了解四种类型不锈钢及合金元素作用，选购不迷茫

不锈钢的四种类型及合金元素的作用

不锈钢可分为奥氏体、马氏体、铁素体和双相不锈钢四类（表1）。

这是基于不锈钢在室温下的金相组织。当低碳钢加热到 1550°F 时，其组织由室温下的铁素体相转变为奥氏体相。当冷却时，低碳钢组织又变回铁素体。高温下存在的奥氏体组织无磁性，其强度低于室温下的铁素体组织，但韧性较好。

当钢中Cr含量大于16%时，室温下的铁素体组织被固定，使钢在所有温度范围内都保持铁素体状态，因此称为铁素体不锈钢。当Cr含量大于17%、Ni含量大于7%时，奥氏体相被固定，使钢从低温到几乎熔点都保持奥氏体状态。

奥氏体不锈钢通常称为“Cr-Ni”型，而马氏体和铁素体不锈钢则简称为“Cr”型。不锈钢和填充金属中的元素可分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素。最重要的奥氏体形成元素是Ni、C、Mn和N，铁素体形成元素是Cr、Si、Mo和Nb。调整元素含量可以控制焊缝中的铁素体含量。

奥氏体不锈钢比Ni含量低于5%的不锈钢更易于焊接，焊接质量也更好。奥氏体不锈钢的焊接接头强度高、韧性好，一般不需要焊前预热和焊后热处理。在不锈钢焊接领域，奥氏体不锈钢占所有不锈钢使用的80%，因此本文重点讨论奥氏体不锈钢的焊接。

如何选择合适的不锈钢焊接材料？

如果母材相同，则首要标准是“母材匹配”，例如焊接310或316不锈钢，则选择相应的焊接材料。

异种材料焊接时，应遵循选择与合金元素含量较高的母材相匹配的原则，例如焊接304与316不锈钢时，应选择316型焊接材料。

但也有不少特殊情况不遵循“匹配母材”原则，这时就需要“查看焊接材料选择表”。例如，304不锈钢是最常见的母材，但没有304焊条。

如果焊接材料要与母材匹配，焊接304不锈钢该如何选择焊接材料呢？

焊接304不锈钢时，请使用308型焊接耗材，因为308不锈钢中的添加元素可以更好地稳定焊缝区域。

308L也是可以接受的选择。L代表低碳含量，3XXL不锈钢意味着碳含量≤0.03%，而标准3XX不锈钢的碳含量最高可达0.08%。

由于L型焊材与非L型焊材属于同一类别，制造商应特别考虑使用L型焊材，因为其低碳含量可以降低晶间腐蚀的倾向（图1）。事实上，作者认为，如果制造商想要升级其产品，L型焊材将得到更广泛的应用。

图1 采用L型焊接材料可降低晶间腐蚀倾向

采用GMAW方法的制造商也考虑使用3XXSi类型的焊接材料，因为Si可以提高润湿性（图2）。在焊件脊高或角焊缝或搭接焊缝趾部处焊接熔池连接不良的情况下，使用含Si的气保焊丝可以润湿焊缝并提高熔敷速率。

图2 GMAW焊接时为提高焊接材料的润湿性，选用含Si的焊丝，例如308L Si或316L Si。

若考虑碳化物析出，可选用含少量Nb元素的347型焊接材料（最后一个问题）。

如何将不锈钢焊接到碳钢？

有些结构件为了降低成本，会在碳钢表面焊接一层耐腐蚀层。在将不含合金元素的母材焊接到含有合金元素的母材上时，要采用合金含量较高的焊接材料，以平衡焊缝中的稀释率。

碳钢与304或316不锈钢，以及其他异种不锈钢（表2）焊接时，多数考虑采用309L焊材，若要求Cr含量较高，则选用312型。

需要指出的是，奥氏体不锈钢的热膨胀率比碳钢高50%，焊接时热膨胀率的差异会产生内应力，进而导致裂纹的产生，此时需要选择合适的焊接材料或规定合适的焊接工艺（图3）。

图3 焊接碳钢与不锈钢时，因热膨胀率不同而产生的翘曲变形需要更大程度的补偿。

适当的焊前清理程序是什么？

与其他材料焊接时，先用不含氯化物的溶剂除去油污、痕迹和灰尘。此外，焊接不锈钢时首先要注意避免碳钢的污染，以免影响耐腐蚀性。有些公司将不锈钢和碳钢分开存放，以避免交叉污染。清理坡口周围区域时，要使用不锈钢专用砂轮和刷子。有时需要对接头进行二次清理。由于焊接不锈钢时的电极补偿操作比焊接碳钢时更困难，因此接头的清理非常重要。

正确的焊后清理做法是什么？不锈钢焊缝为什么会生锈？

首先我们来回顾一下不锈钢不生锈的原因是Cr和O发生反应，在材料表面形成一层致密的氧化层，起到了保护作用。不锈钢生锈是因为碳化物的析出（见上一个问题）和焊接时的加热，导致焊件表面形成氧化铁。在焊接状态下，一个完好的焊件在24小时内也可能会在焊接热影响区边界生锈的地方产生咬边。

因此，为了再生新的氧化铬，不锈钢焊后需进行抛光、酸洗、研磨或刷洗等处理，要强调的是，研磨机和刷子必须是专用的。

不锈钢焊丝为什么具有磁性？

全奥氏体组织的不锈钢无磁性，但焊接时温度较高，导致组织中晶粒长大，焊后裂纹敏感性增加。为了降低热裂纹敏感性，焊接材料制造商在焊接材料中添加铁素体形成元素（图4）。铁素体相使奥氏体晶粒变细，从而提高抗裂性。

图4 为了避免热裂，大多数奥氏体焊接材料中都含有少量的铁素体。图中为309L焊接材料中分布在奥氏体基体上的铁素体相（灰色部分）。

磁铁不会吸引奥氏体焊接金属，但握住磁铁时可以感觉到轻微的吸引力。然而，这导致一些用户误以为产品标签错误或使用了错误的焊接材料（尤其是当标签从包装中撕掉时）。

焊缝中的铁素体数量取决于应用的使用温度。例如，过多的铁素体会降低低温下的韧性。因此，用于 LNG 管道的 308 型焊缝的铁素体数量在 3-6 之间，而标准 308 型焊缝的铁素体数量为 8。简而言之，焊缝可能看起来相似，但非常小的成分差异有时会产生很大的差异。

如何更轻松地焊接双相不锈钢？

通常双相不锈钢组织中奥氏体相和铁素体相各占50%左右。铁素体相的存在可以提高强度和抗应力腐蚀性能，而奥氏体相可以提高韧性。两相的综合作用使双相不锈钢的性能更加优异（图5）。双相不锈钢的范围很广，最常见的型号是2205：含22%Cr、5%Ni、3%Mo和0.15%N。

图5 双相不锈钢兼具铁素体和奥氏体的优点。图中为双相焊接组织，其中奥氏体相（白色部分）分布在铁素体基体上。

焊接双相不锈钢时，过多的铁素体存在会造成问题（电弧的热量会导致铁素体基体中的原子重新排列）。为此，焊接材料需要提供更多的奥氏体形成元素，通常比母材多 2-4% 的 Ni。例如，用于焊接 2205 不锈钢的药芯焊丝含有 8.85% 的 Ni。

焊接后，焊缝中的铁素体含量在 25-55% 之间（可能更高）。注意：焊接后的冷却速度应足够慢，以允许奥氏体重新形成，但不能太慢，否则会导致金属间相沉淀，也不能太快，否则会导致热影响区铁素体过多。始终遵循制造商提供的焊接工艺和焊接材料选择手册。

焊接不锈钢为什么要随时调整参数？

焊接不锈钢时焊工必须调整焊接参数（电压、电流、电弧长度、电感、脉冲宽度等）的主要原因是焊接材料成分不匹配。化学成分很重要，批次之间的成分差异会导致焊接行为的显著差异，例如润湿性差和除渣不良。焊接材料直径、表面清洁度、浇铸性和螺旋形状都会影响 GMAW 和 FCAW 中的焊接行为。

如何控制奥氏体不锈钢中的碳化物析出？

在800-1600℉时，当碳含量超过0.02％时，C会扩散迁移到奥氏体晶界，与晶界处的Cr发生反应，形成碳化铬。如果Cr被C元素大量固定，则耐蚀性会下降。此时若暴露在腐蚀环境中，就会发生晶间腐蚀，导致晶界被侵蚀（图6）。

图6 在充满腐蚀介质的水箱中，焊缝热影响区发生晶间腐蚀。采用低碳或特殊合金化的焊接材料，可降低碳化物析出的倾向，增强耐腐蚀性能。

为了控制碳化物的析出，采用低碳含量的焊接材料，保证焊缝金属中的碳含量尽可能低（不大于0.04%）。也可以通过添加Nb和Ti元素来固定C。与Cr相比，Nb和Ti与C的亲和力更大。347型焊接材料就是为此而设计的。

焊接材料选择需要做哪些准备？

首先，应收集焊件终端应用的信息，包括使用环境（特别是使用温度、是否有腐蚀介质以及期望的耐腐蚀性能）、预期使用寿命等。使用条件下所要求的力学性能信息也很重要，如强度、韧性、延展性和疲劳性能等。

大多数领先的焊接材料制造商都会提供选择焊接材料的指导手册。在这里，笔者再次强调：建议参考焊接材料应用手册或联系其技术专家。他们会帮助我们更正确地选择不锈钢焊接材料。