压力容器用不锈钢及其焊接特点详解：奥氏体、铁素体、马氏体不锈钢分类与应用

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1、压力容器用不锈钢及其焊接特性

所谓不锈钢是指在钢中添加一定量的铬元素，使钢处于钝化状态，具有不生锈的性能。要达到这一目的，其铬含量必须在12%以上。为了提高钢的钝化能力，不锈钢中常添加镍、钼等能使钢钝化的元素。一般所说的不锈钢实际上是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢一般具有良好的不锈性能。

不锈钢按其钢组织的不同可分为四类，即奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢。

1、奥氏体不锈钢及其焊接特性

奥氏体不锈钢是应用最广泛的不锈钢，其中以高Cr-Ni型最为常见。目前奥氏体不锈钢大致可分为Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奥氏体不锈钢具有以下焊接特性：

①焊接热裂纹奥氏体不锈钢导热系数低，线膨胀系数大。因此，在焊接过程中，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝易形成粗大的柱状晶组织。在凝固结晶过程中，如果硫、磷、锡、锑、铌等杂质元素含量较高，晶体之间会形成低熔点共晶。当焊接接头承受高拉应力时，焊缝和热影响区很容易形成凝固裂纹。液化裂纹都是焊接热裂纹。防止热裂纹最有效的方法是减少钢和焊接材料中易产生低熔点共晶的杂质元素，并使铬镍奥氏体不锈钢含有4％～12％的铁素体组织。

②晶间腐蚀根据贫铬理论，碳化铬在晶间析出，造成晶界贫铬，是产生晶间腐蚀的主要原因。为此，选择超低碳焊接材料或含有铌、钛等稳定元素的焊接材料是防止晶间腐蚀的主要措施。

③应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂通常表现为脆性破坏，破坏过程发生在短时间内，因此破坏严重。奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的主要原因是焊接残余应力。焊接接头的结构变化或应力集中和局部腐蚀介质集中的存在也是影响应力腐蚀开裂的因素。

④焊接接头中σ相的脆化 σ相是一种脆而硬的金属间化合物，主要聚集在柱状晶的晶界处。 γ相和δ相都可以发生σ相变。例如，Cr25Ni20型焊缝在800℃～900℃加热时，会发生强烈的γ→δ转变。对于铬镍奥氏体不锈钢，特别是铬镍钼不锈钢，容易发生δ→σ相变。这主要是由于铬、钼元素发生明显的σ转变所致。当焊缝中δ铁素体含量超过12%时，δ向σ的转变非常明显，引起焊缝金属明显的脆化。这就是为什么热壁加氢反应器内壁熔覆层将δ铁素体含量控制在3%～10%。原因。

2.铁素体不锈钢及其焊接特性

铁素体不锈钢分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢两大类。普通铁素体不锈钢有Cr12～Cr14型，如00Cr12、0Cr13Al； Cr16～Cr18型，如1Cr17Mo； Cr25～30型。

由于普通铁素体不锈钢中碳、氮含量较高，加工、成型和焊接困难，耐腐蚀性能难以保证，因此其使用受到限制。在超纯铁素体不锈钢中，严格控制钢中的碳和氮含量。总氮含量一般控制在0.035%～0.045%、0.030%、0.010%～0.015%三个水平。还添加必要的合金元素，进一步提高钢的耐腐蚀性能和综合性能。与普通铁素体不锈钢相比，超纯高铬铁素体不锈钢具有良好的耐均匀腐蚀、点蚀和应力腐蚀能力，多用于石油化工设备。铁素体不锈钢具有以下焊接特性：

①在高焊接温度的作用下，当加热温度达到1000℃以上时，热影响区特别是焊缝区晶粒会迅速长大。即使焊后快速冷却，也无法避免因晶粒粗化而引起的韧性急剧下降。晶间腐蚀倾向较高。

②铁素体钢本身含铬量较高，碳、氮、氧等有害元素较多，脆性转变温度较高，缺口敏感性较强。因此，焊后脆化较为严重。

③在400℃～600℃下长时间缓慢加热和冷却时，在475℃时会发生脆化，严重降低室温韧性。在550℃～820℃长期加热后，铁素体中易析出σ相，也显着降低其塑性和韧性。

3、马氏体不锈钢及其焊接特性

马氏体不锈钢可分为Cr13型马氏体不锈钢、低碳马氏体不锈钢和超级马氏体不锈钢。 Cr13型具有一般耐腐蚀性能。由Cr12基马氏体不锈钢，由于添加了镍、钼、钨、钒等合金元素，除具有一定的耐腐蚀性能外，还具有较高的高温强度和耐高温性能。氧化性能。

马氏体不锈钢的焊接特点：Cr13马氏体不锈钢在焊缝和热影响区有特别大的硬化倾向。在空冷条件下，焊接接头中可获得硬而脆的马氏体。在焊接约束应力和扩散氢的影响下，焊接很容易产生冷裂纹。当冷却速度较小时，近焊缝区会形成粗大的铁素体，焊缝金属和碳化物会沿晶体析出，使接头的塑性和韧性显着降低。

低碳和超马氏体不锈钢的焊缝和热影响区冷却后，虽然都转变为低碳马氏体，但没有明显的硬化现象，具有良好的焊接性能。

2、压力容器不锈钢焊接材料的选择

1、奥氏体不锈钢焊材的选择

奥氏体不锈钢焊材的选用原则是在无裂纹的情况下，保证焊缝金属的耐腐蚀性能和力学性能基本相当于或高于母材金属。一般要求合金成分与母材大致相同。匹配。对于耐腐蚀奥氏体不锈钢，一般希望含有一定量的铁素体，既能保证良好的抗裂性能，又具有良好的耐腐蚀性能。但在一些特殊介质中，如尿素设备的焊缝金属，不允许有铁素体存在，否则会降低其耐腐蚀性能。对于耐热奥氏体钢，应考虑焊缝金属中铁素体含量的控制。对于长期在高温下工作的奥氏体钢焊件，焊缝金属中铁素体含量不应超过5%。读者可以根据舍弗勒图根据焊缝金属中的铬当量和镍当量估算出相应的铁素体含量。

2、铁素体不锈钢焊接材料的选择

铁素体不锈钢焊材基本上有三类：1）成分与母材基本匹配的焊材； 2）奥氏体焊材； 3）镍基合金焊材，由于价格昂贵，很少使用。

铁素体不锈钢焊材可以采用与母材相当的材料制成，但当约束程度较高时，很容易产生裂纹。焊后可采用热处理来恢复耐蚀性并提高接头塑性。使用奥氏体焊材，无需预热和焊后热处理，但对于不含稳定元素的各种钢，热影响区的敏化现象仍然存在。常用的有309型和310型铬镍奥氏体焊材。对于Cr17钢，也可采用308型焊接材料。合金含量高的焊接材料有利于提高焊接接头的塑性。奥氏体或奥氏体-铁素体焊缝金属的强度基本上与铁素体母材相同，但在某些腐蚀介质中，焊缝的耐腐蚀性可能与母材有很大差异。选择焊接材料时要注意。

3、马氏体不锈钢焊材的选择

在不锈钢中，马氏体不锈钢可以利用热处理来调整其性能。因此，为了保证性能要求，特别是耐热马氏体不锈钢，焊缝的成分应尽可能接近母材的成分。为了防止冷裂纹，也可采用奥氏体焊接材料，此时焊接强度必须低于母材。

当焊缝成分与母材相似时，焊缝和热影响区会同时硬化变脆，热影响区会出现回火软化区。为了防止冷裂，厚度在3毫米以上的构件常需要预热，焊后常需进行热处理以改善接头性能。由于焊缝金属与母材的热膨胀系数基本相同，因此热处理后可以完全消除焊接。压力。

当工件不允许预热或热处理时，可选用奥氏体组织焊缝。由于焊缝具有较高的塑性和韧性，可以松弛焊接应力，并能溶解较多的氢，从而降低接头强度。但由于材质不均匀的接头热膨胀系数不同，在循环温度的工作环境下，熔合区可能会产生剪应力，导致接头损坏。

对于简单的Cr13型马氏体钢，当不采用奥氏体组织的焊缝时，焊缝成分调整的空间不大。一般与母材基体相同，但必须限制S、P、Si等有害杂质。 Si能促进Cr13马氏体钢焊缝中粗大马氏体的形成。降低C含量有利于降低淬透性。焊缝中少量Ti、N或Al等元素的存在也能细化晶粒，降低淬透性。

对于多元合金Cr12基马氏体热强钢来说，主要目的是耐热性。通常不使用奥氏体焊接材料，并且焊缝成分期望接近母材金属。调整成分时，必须保证焊缝中不出现初生铁素体相，因为它对性能危害很大。由于Cr13基马氏体热强钢的主要成分多为铁素体元素（如Mo、Nb、W、V等），为保证整个组织为均匀的马氏体，必须平衡奥氏体元素，即要有适当的C、Ni、Mn、N等元素。

马氏体不锈钢具有非常高的冷裂倾向，因此必须严格保持在低氢，甚至超低氢。选择焊接材料时必须注意这一点。

3、压力容器用不锈钢焊接要点

1、奥氏体不锈钢焊接要点

一般来说，奥氏体不锈钢具有优良的焊接性。几乎所有的熔焊方法都可以用来焊接奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢的热物理性能和组织特点决定了其焊接工艺的要点。

①由于奥氏体不锈钢导热系数小，热膨胀系数大，因此在焊接时容易产生较大的变形和焊接应力。因此，应尽可能采用焊接能量集中的焊接方法。

②由于奥氏体不锈钢导热系数小，在相同电流下比低合金钢可以获得更大的熔深。同时，由于其电阻率较高，为了避免电弧焊时焊条发红，焊接电流比同直径的碳钢或低合金钢焊条要小。

③焊接规范。一般不采用大的线性能量进行焊接。电弧焊时宜采用小直径焊条和快速多道焊。对于高要求的焊缝，甚至可以浇冷水加速冷却。对于纯奥氏体不锈钢和超级奥氏体不锈钢，由于热裂纹敏感性较大，应严格控制焊接线能量，以防止焊缝晶粒严重长大和焊接热裂纹的发生。

④为了提高焊缝的抗热裂性和耐腐蚀性，焊接时应特别注意焊接区域的清洁，防止有害元素渗入焊缝。

⑤ 焊接奥氏体不锈钢时一般不需预热。为了防止焊缝及热影响区晶粒长大和碳化物析出，保证焊接接头的塑性、韧性和耐蚀性，应控制较低的层间温度，一般不超过150℃。

2、铁素体不锈钢的焊接要点

铁素体不锈钢的铁素体形成元素相对较多，奥氏体形成元素相对较少，材料的硬化和冷裂纹倾向较小。在焊接热循环作用下，铁素体不锈钢热影响区晶粒显着长大，接头韧性和塑性急剧下降。热影响区晶粒长大的程度取决于焊接时达到的最高温度及其保温时间。为此，在焊接铁素体不锈钢时，应尽可能采用小线能量，即采用能量集中的方法，如小电流TIG、小直径焊条手工焊等，同时采取措施如窄间隙坡口、高焊接速度和尽可能多层焊接，并严格控制层间温度。

由于焊接热循环的作用，一般铁素体不锈钢在热影响区高温区会出现敏化，在某些介质中会发生晶间腐蚀。焊后经700~850℃退火，使铬均匀化，恢复其耐蚀性。

普通高铬铁素体不锈钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等熔焊方法进行焊接。由于高铬钢固有的低塑性，焊接热循环引起的热影响区晶粒长大和晶界碳化物、氮化物的堆积，导致焊接接头的塑性和韧性很低。当使用与母材化学成分相似的焊接材料并受到高度约束时，很可能会出现裂纹。为了防止裂纹，提高接头塑性和耐腐蚀性，以焊条电弧焊为例，可采取以下工艺措施。

①预热至100～150℃左右，使材料处于韧性状态。铬含量越高，预热温度应越高。

② 采用小线性能量，无摆动焊接。多层焊接时，应控制层间温度不超过150℃，且不宜连续焊接，以减少高温脆化和475℃脆性的影响。

③焊后进行750～800℃退火，由于碳化物球化和铬分布均匀，可恢复耐蚀性并提高接头塑性。退火后应快速冷却，以防止在475℃时产生σ相和脆性。

3、马氏体不锈钢焊接要点

对于Cr13马氏体不锈钢，采用同材质焊条进行焊接时，为降低冷裂纹敏感性，保证焊接接头的塑性和韧性，应选用低氢焊条，并在焊缝处采取以下措施：同时：

①预热。预热温度随着钢中含碳量的增加而升高，一般在100℃～350℃范围内。

②后加热。对于含碳量高或约束程度高的焊接接头，焊后应采取后加热措施，防止焊接氢致裂纹。

③焊后热处理。为了提高焊接接头的塑性、韧性和耐蚀性，焊后热处理温度一般为650℃～750℃，保温时间按1h/25mm计算。

对于超低碳马氏体不锈钢，一般不需要预热措施。当约束较大或焊缝含氢量较高时，采取预热和后加热措施。预热温度一般为100℃～150℃。 ，焊后热处理温度为590～620℃。

用于含碳量较高的马氏体钢。或者当焊前预热和焊后热处理难以实施，且接头限制性较高时，项目中也可以采用奥氏体焊材，以提高焊接接头的塑性和韧性，防止裂纹。但此时，当焊缝金属为奥氏体组织或以奥氏体为主的组织时，与母材的强度相比实际上是弱匹配，而且焊缝金属与母材在化学成分上存在着不同的差异，金相组织和热性能。物理性能和力学性能差异较大，焊接残余应力不可避免，极易引起应力腐蚀或高温蠕变破坏。

4、双相不锈钢的焊接

1、双相不锈钢的种类

双相不锈钢具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，因为它具有奥氏体+铁素体的双相组织，且两相组织的含量基本相等。屈服强度可达400Mpa～550MPa，是普通奥氏体不锈钢的两倍。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢韧性高，脆性转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性能显着提高；同时保留了铁素体不锈钢的一些特性，如475℃时脆性、热导率高、线膨胀系数小、超塑性和磁性等。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢强度高，特别是屈服强度显着提高，其耐点蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也显着提高。

双相不锈钢按化学成分分类，可分为Cr18型、Cr23（不含Mo）型、Cr22型和Cr25型四类。 Cr25双相不锈钢可分为普通型和超级双相不锈钢。其中Cr22型和Cr25型近年来得到广泛应用。我国使用的双相不锈钢大部分产自瑞典。具体牌号为：3RE60（Cr18型）、SAF2304（Cr23型）、SAF2205（Cr22型）、SAF2507（Cr25型）。

2、双相不锈钢的焊接特性

①双相不锈钢具有良好的焊接性。它既不像铁素体不锈钢那样焊接时容易在热影响区产生脆化，也不像奥氏体不锈钢那样容易产生焊接热裂纹。但由于其含有大量的铁素体，当刚性较高或焊缝含氢量较高时，可能会出现氢冷却裂纹，因此严格控制氢的来源非常重要。

②为了保证双相钢的特性，保证焊接接头组织中奥氏体和铁素体的适当比例是该类钢焊接的关键。当焊后接头冷却速度较慢时，δ→γ的二次相变较为充分，因此在室温下可获得合适相比的两相组织，这就需要适当大的焊接热输出焊接过程中。否则，如果焊后冷却速度过快，δ铁素体相就会增多，导致接头的塑韧性和耐腐蚀性能严重下降。

3、双相不锈钢焊材的选择

双相不锈钢所用焊材的特点是焊缝组织为以奥氏体为主的双相组织，主要耐腐蚀元素（铬、钼等）含量与基体相当。金属，从而确保与母材金属相当的耐腐蚀性。性别。为了保证焊缝中的奥氏体含量，通常需要增加镍和氮的含量，即增加镍当量2%~4%左右。双相不锈钢母材中一般含有一定量的氮含量。还要求焊接材料中含有一定量的氮含量，但一般不宜过高，否则会产生气孔。这样，较高的镍含量就成为焊接材料与母材之间的主要区别。

根据耐蚀性和接头韧性的不同要求，选择与母材化学成分相匹配的焊条。例如焊接Cr22双相不锈钢时，可采用Cr22Ni9Mo3焊条，如E2209焊条。使用酸性焊条时，脱渣效果优良，焊缝形状美观，但冲击韧性较低。当要求焊缝金属具有较高的冲击韧性并要求进行全位置焊接时，应采用碱性焊条。焊接根背板时，通常使用碱性焊条。当焊缝金属的耐腐蚀性能有特殊要求时，还应采用超级双相钢组成的碱性焊条。

对于固体气体保护焊丝，在保证焊缝金属具有良好的耐蚀性和机械性能的同时，还应注意其焊接工艺性能。对于药芯焊丝，当要求焊缝具有美观的外观时，可选用金红石型或钛型药芯焊丝，当要求较高的冲击韧性或在较大约束条件下进行焊接时，可采用钙型药芯焊丝。应使用碱度较高的药芯焊丝。

埋弧焊应采用较小直径的焊丝，在中小型焊接规范下实现多层、多道焊，以防止焊接热影响区和焊缝金属的脆化，并应配套碱性焊剂。被使用。

4、双相不锈钢焊接要点

①焊接热过程的控制：焊接线能量、层间温度、预热和材料厚度都会影响焊接时的冷却速度，从而影响焊缝和热影响区的组织和性能。冷却速度过快或过慢都会影响双相钢焊接接头的韧性和耐蚀性。如果冷却速度过快，会造成α相含量过多，Cr2N析出增多。冷却速度过慢会导致晶粒严重粗大，甚至会析出一些脆性金属间化合物，如σ相。表 1 列出了一些推荐的焊接线能量和层间温度范围。选择线能量时还应考虑具体的材料厚度。表中线能量的上限适用于厚板，下限适用于薄板。焊接ω（Cr）合金含量高达25%的双相钢和超级不锈钢时，为获得最佳焊缝金属性能，建议最高层间温度控制在100℃。当焊后需要热处理时，层间温度可以不受限制。

②焊后热处理：双相不锈钢焊后最好不要进行热处理。但当焊接状态的α相含量超过要求或析出σ相等有害相时，可采用焊后热处理加以改善。所采用的热处理方法是水淬。热处理时加热应尽可能快，在热处理温度下的保温时间为5～30分钟，应足以恢复相平衡。金属在热处理时氧化非常严重，因此应考虑惰性气体保护。 ω(Cr)为22%的双相钢应在1050℃～1100℃的温度下进行热处理，而ω(Cr)为25%的双相钢和超级双相钢则需在1070℃～1120℃的温度下进行热处理治疗。

5、不锈钢压力容器焊接实例

闪蒸罐直径800mm，壁厚10mm。壳体材质为0Cr18Ni9。

阐明：

① 筒体直径为800mm，焊工可钻入筒体进行焊接。因此，筒体的纵缝和环缝均采用焊条电弧焊进行双面焊接。

② 该设备没有孔，所以封闭焊缝只能从外部进行焊接。为了保证焊接质量，采用TIG焊作为底漆。但不锈钢氩弧焊时，背面金属会被氧化。过去，保护背面的唯一方法是充氩气。但当设备较大或背面无法进行氩气保护时，会浪费大量的氩气，但仍有可能发生保护。不好。为了解决这一工艺难题，日本油脂公司焊接事业部开发并制造了背面自保护不锈钢TIG焊丝。这是一种带有特殊涂层的焊丝。涂层（即镀层）熔化后会渗入熔池。背面形成一层致密的保护层，相当于电极涂层的作用。该焊丝的使用方法与普通TIG焊丝完全相同。涂层不会影响前弧和熔池形状，大大降低了不锈钢氩弧焊的焊接成本。在该设备中，如果背面采用氩气保护，则氩气浪费严重，因此采用了自保护焊丝。

③接管与平焊法兰之间的角焊缝、接管与壳体之间的角焊缝。鉴于该部位焊缝的形状和焊接条件，一般采用焊条电弧焊。如果管径太小，也可以采用TIG焊，以降低焊接难度。

④ 支架与壳体之间的角焊缝为非承压焊缝。采用熔化极气体保护焊（保护气体为纯CO2），效率高，焊缝成形好。 TFW-308L为焊接材料品牌，其焊接材料型号为E308LT1-1（AWS A5.22）。