GH188高温合金焊接特性

18-8奥氏体不锈钢焊接性分析

铬镍奥氏体不锈钢焊接质量问题及对策

摘要：分析了铬镍奥氏体不锈钢焊接存在的质量问题，从奥氏体不锈钢接头的耐蚀性、热裂敏感性、接头脆化倾向及奥氏体不锈钢焊缝中的气孔倾向四方面，探讨了铬镍奥氏体锈钢焊接质量问题产生的原因及影响因素，提出了奥氏体不锈钢焊接质量问题的改进途径。结果表明，提高接头的耐蚀性和抗热裂性能的主要冶金措施是，选用焊缝为超低C、含有少量δ相（3%～5%）、含有稳定化元素Nb的焊接质量的主要工艺措施是，采用焊接能量集中的焊接方法，工艺参数选择应遵循尽可能加快接头冷却的原则，工艺措施应有利降低焊接残余拉应力，必要时可以采用稳定化退火或固溶处理。防止奥氏体不锈钢焊缝中气孔的根本措施是，限制气体来源和改善熔池中气体逸出条件。

铬镍奥氏体不锈钢及其焊接结构以其优良的耐蚀性、力学性能等综合性能，优先在化工、石油和动力、核能等工业部门获得应用，并迅速向汽车、电子、仪表、冶金、交通、食品、轻纺、医药、装饰及供水等部门推展，其钢材的年消耗量在不锈钢中所占比例不仅更大，而且逐年递增。近年来，国内铬镍奥氏体不锈钢市场更出现了需求量快速增长的势头。从理论上讲，与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，铬镍奥氏体不锈钢的焊接性被认为是较好的，但这并不意味着在所有的情况下该钢的焊接质量都能达到较高的使用要求。在役的奥氏体不锈钢焊接结构中，焊接接头出现裂纹和腐蚀破坏等问题案例时有发生，不仅影响了结构的正常使用和安全性，还给企业造成经济损失。铬镍奥氏体不锈钢的焊接质量问题归根结底是与其焊接性相关。

关于铬镍奥氏体不锈钢的焊接性研究，已有不少文献报道，但是在蓬勃发展的不锈钢结构制造业中，各企业的制造水平良莠不齐，生产过程中焊接装备的先进性、工艺的合理性和质量管理的科学性，不仅存在一定的差异，而且缺乏坦诚交流。而对大好形势，那些在奥氏体不锈钢焊接结构中出现焊接质量问题的企业难道会束手无策吗?铬镍奥氏体不锈钢焊接质量保证的关键技术究竞在那里?为此，本文将铬镍奥氏体不锈钢的电弧焊接质量问题与其产生机理相联系，探讨影响因素，开展铬镍奥氏体不锈钢焊接质量改进途径研究。该项研究对推动相关企业的技术进步，提升产品竞争力，具有重要意义和参考价值。

??一、铬镍奥氏体不锈钢的焊接质量问题

虽然说奥氏体不锈钢与铁素体和马氏体不锈钢相比，较容易焊接，但在一些情况下，仍然会出现下列焊接质量问题。

1．铬镍奥氏体不锈钢接头的耐蚀性

铬镍奥氏体不锈钢接头的耐蚀性包括两种腐蚀现象：晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。晶间腐蚀是金属材料(含接头)在特定的腐蚀介质中沿晶粒边界发生的腐蚀现象。遭受晶间腐蚀的不锈钢或接头，有时表面上没有痕迹，但在受到应力时，由于晶粒已失去联系，几乎完全丧失强度，会发生沿晶界断裂事故。接头可有三个部位出现晶间腐蚀现象(见图1)，其中a为焊缝上的晶间腐蚀，b为母材敏化区晶间腐蚀，发生在热循环峰值温度600～1000℃的热影响区，c为刀状腐蚀，发生存焊缝熔合线外侧很窄的范围内，形状窄而深，类似刀切形状。应力腐蚀开裂是金属材料(含接头)在应力与腐蚀介质同时作用情况下发生的低应力脆性开裂现象。

统计资料表明，在奥氏体不锈钢结构中，应力腐蚀引起的事故占整个腐蚀破坏事故的50％以上。应力腐蚀裂纹一股都很细小，不易检查发现，往律造成没有预兆的低应力突发性事故，危害很大。

2．铬镍奥氏体不锈钢接头的热裂敏感性

铬镍奥氏体不锈钢接头的焊缝及近缝区均可能出现热裂纹，但更常见的是焊缝凝固裂纹，有时亦可发现近缝区液化裂纹。纯奥氏体焊缝对凝固裂纹的敏感性较高，Crl8Ni8Nb型不锈钢具有液化裂纹敏感性，而Cr25Ni20型不锈钢既对凝固裂纹敏感，也对失塑裂纹敏感。

3．铬镍奥氏体不锈钢接头的脆化倾向

考虑到奥氏体不锈钢接头的工作条件，通常是在常温或不太高的温度下(例如350℃以下)使用，对于接头的要求主要是耐蚀性必须过硬，而对接头的力学性能没有特别要求。况且铬镍奥氏体不锈钢接头的常温力学性能，通常是可以满足使用要求的。然而，在低温和高温条件下，该接头均会出现脆化倾向。有资料证明，即使是单相γ组织的焊缝，其低温韧性(-?196℃)仍然不如固溶处理的1Cr18Ni9Ti母材，焊缝金属的韧性下降了31％。有更多资料证明，奥氏体焊缝经高温服役后，它的韧性指标急剧下降。可见，该接头的力学性能是有局限性的，并非**或全功能型，它的低温或高温脆化倾向与焊缝显微组织特性相关。如果要将此接头用于低温或高温环境工作，必须搞清脆化机理，改善显微组织，提出合理上艺措施。

4．铬镍奥氏体不锈钢焊缝中的气孔倾向

在铬镍奥氏体不锈钢熔化焊时，焊缝中的气孔敏感性较大。虽然经过半个多世纪的研究，在气孔的控制和防止方面已经取得长足的进步，特别是近年来随着新材料、新工艺、新技术的出现，奥氏体不锈钢焊缝的抗气孔性能明显提高，但在实际应用中，焊缝中的气孔倾向仍时有发生。这表明铬镍奥氏休不锈钢焊缝中气孔生成机理的复杂性和未知性，同时也表明继续深入研究气孔生成机理的必要性和重要性。

二、铬镍奥氏体不锈钢的焊接质量问题产生原因及影响因素

1．铬镍奥氏体不锈钢接头的耐蚀性

品间腐蚀形成机理及影响因素如下：

(1)品间腐蚀形成机理关于奥氏体不锈钢接头的晶间腐蚀形成机理说法不一，目前比较通用的解释称之为“贫铬理论”以wC=0.08％的18-8型不锈钢接头为例，该理论的要点是：该钢接头是奥氏体组织，室温下C元素在奥氏体中的溶解度很小，约为0.02％～0.03％，而一般奥氏体钢中wC，均超过0.02％～0.03％，如本钢中wC=0.08％，接近0.1％，它是靠淬火状态下使C固溶在奥氏体中，以保证该钢具有较高的化学稳定性，这样奥氏体组织必然为C所过饱和而呈不稳定状态。当接头被加热，温度一般在450～850℃之间，超过溶解度的C将向晶界扩散，并和Cr结合形成Cr的C化物Cr23C6或(Cr、Fe)?23C6沉淀于晶界。这时由于晶粒内部Cr的扩散速度较慢，在形成Cr的C化物时可能发生“供不应求”现象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺Cr，以至于Cr含量低于不锈钢必须的临界值12％，于是导致晶粒边缘贫铬而丧失了耐腐蚀性能。

(2)晶间腐蚀的影响因素?①焊缝化学成分的影响。焊缝中加入适量铁素体形成元素，如Ti、Nb、Mo、V、Si等，促使焊缝形成γ+δ双相组织，分裂或割断奥氏体晶粒，使其难以形成连续网状Cr的C化物，改善焊缝抗品间腐蚀能力。焊缝中加入强烈形成C化物的元素，如Ti、Nb、Ta、Zr等，优先与C结合，减少形成Cr的C化物的可能性，也可避免品间腐蚀。减少焊缝中的含C量，减少或避免C化物的析出，能降低品间腐蚀倾向。②加热温度和时间的影响。450～850℃为危险温度区，在这一区间更易发生Cr的C化物析出，在此区间停留时间越长，发生晶问腐蚀越严重。低于450℃和高于850℃，不发生晶间腐蚀。③焊接条件的影响。有人做过试验，对铬镍奥氏体不锈钢试件，焊前进行冷处理(-70℃)，其焊接接头就可避免晶间腐蚀(对此结果尚存争议)。④焊后热处理规范的影响。进行敏化处理(650℃×2h，空冷)，接头抗晶问腐蚀性能更差；试件焊后不进行热处理，接头抗晶问腐蚀性能较差；试件进行稳定化处理(880℃×2h，空冷)，或固溶处理(1050℃×0.5?h，水冷)，接头抗晶问腐蚀性能更好。

应力腐蚀开裂形成机理及影响因素如下：

(1)应力腐蚀开裂形成机理??有多种理论对奥氏体不锈钢接头的应力腐蚀现象进行解释，目前比较通用的有三种：?①活化通路型机理。②保护膜破坏型机理。③氢致脆化型机理。

(2)应力腐蚀开裂的影响因素??①应力的影响。对于奥氏体不锈钢接头，由于它的导热性差，线胀系数大，会产生较大的焊接残余应力。但是，通常压应力不会引起应力腐蚀裂纹，只有在拉应力作用下才会导致应力腐蚀裂纹的产生。同时，一般情况下，产生应力腐蚀的拉应力都很低，若没有腐蚀介质的联合作用，焊件可在该应力下长期工作而不产生断裂。可见拉应力的存在只是应力腐蚀产生的必要条件。②腐蚀介质的影响。首先，产生应力腐蚀的介质是具有选择性的，不在焊件材料特定选择的介质下工作的接头不会产生应力腐蚀。也就是说，每种材料只对某些特定介质敏感，而这种介质对其他材料可能没有明显作用。其次，注意到产生应力腐蚀的介质一般都较弱，若无拉应力同时作用，焊件在该介质中腐蚀速度很慢。可见腐蚀介质的存在应当是应力腐蚀产生的充分条件。③接头材料种类及化学成分的影响。纯金属不产生应力腐蚀，只有合金材料中才产生应力腐蚀；品界上合金元素偏析会导致应力腐蚀开裂。钢中Ni和C含量增加，将使抗应力腐蚀能力提高；而钢中Ni、Ti、M0、N等元素含量提高，则增大应力腐蚀倾向；微量元素P、As、Sb、Bi则促使应力腐蚀形成。

综上所述，应力腐蚀开裂产生的条件有三个：拉仲应力、腐蚀介质和材料成分。前者是应力腐蚀开裂产生的必要条件，后者则是充分条件，二者缺一不可。

2．铬镍奥氏体不锈钢接头的热裂敏感性

(1)热裂纹形成机理??单相奥氏体焊缝在凝固过程中，低熔点相在一次结晶品粒边界形成低熔点液态薄膜，冷却收缩时，在焊缝中形成微裂纹。这些微裂纹在继续冷却过程中会扩展至焊缝表面，形成宏观裂纹，这种裂纹是在高温状态下形成的。有理由认为，由于奥氏体不锈钢的导热系数小，线膨胀系数大，焊缝金属凝固期问存在较大的拉应力，是产生凝固裂纹的必要条件；而容易形成方向性强的柱状晶焊缝组织，有利于有害杂质的偏析及晶问液态薄膜的形成，是凝固裂纹产生的充分条件。

(2)热裂纹影响因素冶金因素：①焊缝化学成分的影响。在单相γ组织焊缝中含有多量Ni，有害杂质S、P的作用将显著增强，特别是P的影响更严重。Si的有害影响超过Ni的作用；Si的影响效果还与组织状态有关，单相γ组织时，Si增多则热裂倾向增大；而当组织中出现δ相时，热裂倾向反而随Si增多而降低。促使热裂倾向的元素为(由强变弱)：P>S>Si>Ni；能抑制热裂的元素(由强变弱)：C>Mn>Cr。Mn还有改变焊缝结晶凝固模式作用，促使凝固过程出现δ相，而室温仍为单相γ组织，显著降低热裂纹倾向。②焊缝凝固模式的影响。初生相为δ铁素体，并形成δ+双相组织的结晶模式(简称先δ铁素体模式)，其抗凝固裂纹能力更强；初生相为γ相，并形成单相γ组织结晶模式(简称全奥氏体模式)，其抗凝固裂纹能力更低；而初生相为γ相，并形成γ+δ双相组织结晶模式(简称先奥氏体模式)，其抗凝固裂纹能力优于全奥氏体模式。

工艺因素：①熔合比的影响。减小熔合比有利减小母材有害杂质对焊缝的影响，有利焊缝区化学成分的均匀化，保证防止热裂纹所必须的凝固模式顺利实施。②成形系数的影响。成形系数主要通过改变焊缝枝晶成长方向及其会合面的偏析情况影响热裂纹倾向。当成形系数较小时，更后凝固的枝晶会合面呈对向生长状态，是杂质析集严重的部位，因而更易在此会合面形成热裂纹。成形系数的控制与焊接参数相关，合理的成形系数对控制热裂纹有一定作用。③冷却速度的影响。冷却速度偏大时，增大焊缝的变形速度，小利于热裂纹的防止。冷却速度过小，熔池高温停留时间长，热裂纹倾向大。合理的冷却速度也是控制热裂纹所必须的。④拘束度的影响。降低接头的拘束度，能减小焊缝应变量及应变增长率，有利防止热裂纹产生。

3．铬镍奥氏体不锈钢接头的脆化机理

(1)接头的脆化机理关于奥氏体不锈钢焊缝低温脆化倾向，一方面由于焊接时产生的焊接残余应力较大，奥氏体焊缝屈强比很低，冷作硬化倾向极大，在收缩应力作用下奥氏体焊缝产生所谓“自生硬化”现象，使其强度提高而塑性下降；另一方面，带有粗大γ柱状晶的焊缝显微组织是不均匀的，有时为防止热裂纹，采用含有少量δ相的γ+δ双相组织焊缝，导致焊缝低温韧性下降。至于奥氏体焊缝高温脆化倾向则与焊缝中产生。相有关。在一定的合金系统，一定的温度范围(如600～850℃)条件下，单相奥氏体焊缝也会发生γ→σ。转变，而且。相主要沿晶界沉淀析出，导致接头严重脆化。

(2)接头脆化的影响因素??①焊缝成分的影响。对于低温工作的奥氏体接头，焊缝中奥氏体和铁素体形成元素含量及其比值，对获得单相γ组织焊缝，控制或减少δ相，改善接头低温韧性有重要作用。一些资料显示，某些稀土元素加入奥氏体焊缝，对改善接头的低温韧性有效果。对于高温工作的奥氏体接头，γ→σ转变是更重要的影响因素，凡是抑制该项转变的元素(含稀土)含量及其相关比值，均可抑制接头的高温脆化。②焊接工艺的影响。采用不预热，限制热输入量，尽可能快速冷却的工艺，有利控制接头脆化。

4．铬镍奥氏体不锈钢焊缝中的气孔倾向

(1)焊缝中气孔形成机理关于气孔形成机理出现了多种理论，“气泡浮出速度理论”是该项研究的经典理论。该理论认为，焊缝中气孔的形成是冶金过程，它由气泡的生核、长大和上浮三个阶段组成。当液态金属中有过饱和的气体，熔池中存在大量现成表面时，气泡的生核就比较容易。当气泡内部的内部的压力大于阻碍气泡长人的外界压力时，气泡就要长人，并趋向外逸；当气泡的浮出速度”，小于或等于焊缝的凝固速度R时，可能残留在焊缝中形成气孔。

(2)焊缝中气孔的影响因素??①焊缝凝吲迷度R的影响。R越大，越小利于气泡的浮山，越易于引起气扎。当材料一定时，R主要受工艺条件控制。采用冷却速度较快的工艺(小热输入量、快焊接述度)，焊缝具有较大的凝固速度，气孔敏感性增火。②液态金属粘度η影响。η越大，气泡浮出困难，易于造成气扎。③液态金属密度ρ1的影响。ρ1越小，则气泡浮出速度ve越小，容易产生气孔。④气泡半径γ的影响。γ越火，越有利于气泡浮出。也就是说，当原始气体数量较多，使气泡半径增大到足以完全浮出时，反而可能不产生气扎。

总括以上，凡是与上述参数相关的焊接材料、方法以及工艺均可能影响气孔敏感性。

三、铬镍奥氏体不锈钢焊接质量的改进途径

1．接头耐蚀性的控制及防止措施

(1)晶间腐蚀的控制??①冶金措施。从控制焊缝成分入手，如选用超低碳奥氏体不锈钏焊接材料；添加Nb、Ti等稳定化元素，以形成饱定碳化物NbC、TiC；形成γ+δ双相组织(3％～5％δ)等。②工艺措施。采用小热输入量、快速冷却工艺等。必要时还可以采用焊后热处理丁艺，如固溶处理或稳定化处理。

(2)应力腐蚀的防止??①往结构发计方面，要合理选择耐蚀材料，同时要更大限度减少庖力集中和减少高应力区。②在施工制造方面，首先要合理选用焊接材料，如选用具有γ+δ双相组织的焊材等。其次要合理制定装焊工艺，尽量避免应力集中或焊接缺陷。更后要进行消除应力处理，可以采用残余变形和锤击法松弛残余应力，或者通过低温(低于300～350℃)退火处理，也可以实施大于850℃热处理消除践余应力。必须通过试验确定更佳规范参数。③在生产管理方面，要实施介质中杂质的控制，开展防蚀处理及监控分析等工作。

2．接头热裂纹的防止措施

(1)冶金措施首先选用具有γ+δ双相组织的焊接材料，必须控制铬镍当量比Creq/Nieq以保证获得“先δ铁素体”凝固模式。其次要限制焊缝中的有害杂质，如S、P等的含量。

(2)工艺措施??①限制过热。可以采用小的焊接电流和小的焊接速度，降低焊接热输入量。②控制成形系数。成形系数的控制与焊接参数相关，合理的成形系数(在不提高焊接速度前提下，采用减小焊接电流工艺所获的)对控制热裂纹有一定作用。③减小熔合比。在减小母材对焊缝稀释率时，同样要求降低焊接电流。④降低拘束度。⑤控制装配间隙、改进装配质量等。

3．接头低温和高温韧性的控制措施

(1)焊缝成分的调整调整焊缝中γ相和δ相形成元素含量及其比值，扶得单相γ组织焊缝(尽量不出现δ相)，添加适量稀土元素，以改善接头低温韧性。对于高温丁作的奥氏体接头，防止γ→σ转变是前提，添加抑制该项转变的元素(含稀土元素)并控制含量，以抑制接头的高温脆化。

(2)焊接工艺措施??采用不预热，限制热输入量，尽可能快速冷却的工艺，有利控制接头晚化。

4．焊缝中气孔的防止措施

(1)消除气体来源首先焊前对工件及焊丝表面的铁锈、油污以及氧化膜进行清理，以防有害气体进入电弧区。同时对焊接材料必须防潮，使用前按照说明书要求进行烘干并保温，随用随取；其次还要加强焊接过程中的防护措施，如气保护焊接时必须防风，保护气流量及纯度也需控制等。

(2)正确选用焊接材料??着重考虑焊接时带进熔池的水气数量以及熔池中气体逸出难易程度。

(3)控制焊接工艺条件??选择焊接方法和焊接工艺参数时，总体原则是使电弧中带进的气体总量较少，而熔池中气体的逸出条件较好；同时要兼顾奥氏体不锈钢接头其他性能要求，如耐蚀性、抗裂性等。

归纳全文，可以从以下几方而改进铬镍奥氏体不锈钢焊接质趋：

(1)提高接头的耐蚀性和抗热裂性能的主要冶金措施是：选用焊缝为超低C、含有少量δ相(3％～5％)、含有稳定化元素Nb的焊接材料。

(2)保证奥氏体不锈钢焊接质量的主要工艺措施是，采用焊接能量集中的焊接方法；工艺参数选择应遵循尽可能加快接头冷却的原则，工艺措施应有利降低焊接残余拉应力。如采用小电流、短弧焊、不预热、强迫冷却、不横摆及小熔合比等；同时还要注意焊接顺序，与腐蚀介质接触的焊缝必须更后焊接；避免重复加热，不宜采用多层焊等。

(3)为提高接头的抗品间腐蚀能力，必要时可以采用稳定化退火或固溶处理。

(4)防止奥氏体不锈钢焊缝中气孔的根本措施是，限制气体来源和改善熔池中气体逸出条件。

GH13高温合金的具体化学成分是什么

GH864

Cr 19.5

Ni 58

Mo 4.25

Co 13.5

Ti 3.05

C 0.04

Mn 0.1

Si 0.15

S 0.015

P 0.015

Al 1.35

B 0.01

Zr 0.05

Cu ≤0.1

GH132，高温合金,现已纳入**GB1221-92耐热钢系列.应用范围,650℃下使用的高温部件，石化铁道核电用涡轮盘和紧固件行业的螺丝螺杆等.该合金在650以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度，并有良好的加工塑性和满意的焊接性能 GH169合金在650℃以下具有屈服强度高、塑性好的特点及良好的焊接和成型性能、较高的耐腐蚀、抗氧化和耐辐照性能，合金在-253℃~700℃的温度范围内组织性能稳定。 GH145，高温合金,特种钢材,GH145,合金在980℃以下具有良好的强度，良好的抗腐蚀和抗氧化性能，而且也有较好的低温性能，成型性能也好，主要用作航空和工业燃气轮机部件。介绍了GJB 5307的编制背景、编制过程、标准适用范围,概括了标准所规定的高温合金化学成分允许偏差要求及其依据,提出了贯彻标准的建议。