【焊接技術】不鏽鋼的焊接方式、焊接注意事項、焊接注意事項有哪些

何為鐵素體

編者按：鐵素體不鏽鋼的焊接不同於奧氏體不鏽鋼，難度也高於奧氏體不鏽鋼，因此也制約了鐵素體的推廣應用。本文是不鏽鋼分會專家李天寶教授專門就鐵素體不鏽鋼的焊接方式、焊接注意事項等問題進行的專業解答。

鐵素體不鏽鋼在室溫下，一般具有純鐵素體組織，強度不算很高，塑性、韌性良好；若將其加熱到高溫，也有可能會出現少量的奧氏體組織（對含鉻較低的鋼）或者根本不出現奧氏體組織。所以，在焊接過程的熱迴圈作用下，有可能出現少量或者不出現馬氏體組織。因此，這類鋼經焊接後不會出現強度顯著下降或淬火硬化的問題，即使出現了少許馬氏體組織也可以透過焊後熱處理來解決。可以說，這類鋼焊接接頭的室溫強度不是焊接的主要矛盾；再者，由於其焊接熱膨脹問題遠比奧氏體不鏽鋼輕微，因而其焊接熱裂紋和冷裂紋的問題也不很突出。

通常說，鐵素體型不鏽鋼不如奧氏體不鏽鋼好焊，主要是指在焊接過程中，

可能導致焊接接頭的塑性、韌性降低，即發生脆化的問題。同其他品種不鏽鋼的

焊接一樣，如何保證鐵素體型不鏽鋼焊接接頭具有相同於母材的耐腐蝕性，焊接

接頭在高溫下長期服役可能出現的脆化問題，都是必須重視的。

鐵素體不鏽鋼的熱膨脹係數與碳鋼相近，比奧氏體不鏽鋼小，再加之S、P等

雜質在鐵素體中溶解度大，Si、Nb等是鐵素體形成元素，因此，焊縫結晶時不易

形成低熔點共晶，熱裂傾向比奧氏體不鏽鋼小得多，同時焊接熱影響區超過臨界

溫度的區域形成馬氏體的量也極少，因此淬硬性傾向也很小，所以，鐵素體不鏽

鋼比馬氏體不鏽鋼的延遲裂紋敏感性小，可以說其工藝焊接性是好的。

鐵素體不鏽鋼為Fe-Cr-C三元合金，由Cr以及諸如Al、Nb、Mo及Ti等添

加元素來防止在焊接受熱過程中形成奧氏體。因此，鐵素體不鏽鋼在焊後冷卻過

程中不會出現奧氏體向馬氏體轉變的淬硬現象。但焊接熱所形成的熱影響區近

縫帶，由於高溫而促成鐵素體晶粒粗大，明顯降低了接頭的韌性，並且不可能直

接用熱處理的方法來改善。這就是鐵素體不鏽鋼焊接中最為困難之處。

現代鐵素體不鏽鋼已發展到了第三代品種。第-代是完全依靠鉻作為鐵素

體穩定元素，而含碳量又偏高，因此在焊接之後若不再進行熱處理，必然會產生

晶間腐蝕。而且這一代鋼的韌性都偏低，其代表鋼號為430、442及446。第二代品種以405與409為代表，它們的鉻與碳含量下降了，而加了強烈的鐵素體形成

劑，如405是加入Al，409加人Ti。第二代鐵素體不鏽鋼除了在韌性方面與第一

代相差不大之外，在工藝效能、固碳（Ti及Nb與C反應形成TiC和NbC）以減少

固溶體中碳含量、提高耐腐蝕效能等方面都有了一定的提高。第三代的鐵素體不

鏽鋼，則以改進冶煉方法來生產超低碳和超低氮含量的、可用大噸位爐子冶煉

的、採用較少間隙固溶元素的鋼種，以444（18Cr-2Mo）、26-1（26Cr-1Mo）、445J2

（22Cr-2M。）和S4460（27Cr-4Mo-2Ni）為代表。當這些鋼種再加入強烈碳化物形

成劑，如Ti、Nb，則可在焊後不進行熱處理，也不會有晶間腐蝕出現。此外，第三

代鋼的韌性大大提高，對點腐蝕、應力腐蝕也具有良好的抵抗能力。

鐵素體不鏽鋼焊接接頭的脆化，是這類鋼使用受到限制的主要原因。鐵素體

不鏽鋼焊接接頭的脆化，主要的問題是同質焊縫及熱影響區在焊接過程中C、N

化合物析出和晶粒長大的作用，特別是C、N化合物的析出，而且幾乎不可能通

過熱處理加以消除。而高純度鐵素體不鏽鋼在很大程度上消除了焊縫及熱影響

區中的C、N化合物，極大地改善了焊接性，其焊接結構得到越來越廣泛的使用。

晶間腐蝕是普通鐵素體不鏽鋼的又一主要問題。由於C、N在鐵素體不鏽鋼

中的溶解度很低，在950

℃

以後迅速析出，因此，同質焊材和熱影響區在焊後冷

卻過程中就會析出C、N化合物，除了引起脆化外還會引起晶界貧鉻和提高晶間

腐蝕敏感性，在強氧化介質中發生晶間腐蝕。與奧氏體不鏽鋼不同的是鐵素體不

鏽鋼的敏化溫度較高，在950

℃

以上，因此，在熱影響區產生晶間腐蝕的部位更

靠近熔合線。鉻在鐵素體不鏽鋼的擴散速度遠比在奧氏體不鏽鋼中快，所以只需

700-900

℃

的範圍內短時間保溫，使鉻向貧鉻區擴散，即可消除C、N化合物析

出引起的晶界貧鉻，恢復焊接接頭的耐腐蝕效能。

1. 鐵素體不鏽鋼的連線方法

許多連線不鏽鋼的方法都能夠很好地應用於鐵素體不鏽鋼，主要包括：

（1）熔化焊 透過母材和填充金屬熔化後重結晶使相互分離的兩個或更多

的材料達到完全的結合。

（2）軟釺焊 使用熔點在450℃以下的填充金屬，加熱其到釺焊溫度（低

於母材金屬的熔點）以獲得連線。

（3）硬釺焊 與軟釺焊相同，但焊接溫度>450℃。

（4）機械連線 包括嵌合、卷邊結合、鉚接和機械緊固等。

（5）粘接 使用粘接劑並對乾淨和活性的表面施加壓力來實現，粘接劑通

過氧氣、水或化學反應來實現連線作用。

諸多為碳鋼而研發的焊接方法也可以使用在不鏽鋼焊接中，真正適合於不鏽鋼焊接並且已經成為標準的方法有電弧焊、電阻焊、電子束焊，鐳射焊和摩擦焊等。

雖然說各種電弧焊方法都可用做鐵素體不鏽鋼的焊接，但焊接能量集中、焊

接速度較快的焊接方法應是鐵素體不鏽鋼焊接方法的首選。採用合適的焊接方

法，來實現控制焊接線能量，達到抑制焊接區的鐵素體晶粒過分長大的目的。

如此看來，焊接方法應選擇高能量的等離子弧焊和真空電子束焊最為合適，

並要防止空氣的侵入。除採用小的熱輸入進行焊接外，焊縫背面可用惰性氣體保

護，並最好採用水冷銅墊板，以減少過熱，增加冷卻速度；多層焊時層間溫度要控

制在1000C左右。

2. 鐵素體不鏽鋼的焊接材料

鐵素體不鏽鋼焊接材料的選擇，對鐵素體不鏽鋼的焊接無疑是非常重要的。

其焊接材料既要保證焊接接頭的塑性、韌性，即不發生脆化的問題，又要保證鐵

素體型不鏽鋼焊接接頭具有相同於母材的耐腐蝕性。

在焊接鐵素體不鏽鋼時，通常可以採用兩種焊接材料。

與母材相同型別的焊接材料 如0Crl2、0Crl3、0Crl3A1等用0Crl3Nb焊

絲，0Crl7、0Crl7Ti使用10Crl7（Ti）焊絲。在要求焊縫金屬與母材有相同的導電、

導磁及力學效能和表面色澤時應使用同材質的焊接材料。

採用奧氏體焊接材料或鎳基合金 採用奧氏體焊接材料或鎳基合金，實質

上是異種鋼焊接，可以提高焊接接頭的韌性，免除焊前預熱和焊後熱處理。由於鐵素體焊接材料的熔敷金屬韌性太低，加上新增的Al與Ti等鐵素體形成元素難以有效地過渡到熔池中去，因此鐵素體焊接材料的應用受到一定的限制。儘管在一些例子中採用同種金屬做焊絲是成功的，但最好還是採用低碳的奧氏體不鏽鋼作為鐵素體不鏽鋼焊縫的填充金屬。鐵素體不鏽鋼焊接材料的選擇見表1。

表1 鐵素體不鏽鋼焊接材料

被焊鋼號

用 途

焊接材料

0Crl3，0Crl3Al

用於製造耐水蒸氣、硫酸氫

銨、母液、熱含硫石油部件

①選用同材質焊接材料，需預熱和焊後退火

處理；

②採用奧氏體悍接材料（21-10/25-13、15-20），焊前不預熱，焊後不退火，焊縫為A+F組織

Crl7，

OCrl7，0Crl7Ti

可用於硝酸、硝銨化工設

備、吸收塔熱交換器

①採用同質焊接材料H10Crl7，需預熱和焊

後退火處理；

②採用奧氏體焊接材料（21-10、25-13、

25-20），焊前不預熱，焊後不退火，焊縫為A+F組織；0Crl7Ti、10Crl7Ti接頭耐腐蝕性較Crl7好

00Crl7Ti

與0Crl7Ti、10Crl7Ti作用相當，但C、N較低，耐腐蝕性更好

可用同材或異材焊接

10Crl7M02Ti

用於弱還原酸或有機酸介

質

用18-12-M02焊接材料，焊前不預熱，焊後

不退火

1Cr25Ti

用於製造耐氯鹽溶液、硝酸

或磷腐蝕液部件，10000C-11000C有良好的抗氧化性，在4570C脆化溫度範圍不應使用

①高Cr鐵素體，易過熱，晶粒粗大及脆化特

點顯著，選用同材質焊接材料，需預熱和焊後退火處理並空冷。

②用25-13、25-20焊接材料，焊前不預熱，焊後熱處理

00Crl8M02Ti

000Crl8M02Ti

用於弱介質點腐蝕熱交換器

採用同質焊接，晶間腐蝕敏感，焊接材料必

須含有Ti或Nb；用19-12-M02焊材可不預熱和焊後熱處理，但應防止C、N汙染

00Cr26M02

000Cr27Mo

C十N≤150x10-6，脆性轉變

溫度低，用於耐酸鹼裝置及氯化物NaOH等應力腐蝕環境

①採用同材TIG焊；

②採用25-13MOL焊材，也可採用25-10-4

焊材焊接

1Cr28

在硝酸、次氯酸及磷酸中耐腐蝕性好

焊接性不好，易過熱晶粒迅速長大，接頭脆化

000008Cr30M02

00008Cr30M02

耐氯化物腐蝕、點腐蝕，在

NaOH、硝酸中與鎳合金相當，

焊接性好

用高純008Cr30M02焊材，脆性轉變溫度比

用TIG焊要低40-700C

019Cr25M04Ni4

NbTi

加鎳、含鈦的穩定化鐵素體

鋼，在海水及氯化物介質中具有極好的耐點蝕效能

焊接效能良好，採用同材TIG焊，不需預熱

和焊後處理

00Cr29NiM04Ti

高鉻、高鉬含鈦的穩定化鐵

素體鋼，在海水及氯化物介質中耐應力腐蝕、點腐蝕，在苛性鉀、稀硫酸及各種有機酸中均具有極好的耐腐蝕效能

採用同材TIG焊，焊前仔細清理焊接區域

高匹配的填充金屬

為了保證焊縫也具有耐蝕性，使用的任何鐵素體填充金屬的Cr、Mo、Ti和（或）Nb合金元素的含量要稍高於其母材中的含量。這是由於在焊接區會由於熱的作用而使鉻燒損。另外，也可以使用奧氏體填充金屬，Cr和Mo的含量要高於母材。

保護氣體

由於含Cr高，不鏽鋼在熔化狀態下被強烈氧化。如果在焊接過程中沒有使其與空氣隔離，鉻就會燒損並形成氧化物，結果會喪失緻密性，降低焊接接頭的耐蝕性。對焊縫表面和附近區域的保護通常是透過提供惰性氣體的保護來實現的。這種保護氣體可以是純氬（Ar）或氦氣（He）或者是二者的混合氣體。

在焊接鐵素體不鏽鋼時，保護氣體應是純氬或者是氬和氦的混合氣體。氬氫混合氣體通常用於奧氏體不鏽鋼中，但這可能會引起焊接接頭的氫脆。在焊接鐵素體不鏽鋼時，氬是最常見的背保氣體（用來保護工件的背面）。在焊接鐵素體不鏽鋼時是絕對禁止使用氮氣的。

3.鐵素體不鏽鋼的焊接工藝

為了克服普通高鉻鐵素體不鏽鋼在焊接過程中出現的晶間腐蝕和焊接接頭脆化而引起的冷裂紋，在焊接工藝上應採取以下措施：

焊前預熱

預熱溫度為100-200

℃

，目的在於使被焊材料處於韌性較好的狀態和降低焊接接頭的應力。隨著鋼種鉻含量提高，預熱溫度也相應提高。

焊後熱處理

焊後對焊接接頭區域要進行750-800

℃

退火處理，使過飽和

碳和氮完全析出，鉻充分地補充到貧鉻區，以恢復其耐蝕性，同時也可改善焊接

接頭的塑性。值得注意的是，退火後應快冷，以防止475

℃

脆性產生。

採用小的熱輸入

在焊接過程中，應採用小的熱輸入進行施焊，以減少高溫

脆化和4750C脆性的影響。當選用的焊接材料與母材金屬的化學成分相當時，必

須按上述工藝措施進行。如選用奧氏體不鏽鋼焊接材料，則可免除焊前預熱和焊

後熱處理；但對於不含穩定化元素的鐵素體不鏽鋼焊接接頭來說，熱影響區的粗

晶脆化和晶間腐蝕問題不會因填充材料的改變而變化。奧氏體或奧氏體-鐵素

體焊縫金屬基本上與鐵素體不鏽鋼母材等強度；但在某些腐蝕介質中，這種異質

焊接接頭的耐蝕性可能低於同質的接頭。

極低碳的高鉻鐵素體不鏽鋼板厚度小於5mm時焊前可不預熱，焊後也不必

進行熱處理，可使焊接接頭仍保持足夠的韌性，耐腐蝕性也好。其焊接工藝的重

點是使焊縫金屬中碳加氮的含量不高於母材金屬中的含量，要求焊接材料必須滿足這一要求。其焊接方法應選擇高能量的等離子弧焊和真空電子束焊。要求焊接材料不得汙染；焊接熔池、焊縫背面都要有效保護，防止空氣的侵入。除採用小的熱輸入進行焊接外，焊縫背面可用惰性氣體保護，並最好採用通冷卻水的銅墊板，以減少過熱，增加冷卻速度。多層焊時層間溫度要控制在100℃左右。

4.鐵素體不鏽鋼焊接問題的發現和解決

鐵素體不鏽鋼在焊接時，還會在高溫下由“形成相”和“晶粒粗化”而產生脆

化。這些問題的解決方法見表2。

表2 焊接鐵素體不鏽鋼的補救方法

不鏽鋼型別

特殊效能

現象

原因

如何避免

非穩定

不鏽鋼

敏化態

焊接區的低耐蝕性

在晶界處鉻的

碳化物的沉積

在600-800

℃

退火

穩定

不鏽鋼

晶粒粗大

焊接區的低韌性

在高溫下晶粒的

過度長大

減少焊接熱輸入

高Cr-Mo

不鏽鋼

475

℃

脆性

在400~500

℃

時

σ 發生脆化

由於σ相的分解

而產生σ相

在600

℃

加熱並快速冷卻

高Cr-Mo

不鏽鋼

σ相脆化

在550~800

℃

tt寸

發生脆化

σ相形成

在800

℃

以上

加熱並快速冷卻

非穩定

不鏽鋼

馬氏體

相脆化

在低Cr和高C的

型別中會發生脆化

由於快冷而產生的

馬氏體

在600~700

℃

長時間退火，

以消除馬氏體

5. 鐵素體不鏽鋼的焊接技巧

（1）採用窄焊道焊接，如小的焊接線能量、較快的焊接速度等；

（2）使焊絲的受熱末端始終處在保護氣體中；

（3）採用先進的焊接技術，如等離子電弧焊、熔化極電弧焊等；

（4）熄弧後應繼續通保護氣體，直至冷卻充分；

（5）用純淨度高的氬氣保護焊接熔池；

（6）焊縫背面應採用惰性氣體保護；

（7）對於多層焊接，應用不鏽鋼刷清除層間氧化物。

本文載自李天寶《現代鐵素體不鏽鋼的效能及應用》一書。