别是存在低熔点共晶、而后又快速冷却而产生应力所致。图11一1一7是00Cr20Ni24Si4Nb高硅不锈钢焊接接头沿熔合线的晶间液化现象。
00Cr20Ni24Si4Nb钢对浓硝酸和某些应力腐蚀介质有优异的耐蚀性,但是这种钢焊接接头冷弯试样沿熔合线开裂。经过相分析和扫描电镜对裂纹断口的研究表明,宏观冷弯裂纹是热影响区液化裂纹的扩展,而液化裂纹是由钢中Nb,Si在晶界上偏聚,并在焊接过程沿过热区内晶界生成A3B16Si7的低熔点共晶液膜的结果。A3B16Si7被称作G相,其中A3为(Nb6)  B16为(Cr,Ni,Fe)16。用HRJ一2模拟焊接热循环试验机测得G相的共晶液化温度为1200一1340℃。液化裂纹与凝固裂纹有共同的形成因素,即都与晶界低熔点共晶和焊接时的应力状态有关。其区别在于前者是在焊缝以外沿熔合线的母材,或在先焊的焊道上;而后者是正在结晶的焊缝中产生。防止液化裂纹的主要方法同样是控制低熔点共晶成分和偏析程度。因此在钢种和焊接材料的研究与生产中要严格限制有害元素的含量;在焊接时采用小线能量的焊接参数,防止热影响区过热等。

(三)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在温度比液化裂纹更低的热影响区,对于奥氏体钢,在低于固相线温度加热和冷却,其塑性变化不同(见图11一1一8>。在加热过程中,起初随温度升高,塑性Ø略有增加,在达到t3时塑性开始降低。到达tnD时中降至零。在冷却过程中,中在tnD开始恢复,当温度降至t3时已接近原来加热时的水平。但在t2一t1温度范围出现塑性降低。此时如果存在较大的收缩应变,就会引起裂纹。从表11一1一14的高温低塑性裂纹开始和终了温度及其范围(DTR)可知,310,316钢分别在1200一850℃和1180一1050℃产生高温低塑性裂纹,其温度范围相应为350℃和130℃而347,321, 304三种钢,既未发现裂纹也没有测出裂纹的产生温度,表明稳定型奥氏体钢具有较大的高温低塑性裂纹倾向。而亚稳奥氏体钢的敏感性较小,一般焊接过程中不会产生这种裂纹。


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