焊接铁素体、马氏体不锈钢

不锈钢是“不生锈的钢”，即有耐腐蚀性能，原因是钢中铬的含量大于12%，铬在钢表面形成钝化膜。请注意，本文所说的不锈钢并不是人们通常认为的“不锈钢”，比如304或316型18%Cr/8%Ni奥氏体不锈钢；而是两种具有不同机械性能和耐腐蚀性能的合金，即铁素体和马氏体不锈钢。

铁素体不锈钢含有高达27%的铬，用于对耐腐蚀/抗氧化性要求高，但承载要求不高的产品，例如烟气管道、车辆尾气、公路和铁路车辆。

马氏体不锈钢的含铬量高达18%，与铁素体相比，具有更好的焊接性和更高的强度。它们经常用于高温环境和石油、天然气工业中，它们具有良好的抗高温氧化和抗腐蚀性。

现在说说冶金性能吧！铬是一种促进钢中铁素体的形成的元素，在铁素体不锈钢中，这种铁素体是高温形式的δ铁素体。与低合金钢不同，这种类型的钢从熔点冷却到室温时不会发生相变，因此，它们不能通过热处理进行硬化，这对焊接接头的性能有影响。

碳和氮是促进奥氏体形成的两种元素，因此，随着碳和/或氮百分比的增加，铁素体钢可以在转变回铁素体之前全部或部分转化为奥氏体。这一系列的相变类似于低合金钢中的相变，通过形成马氏体（即马氏体不锈钢）使钢硬化。一些合金的成分和典型性能如表1所示。

表1铁素体和马氏体钢的典型性能


铁素体和马氏体钢的典型性能
铁素体不锈钢
铁素体钢存在许多焊接问题。虽然它们不被认为是可硬化的，但还是会形成少量的马氏体，导致延性损失。此外，如果钢被加热到足够高的温度，会发生非常迅速的晶粒长大，也会导致延性和韧性的损失。

虽然铁素体钢只含有少量的碳，但在快速冷却时，晶界处的碳化物沉淀会使钢“敏化”，使其易受晶间腐蚀的影响。当这与焊缝有关时，通常称为焊缝腐蚀。然而，近年来超低碳、含钛或铌的钢材的发展改善了这种状况。

需要焊接的铁素体不锈钢通常为薄板。大多数厚度小于6mm，韧性损失对产品的影响不太明显。大多数常用的电弧焊工艺都是使用的，尽管会限制焊接这些钢的热量输入，以最大限度地减少晶粒长大的程度（建议使用1KJ/mm的热输入和100-120°C的最大层间温度），这意味着高熔敷速度的焊接工艺是不能使用的。不需要预热，但当焊接厚度超过10mm的部分时，预热还是有益的，因为晶粒长大和焊接限制可能导致接头裂纹。

铁素体钢的焊材通常为奥氏体类型，309L型（低碳含量）是最常用的。这是为了确保发生的任何稀释不会导致降低延性和奥氏体/铁素体/马氏体焊缝金属组织结构。但是，如果要控制稀释，可以使用308和316焊材。也可使用镍基焊材，在部件受热循环作用的情况下，镍基消焊材焊缝或有更好的使用性能。

尽管残余应力的降低将提高疲劳性能，但还是很少在620°C左右进行焊后热处理（PWHT）。在这种情况下，镍基焊材比铬/镍奥氏体焊材更好。

马氏体不锈钢
马氏体钢用于更具挑战性的环境中，但比铁素体钢存在更多的焊接问题。除了少数例外，高碳（>0.1%）和低碳（<0.1%）版本都需要预热和焊后热处理，以避免焊件裂纹的问题，并保证有足够坚韧和韧性的接头。

相似成分焊材可用于焊接大多数的马氏体不锈钢，因此焊缝的耐腐蚀性和机械性能与母材相匹配。为降低氢致开裂的风险，低氢的焊接工艺至关重要，建议预热温度为200至300°C。接头冷却到室温而完全转变为未回火马氏体的焊缝可能非常脆弱，在处理时需要非常小心，以防止脆性破坏。此外，即使在正常的制造车间环境中，此类接头也对应力腐蚀开裂敏感。因此，建议在焊接完成后尽快进行焊后热处理。

将焊接温度从700°C左右冷却至100°C左右，并将热处理温度控制在100°C左右，以确保焊接热处理温度在700°C以下。

在预热温度下进行消氢处理（比如350°C持续4小时），不太可能降低冷裂纹的风险。如果钢冷却过快，使其完全转变为马氏体，则在氢释放处理过程中会出现奥氏体。

当接头冷却到环境温度时，奥氏体将保留氢，并可能在转变为马氏体时产生裂纹。如果冷裂纹是一个真正的问题，即使有良好的氢控制措施，也有必要从预热温度开始进行焊后热处理，再冷却到环境温度，然后重复进行焊后热处理。

与母材成分匹配的焊材可用于大多数马氏体不锈钢，通常添加少量镍，以确保焊缝中不形成铁素体。镍降低了马氏体转变为奥氏体的温度，因此，对于此类焊材，焊后热处理温度不允许超过约750°C，否则当冷却至环境温度时，焊缝中将形成未回火马氏体。

传统上，当焊接异种金属接头时，应选择与低合金钢成分相匹配的焊材。经验表明，这可能导致冷裂纹问题，因此应使用与马氏体钢匹配的焊材。另一种方法是使用奥氏体不锈钢焊材（例如309）进行焊接，但焊缝可能与铁素体钢的抗拉强度不匹配，这必须在焊缝设计中得到确认。也可以使用镍基合金；例如625合金，其0.2%的非比例强度约为450MPa；并且在热膨胀系数上会更好地匹配。

这类钢的冶金工艺复杂，经常用于具有挑战性和安全相关的环境中。