奧氏體型不銹鋼都具有非常好的塑性和韌性，這決定了它具有良好的彎折、卷曲和沖壓成型性，因而常常被用來制成各種形狀的構(gòu)件、容器或管道。這樣一來，奧氏體不銹鋼被焊接的機(jī)會(huì)也因此比其他不銹鋼大得多。這類鋼的韌性、塑性本來就好，又不會(huì)發(fā)生任何的淬火硬化，所以，盡管其線膨脹系數(shù)比碳鋼大得多，焊接過程中的彈、塑性應(yīng)力和應(yīng)變量很大，卻極少出現(xiàn)冷裂紋。奧氏體不銹鋼焊接接頭不存在淬火硬化區(qū)，又由于它有很強(qiáng)的加工硬化能力，所以，即使受焊接熱影響而軟化的區(qū)域，其抗拉強(qiáng)度仍然不低?？梢赃@樣認(rèn)為，只要是不誤用焊接填充材料，焊接接頭強(qiáng)度不是焊接性的重點(diǎn)。該類鋼的熱脹冷縮特別大，所帶來的焊接性問題，主要有兩個(gè)：一個(gè)是熱裂紋問題，這與該類鋼的晶界特性和對某些微量雜質(zhì)如硫、磷等敏感有關(guān)；另一個(gè)則是焊接變形較大的問題。
奧氏體型不銹鋼的耐腐蝕性能特別優(yōu)良，這是其獲得最為廣泛應(yīng)用調(diào)焊接接頭的各種耐腐蝕的能力。人們針對各種腐蝕環(huán)境和腐蝕機(jī)理，選用各種耐不同腐蝕的奧氏體型不銹鋼。因此，對于相應(yīng)于每一種用于某種特定環(huán)境中的不同鋼種，焊接接頭都應(yīng)滿足其在特定環(huán)境中的特殊耐腐蝕性要求。于是，焊接接頭的耐腐蝕問題自然也是焊接工作者不可回避的，必須面對的最主要問題，也應(yīng)是不銹鋼焊管生產(chǎn)廠關(guān)注的主題。
奧氏體不銹鋼是使用最為廣泛的不銹鋼，這和它具有良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性能，其焊接性在高合金鋼中被認(rèn)為是最好的有關(guān)。鉻－鎳奧氏體鋼具有良好的焊接性，無淬硬性，因而在熱影響區(qū)內(nèi)無淬硬現(xiàn)象，同時(shí)也無晶粒粗大化。但在焊接中存在以下問題：
一、碳化鉻的形成，降低了焊接接頭抗晶間腐蝕的能力
奧氏體不銹鋼焊接接頭可有三種晶間腐蝕的情況：焊縫晶間腐蝕、母材上敏化區(qū)腐蝕及刀狀腐蝕。關(guān)于奧氏體鋼晶間腐蝕的機(jī)理，一般用“貧鉻”理論來解釋。在固溶狀態(tài)下，奧氏體鋼中的碳過飽和固溶于奧氏體中。加熱過程中，過飽和的碳將以Cr23C6。的形式沿晶界析出。Cr23C6中含鉻量大大超過奧氏體基體中的含鉻量，因而使晶界附近含鉻量顯著下降，晶內(nèi)的鉻原子又來不及擴(kuò)散及時(shí)補(bǔ)充，故形成貧鉻層（Cr<11.7%).貧鉻層的電極電位比晶體內(nèi)低得很多，在腐蝕質(zhì)的作用下，電極電位低的晶界將成為陽極，被腐蝕溶解。
1. 焊縫晶間腐蝕和母材上敏化溫度區(qū)腐蝕
18-8型不銹鋼在450℃~850℃加熱時(shí)，具有晶間腐蝕傾向，這一溫度范圍稱為敏化溫度區(qū)間。
焊縫晶間腐蝕可有兩種情況，一種情況為焊接線能量過大或多層焊時(shí)焊縫金屬在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間過長所引起，即焊接狀態(tài)下已有碳化鉻析出而形成貧鉻層；另一種情況是焊接狀態(tài)下耐蝕性良好，焊后經(jīng)受了敏化加熱的條件，因而具有晶間腐蝕傾向。
熱影響區(qū)、敏化區(qū)的晶間腐蝕傾向也是由于形成貧鉻層所致。但因?yàn)楹附訜嵫h(huán)具有快速連續(xù)加熱的特點(diǎn)，碳化鉻的析出需要在更高的溫度下才能較快進(jìn)行，因此，焊接接頭的敏化區(qū)溫度范圍為600℃~1000℃,高于平衡加熱條件下的敏化區(qū)溫度450℃~850℃。
焊縫和熱影響區(qū)晶間腐蝕傾向與含碳量、加熱溫度和保溫時(shí)間等因素有關(guān)。因此，為提高焊接接頭抗晶腐蝕能力，一般宜采取以下措施：
①. 減小母材及焊縫中的含碳量，使加熱時(shí)減少或避免Cr32C6析出，消除產(chǎn)生貧鉻層的機(jī)會(huì)。例如，超低碳（C≤0.03%)不銹鋼由于含碳量較低，具有優(yōu)良的抗蝕性能，但是超低碳不銹鋼的冶煉成本高。
②. 在鋼中添加穩(wěn)定化元素鈦、鈮等，使之優(yōu)先形成MC,而避免形成貧鉻層。
③. 使焊縫形成奧氏體加少量鐵素體的雙相組織。當(dāng)焊縫中存在一定數(shù)量的鐵素體時(shí)，可以細(xì)化晶粒，增加晶界面積，使晶界單位面積上的碳化鉻析出量減少，減輕貧鉻程度。鉻在鐵素體中溶解度較大，Cr2C6優(yōu)先在鐵素體中形成，而不致使奧氏體晶界貧鉻；此外，散布在奧氏體之間的鐵素體，還可能防止腐蝕沿晶界向內(nèi)部擴(kuò)展。
④. 控制在敏化溫度區(qū)間的停留時(shí)間。調(diào)整焊接熱循環(huán)，盡可能縮短600℃以上的高溫停留時(shí)間，以防止焊縫及熱影響區(qū)大量析出碳化鉻。如選擇能量密度高的焊接方法（如等離子弧焊），選用較小的焊接線能量，焊縫背面通氬氣或采用銅墊增加焊接接頭的冷卻速度，減少起弧、收弧次數(shù)以避免重復(fù)加熱，多層焊時(shí)與腐蝕介質(zhì)的接觸面盡可能最后施焊等，均可以減少接頭的晶間腐蝕傾向。
⑤. 焊后進(jìn)行固溶處理或穩(wěn)定化退火。固溶處理可使已析出的Cr23C6重新溶入奧氏體中，但一般只適用于較小的工件。穩(wěn)定化退火是將工件加熱到850℃~900℃保溫后空冷。其作用為使碳化物充分析出，并促使鉻加速擴(kuò)散而消除貧鉻區(qū)。
2. 焊接接頭的刀狀腐蝕
刀狀腐蝕簡稱刀蝕，它是焊接接頭中特有的一種晶間腐蝕，只發(fā)生在含有穩(wěn)定劑的奧氏體鋼（如321不銹鋼、316Ti不銹鋼等）的焊接接頭中。刀狀腐蝕的腐蝕部位在熱影響區(qū)的過熱區(qū)，沿熔合線發(fā)展，開始寬度僅3~5個(gè)晶粒，逐步擴(kuò)大至1.0mm~1.5mm。因形狀如刀刃，故稱刀狀腐蝕。
高溫過熱和中溫敏化是導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生刀蝕的重要條件。含有穩(wěn)定劑的奧氏體鋼，一般以固溶狀態(tài)供貨，此時(shí)鋼中少部分的碳固溶于奧氏體，其余大部分碳則形成TiC或NbC.焊接時(shí)，在溫度超過1200℃的過熱區(qū)中，這些碳化物將溶入固溶體。由于碳的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，在冷卻過程中將偏聚在晶界形成過飽和狀態(tài)，而鈦則因擴(kuò)散能力低而留于晶內(nèi)。當(dāng)焊接接頭在敏化溫度區(qū)間再次加熱時(shí)，過飽和的碳將在晶間以CraC.形式析出，在晶界形成貧鉻層，使焊接接頭抗蝕性能降低。從以上分析可知，刀狀腐蝕的形成根源也在于在晶間形成貧鉻層。
防止刀蝕的措施如下：
①. 降低含碳量 這是防止刀狀腐蝕的很有效的措施。對于含有穩(wěn)定化元素的不銹鋼，含碳量最好不超過0.06%。
②. 采用合理的焊接工藝 盡量選擇較小的線能量，以減少過熱區(qū)在高溫停留時(shí)間，注意避免在焊接過程產(chǎn)生“中溫敏化”的效果。因此雙面焊時(shí)，與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫應(yīng)最后施焊（這是大直徑厚壁焊管內(nèi)焊在外焊之后再進(jìn)行的原因所在），如不能實(shí)施則應(yīng)調(diào)整焊接規(guī)范及焊縫形狀，盡量避免與腐蝕介質(zhì)接觸的過熱區(qū)再次受到敏化加熱。
③. 焊后熱處理 焊后進(jìn)行固溶或穩(wěn)定化處理，均能提高接頭的抗刀狀腐蝕能力。
二、 應(yīng)力腐蝕開裂
應(yīng)力腐蝕開裂是金屬在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下所產(chǎn)生的延遲破壞現(xiàn)象，也稱應(yīng)力腐蝕裂紋（Stress Corrosion Cracking,簡稱SCC).
鉻－鎳奧氏體不銹鋼中，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂常見的鋼種，有不含鈦、鈮的18-8型和17-12-Mo型鋼，其次是超低碳不銹鋼。由于介質(zhì)不同，應(yīng)力開裂既可呈晶間開裂形式，也可呈穿晶開裂形式，或?yàn)榇┚Ш脱鼐Щ旌祥_裂形式。
不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素很多，包括鋼材成分、組織和狀態(tài)、介質(zhì)種類、溫度及濃度、應(yīng)力的性質(zhì)、大小以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。
防止應(yīng)力腐蝕開裂的主要措施如下：
1. 正確選擇材料及合理調(diào)整焊縫成分
根據(jù)介質(zhì)特性選用對應(yīng)力腐蝕開裂敏感性低的材料，應(yīng)該是防止應(yīng)力腐蝕開裂的最根本措施。此類鋼有高純鉻－鎳奧氏體不銹鋼、高硅鉻－鎳奧氏體鋼、鐵素體－奧氏體鋼、高鉻鐵素體鋼等。合理地調(diào)整焊縫成分是提高接頭抗應(yīng)力腐蝕能力的重要措施之一。一般認(rèn)為，當(dāng)焊縫金屬為奧氏體－鐵素體雙相組織時(shí)，具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。
2. 消除或減小殘余應(yīng)力
拉伸應(yīng)力的存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的先決條件之一。可以認(rèn)為，不銹鋼部件中若不存在拉應(yīng)力，則可以完全避免應(yīng)力腐蝕開裂。因此，消除或減少結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，是防止應(yīng)力腐蝕開裂的重要措施。
焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理是常用的工藝措施。例如，對奧氏體不銹鋼一般進(jìn)行900℃的消除應(yīng)力退火熱處理。采用機(jī)械的方法也可以降低表面殘余應(yīng)力或造成壓應(yīng)力。如表面拋光、噴丸和錘擊。
3. 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免形成較大的應(yīng)力集中或在制造中避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。在設(shè)備和容器中與腐蝕介質(zhì)的接觸面不能有縫隙，盡可能采用對接接頭，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意不產(chǎn)生熱流集中而引起的局部過熱或腐蝕液滯留而局部濃縮等。
三、焊接熱裂紋
奧氏體不銹鋼焊接時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)均可能出現(xiàn)熱裂紋。最常見的是焊縫結(jié)晶裂紋，有時(shí)在熱影響區(qū)或多層焊層間金屬也可出現(xiàn)液化裂紋。
奧氏體鋼具有較大的熱裂紋敏感性，主要取決于鋼的化學(xué)成分、組織與性能的特點(diǎn)。
奧氏體鋼中合金元素較多，尤其是含有一定數(shù)量的鎳，它不僅提高了奧氏體的穩(wěn)定性，而且還易和硫、磷等雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)化合物或共晶，如Ni-S共晶熔點(diǎn)為645℃、Ni-P共晶為880℃,比Fe-S、Fe-P共晶的熔點(diǎn)更低，危害性也更大。其他一些元素如硼、硅等的偏析，也將促使產(chǎn)生熱裂紋。
奧氏體鋼焊縫易形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，有利于有害雜質(zhì)和元素的偏析，從而促使形成連續(xù)的晶間液膜，提高了熱裂紋的敏感性。
從奧氏體不銹鋼的物理性能看，它具有導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，因而在焊接不均勻加熱的情況下，極易形成較大的拉應(yīng)力，促進(jìn)了焊接熱裂紋的產(chǎn)生。
由以上分析可知，與結(jié)構(gòu)鋼相比，奧氏體不銹鋼的焊接熱裂紋傾向較大，尤其是高鎳奧氏體不銹鋼。
防止奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的主要措施如下：
1. 嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)硫、磷的含量，鋼中含鎳量越高，越應(yīng)該嚴(yán)格控制。
2. 調(diào)整焊縫金屬的組織
奧氏體不銹鋼焊縫可以是單相的奧氏體組織，也可以是奧氏體為主的雙相組織。大量實(shí)踐證明，單相奧氏體組織的焊縫，對熱裂紋的敏感性較大，而雙相組織的焊縫，則具有良好的抗裂性能，如表2-2中所列出的奧氏體焊縫中δ-鐵素體的影響。焊接18-8型不銹鋼時(shí)，如果形成γ+5%δ的雙相組織，不僅可以提高抗晶間腐蝕能力，而且又減小了熱裂敏感性。焊縫中的δ相，可以細(xì)化晶粒，消除單相奧氏體的方向性，減少有害雜質(zhì)在晶界的偏析，而且δ相能解較多的硫、磷，并能降低界面能，阻止晶間液膜的形成，從而有利于提高焊縫的抗熱裂紋能力。
3. 調(diào)整焊縫金屬合金成分
當(dāng)在焊縫中不允許有雙相組織時(shí)，如表2-2中“不希望有δ-鐵素體的理由”所列出的各項(xiàng)，就必須對焊縫金屬進(jìn)行合理的合金化。如在單相穩(wěn)定奧氏體鋼中適當(dāng)增加錳、碳、氮的含量可以提高焊縫的抗裂性能。此外，加入少量的鈰、鋯、鉭等微量元素，可以細(xì)化焊縫組織、凈化晶界，也可減少焊縫的熱裂紋敏感性。
4. 工藝措施
在焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，應(yīng)盡量減小熔池過熱，以防止形成粗大的柱狀晶。奧氏體不銹鋼焊接宜采用小線能量及小截面的焊道。至于液化裂紋，它主要出現(xiàn)于310S不銹鋼的焊接接頭中。為了防止產(chǎn)生液化裂紋，除了嚴(yán)格限制母材中的雜質(zhì)含量以及控制母材的晶粒度以外，在工藝上應(yīng)采用高能量密度的焊接方法、小線能量和提高接頭的冷卻速度等措施，以減小母材的過熱和避免近縫區(qū)晶粒的粗化。
四、奧氏體鋼焊接接頭的脆化
奧氏體鋼用途頗廣，可在耐熱、耐蝕、低溫等各種條件下使用。不同的工作條件，對焊接接頭的性能要求也不同。耐蝕鋼通常是在室溫或350℃以下工作，主要要求耐蝕性，對機(jī)械性能無特殊要求。用于高溫條件的熱強(qiáng)鋼，如是短時(shí)工作，則要求保證接頭與母材等強(qiáng)度；而長期工作（10年以上）時(shí)，則保證焊接接頭的塑性，防止高溫脆化是關(guān)鍵。對于低溫工作的奧氏體不銹鋼，則主要要求良好的低溫韌性，防止焊接接頭發(fā)生低溫脆斷。從不同的工作條件下對接頭性能的要求來看，奧氏體不銹鋼焊接接頭的低溫脆化和高溫脆化是值得注意的問題。
當(dāng)18-8型鋼焊縫為雙相組織時(shí)，其拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與塑性略低于母材，但韌性比母材低得多，因而難以保證低溫條件下對焊接接頭韌性的要求。為了保證18-8型鋼焊縫具有良好的低溫韌性，應(yīng)使焊縫為單相奧氏體組織。
奧氏體焊縫中含有較多的鐵素體化元素或有較多的δ相時(shí)，高溫條件下，由于δ→σ轉(zhuǎn)變，引起σ相脆化，焊縫的塑性和韌性均顯著下降。因此，為了保證必要的塑性和韌性，焊縫中的δ相應(yīng)小于5%。
單相的奧氏體焊縫也可能出現(xiàn)σ相，這與合金系統(tǒng)有關(guān)。如310S不銹鋼焊縫中鉻與硅含量偏上限，而碳、鎳含量偏下限時(shí)，就容易沿晶界析出σ相，這比晶內(nèi)析出σ相，對焊接接頭脆化影響更為嚴(yán)重。
為了避免出現(xiàn) σ脆性相，應(yīng)盡量限制焊縫中的δ相數(shù)量，考慮焊縫的合金化時(shí)，適當(dāng)減少鐵素體形成元素；多層焊時(shí)采用較小的線能量，以減小熔池體積，提高冷卻速度，縮短高溫停留時(shí)間。對于已經(jīng)出現(xiàn)σ相的焊縫，可將焊接接頭加熱至1050℃~1100℃,保溫1小時(shí)后水冷，進(jìn)行固溶處理，此時(shí)絕大部分 σ 相可重新溶入奧氏體中，性能即可恢復(fù)。
五、焊接變形較大
因?yàn)閵W氏體不銹鋼導(dǎo)熱性能差，膨脹系數(shù)大，焊接變形較大，特別是薄板。因此，焊接時(shí)應(yīng)適當(dāng)采取防形的措施，如夾具等。
