張靜 劉紅楓

1. 概述

在鋁電解工藝作業(yè)中，為了便于將新陽極放入到正確位置，需利用抓斗來撈出電解槽溶池中電解質(zhì)塊和殘極塊。因此抓斗（見附圖）長期工作于900℃的高溫高腐蝕的環(huán)境中，在選擇抓斗材質(zhì)上要求很高，我公司現(xiàn)已采用0Cr25Ni20代替了原來的Cr18Ni9Ti，以適應(yīng)高溫高腐蝕的環(huán)境。

0Cr25Ni20奧氏體不銹鋼的焊接性比較好，但在焊接過程中，奧氏體從高溫冷卻到室溫時，隨著C、Cr、Ni、Mo含量的不同，金相組織轉(zhuǎn)變的差異及穩(wěn)定化元素Ti、Nb的變化，焊接材料與工藝的不同，焊接接頭各部位可能出現(xiàn)一些熱裂紋、耐蝕性差以及焊接接頭脆化等問題，因此需選擇合理的熱裂紋防止措施，以保證奧氏體不銹鋼焊接質(zhì)量。

2. 0Cr25Ni20 鋼特性

（1）母材特性 0Cr25Ni20鋼是高鉻高鎳奧氏體耐熱鋼，其化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能如表1、表2所示。該鋼在氧化性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐蝕性能，同時也具有良好的高溫力學(xué)性能，其塑性和韌性較高，且不可淬硬，具有較好的焊接性能。

（2）母材焊接性 0Cr25Ni20鋼的熱導(dǎo)率小而線膨脹系數(shù)較大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊縫和近焊縫區(qū)將產(chǎn)生較大的焊接撓曲變形，并存在熱裂紋和液化裂紋的危險，為此應(yīng)采用小的熱輸入，不預(yù)熱并降低層間溫度。

在焊接的持續(xù)加熱過程中，0Cr25Ni20鋼的焊接接頭會發(fā)生σ相脆變，其在800～850℃溫度下σ相析出的敏感性最大。加速σ相形成的元素有Mo、Si、Nb等，故在選擇時應(yīng)選擇這些元素含量較低的焊材。同時，還應(yīng)適當(dāng)控制焊接熱輸入，不預(yù)熱、控制層溫不過高，以減少高溫停留時間。

抓斗

表1 Cr25Ni20鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Cr25Ni20鋼的力學(xué)性能

此外，在焊接接頭還會出現(xiàn)各種形式的腐蝕，如晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕等。

3. 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋產(chǎn)生因素

（1）焊接結(jié)晶裂紋具有高溫沿晶斷裂的性質(zhì) 發(fā)生高溫沿晶斷裂的條件是金屬在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時所發(fā)生的塑性應(yīng)變量，即ε≥δmin，式中ε為高溫階段晶間發(fā)生的塑性應(yīng)變量，δmin為高溫階段晶間允許的最小變形量。

δmin反映了焊縫金屬在高溫時晶間的塑性變形能力。金屬在結(jié)晶后期，即處在液相線與固相線溫度附近的“脆性溫度區(qū)”，在該區(qū)域范圍內(nèi)其塑性變形能力最低。

ε是焊縫金屬在高溫時受各種力綜合作用所引起的應(yīng)變，反映了焊縫金屬的應(yīng)力狀態(tài)。這些應(yīng)力主要是由于焊接的不均勻加熱和冷卻過程而引起，如熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和拘束應(yīng)力等。

（2）材料合金化程度越高，焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋 材料中含有較多的合金元素時，焊接時易產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，同時增大了液固相線的間距，加劇了偏析。奧氏體不銹鋼焊縫結(jié)晶時，液、固相線的區(qū)間較大，結(jié)晶時間較長，且奧氏體結(jié)晶的枝晶方向性強(qiáng)，所以雜質(zhì)偏析現(xiàn)象比較嚴(yán)重，并在晶界積聚。

總的來說，在奧氏體不銹鋼焊接中，促進(jìn)熱裂紋的元素順序?yàn)?P＞S＞Si＞Ni，抑制熱裂紋的元素順序?yàn)镃＞Mn＞Cr 。其中Cr和Ni 是為滿足一定的性能而設(shè)定的，因此為抗裂紋主要在其他幾個元素上進(jìn)行控制。除了進(jìn)行單個含量的控制外，工程上還常采用裂紋指數(shù)HCI來評判熱裂紋的敏感性。為了防止產(chǎn)生熱裂紋，HCI 應(yīng)小于15。

除元素的影響外，奧氏體不銹鋼中的鐵素體殘余含量對焊接熱裂紋的產(chǎn)生也有不可忽視的影響。常溫組織為奧氏體相加少量的因過冷而殘余的鐵素體相。少量的鐵素體在焊縫中呈孤島狀，可妨礙奧氏體相的枝晶發(fā)展，從而產(chǎn)生一定的細(xì)化晶粒和打亂結(jié)晶方向的作用。同時，少量的鐵素體能溶解雜質(zhì)以減少偏析，因此鐵素體的存在對抗熱裂紋是有利的。 試驗(yàn)證明，鐵素體相為5%～20%時，熱裂紋傾向最小。

（3）含有一定δ鐵素體的鉻鎳奧氏體焊縫具有較高的抗凝固裂紋性能 鉻鎳奧氏體鋼焊縫凝固時，根據(jù)不同的化學(xué)成分可能有三種結(jié)晶模式，即先結(jié)晶析出奧氏體并形成全奧氏體組織的模式（簡稱全奧氏體模式）；先結(jié)晶析出奧氏體后在晶界產(chǎn)生δ鐵素體的模式（簡稱先奧氏體模式）和先析出δ鐵素體后產(chǎn)生奧氏體+δ鐵素體組織的模式（簡稱先δ鐵素體模式）。

鉻鎳奧氏體焊縫結(jié)晶模式由先δ鐵素體變?yōu)橄葕W氏體或全奧氏體模式時，抗凝固裂紋能力突然劇烈下降。

4. 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋防止對策

（1）冶金方面 首先，在焊縫金屬中嚴(yán)格限制B、S、P、Sn等有害元素含量， 以防止熱裂紋的產(chǎn)生。對于不允許存在鐵素體的純奧氏體焊縫，可以加入適當(dāng)?shù)腻i，少許的碳、氮，同時減少硅的含量。其次，在焊縫金屬或母材中增添一定數(shù)量的鐵素體組織，使焊縫成奧氏體-鐵素體雙相組織，能很有效地防止焊縫熱裂紋的產(chǎn)生。常用來促成鐵素體的元素有鉻、鉬、釩等。

（2）焊接工藝要點(diǎn) 首先，因奧氏體鋼熱導(dǎo)率低而線膨脹系數(shù)大，在焊后易產(chǎn)生焊接變形，焊接所需的熱輸入低。過高的熱輸入會造成焊縫開裂、降低抗蝕性能、變形嚴(yán)重和接頭力學(xué)性能改變。采用小電流、低電壓和窄焊道快速焊可使熱輸入減小。另外，應(yīng)避免同一部位多次重復(fù)加熱或高溫停留時間長，多層焊時，每層焊縫的交接處應(yīng)錯開；盡可能每層施焊方向與前一層相反，層間溫度控制在60℃以下。

其次，奧氏體不銹鋼焊縫受到污染其耐蝕性能和強(qiáng)度變差。因此焊前必須對焊接區(qū)表面作徹底的清理，層間若有焊渣必須清除后再焊，以防止夾渣，最后焊道表面也應(yīng)清渣。

最后，奧氏體鋼母材和焊材中都含有與氧親和力強(qiáng)的合金元素，為防止和減少焊接時的燒損，焊接時必須盡可能用短弧焊，不作橫向擺動。由于焊縫受到污染其耐蝕性能和強(qiáng)度變差，因此焊前必須對焊接區(qū)表面作徹底的清理，層間若有焊渣必須清除后再焊，以防止夾渣，最后焊道表面也應(yīng)清渣。

5. 焊接工藝

（1）焊接方法的選擇 由于在自由狀態(tài)下焊接時易產(chǎn)生較大的焊接變形，所以應(yīng)選用能量集中的焊接方法。同時由于其對過熱較為敏感，只能采用低熱輸入進(jìn)行快速焊接，氬弧焊應(yīng)是首選的焊接方法。焊接時，焊縫背面需充氬保護(hù)，以保證背面成形良好和防止氧化。

（2）焊接材料的選擇 焊接材料選擇原則是在不致產(chǎn)生焊接裂紋的前提下保證焊縫金屬具有與母材基本相同的熱強(qiáng)性。這就要求其合金成分大致與母材相匹配。通過分析，選用f1.2mm的H0Cr26Ni21焊絲。

6. 結(jié)語

奧氏體不銹鋼焊接時，如果不能有效避免焊接缺陷，焊后對這些缺陷進(jìn)行返修時則極易出現(xiàn)焊接熱裂紋，主要是奧氏體材料導(dǎo)熱差，且返修處應(yīng)力比一次焊接時應(yīng)力大，多次返修則應(yīng)力更大。多層焊接時即使層間溫度得到有效控制，焊接時輸入的熱量加上拘束應(yīng)力，則足以在焊縫區(qū)或熱影響區(qū)出現(xiàn)熱裂紋?？刂茻崃鸭y的措施除了焊縫成形以外，最重要的就是溫度和應(yīng)力，當(dāng)溫度也能得到有效控制后，應(yīng)力就是最主要的原因，這一點(diǎn)在多次返修易出裂紋特別是縱縫和環(huán)縫相交的丁字口附近最易出現(xiàn)，返修難度大，足以說明應(yīng)力對熱裂紋的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度。