1. 介绍
焊接不锈钢在工业中很常见, 但是 如何 事情: 每个不锈钢组 (奥氏体, 铁素体, 双工, 马氏体, 沉淀硬化, 和高合金牌号) 带来决定工艺选择的独特冶金行为, 填充合金, 热输入, 治疗前/治疗后, 和检查制度.
通过正确的工艺选择和控制——保护气体, 热输入, 填充物匹配, 道间温度和适当的焊后清洁——大多数牌号都可以焊接，以提供可靠的强度和耐腐蚀性.
误用的做法, 然而, 导致热裂纹, 致敏, 脆化或不可接受的腐蚀性能.
2. 为什么焊接性对不锈钢很重要
不锈钢的价值在于其独特的双重承诺: 耐腐蚀性 (来自其富含铬的氧化物层) 和结构可靠性 (从其定制的机械性能).
在石油等行业 & 气体, 发电, 化学处理, 建造, 和食品设备, 大多数不锈钢部件在制造过程中都需要焊接, 安装, 或修理.
可焊性不仅仅是一种“制造便利性”——它是确保焊接部件实现这一承诺的关键.
焊接性差会损害不锈钢的核心功能, 导致灾难性的失败, 成本过高, 以及不遵守行业标准.
3. 不锈钢焊接性的关键冶金基础
不锈钢的可焊性从根本上是由它们控制的 化学组成 和 晶体结构.
合金元素不仅决定了耐腐蚀性，还决定了不锈钢在焊接热循环下的表现.
合金元素的影响
| 合金元素 | 在贱金属中的作用 | 对焊接性的影响 |
| 铬 (Cr, 10.5–30％) | 形成钝化 Cr2O₃ 膜，具有耐腐蚀性. | 高铬会增加热裂风险; 碳化铬 (cr₂₃c₆) 如果 C 沉淀会引起敏化 > 0.03%. |
| 镍 (在, 0–25％) | 稳定奥氏体 (改善延展性, 韧性). | 高镍 (>20%, 例如。, 310s) 增加热裂风险; 铁素体中的低镍含量会降低热影响区的延展性. |
| 钼 (莫, 0–6％) | 增强抗点蚀能力 (提高 PREN 值). | 无直接可焊性问题; 如果控制热量输入，则可保持耐腐蚀性. |
| 碳 (c, 0.01–1.2%) | 强化马氏体钢; 影响敏化. | >0.03% 奥氏体→碳化物析出和晶间腐蚀; >0.1% 马氏体 → 冷裂纹风险. |
| 钛 (的) / 铌 (NB) | 形成稳定的 TiC/NbC 代替 Cr2₃C₆, 防止敏化. | 提高稳定等级的可焊性 (例如。, 321, 347); 减少热影响区退化. |
| 氮 (n, 0.01–0.25%) | 强化奥氏体和双相相; 增加抗点蚀能力. | 有助于控制双相焊缝中的铁素体平衡; 过量氮 (>0.25%) 可能会导致孔隙. |
晶体结构及其影响
- 奥氏体 (FCC): 高韧性, 良好的延展性, 和出色的可焊性. 然而, 全奥氏体成分容易发生 热开裂 由于其凝固范围低.
- 铁矿 (BCC): 良好的抗热裂性，但热影响区的延展性和韧性有限 (haz). 焊接过程中的晶粒生长会使铁素体钢脆化.
- 马氏体 (BCT): 非常硬且脆, 特别是如果存在高碳. 除非进行预热和焊后热处理，否则焊接容易产生裂纹.
- 双工 (混合FCC + BCC): 铁素体和奥氏体的组合提供强度和耐腐蚀性, 但精确的热输入控制对于维持 ~50/50 相平衡至关重要.
4. 奥氏体不锈钢的焊接性 (300 系列)
奥氏体不锈钢——尤其是 300 系列 (304, 304l, 316, 316l, 321, 347)— 是使用最广泛的不锈钢，因为它们 优异的耐腐蚀性, 延性, 和韧性.
他们一般是 最可焊接的不锈钢系列, 解释它们的广泛使用 食品加工, 化学植物, 油 & 气体, 海军陆战队, 和低温应用.
然而, 他们的 全奥氏体晶体结构 和 高热膨胀 带来需要仔细控制的特定焊接挑战.
主要可焊性挑战
| 挑战 | 解释 | 缓解策略 |
| 热开裂 | 完全奥氏体凝固 (A型) 使焊缝金属容易出现凝固裂纹. | 使用铁素体含量小的填充金属 (ER308L, ER316L); 控制熔池凝固率. |
| 致敏 (碳化物沉淀) | Cr2₃C₆ 在 450–850 °C 之间的晶界处形成（如果碳） >0.03%, 减少耐腐蚀性. | 使用低碳牌号 (304l, 316l) 或稳定的成绩 (321, 347); 层间极限温度≤150–200 °C. |
| 失真 & 残余应力 | 奥氏体钢的膨胀率比碳钢高约 50%; 导热系数低，集中热量. | 平衡的焊接顺序, 正确的固定装置, 低热输入. |
| 孔隙率 | 焊池中的氮吸收或污染可能会形成气穴. | 高纯度保护气体 (ar, ar + O₂); 防止氮气污染. |
焊接材料 & 填料选择
- 常见填充金属: ER308L (适用于304/304L), ER316L (适用于316/316L), ER347 (为了 321/347).
- 铁氧体平衡: 理想的FN (铁氧体数) 在焊缝金属中: 3–10 减少热裂纹.
- 保护气体: 氩气, 或氩气 + 1–2% 氧气; ar + 他混合提高了较厚部分的渗透力.
焊接工艺适用性
| 过程 | 适应性 | 笔记 |
| GTAW (提格) | 出色的 | 精确控制; 非常适合薄壁或关键接缝. |
| 田 (我) | 非常好 | 更高的生产力; 需要良好的屏蔽控制. |
| Smaw (戳) | 好的 | 多才多艺的; 使用低水电极. |
| fcaw | 好的 | 高效生产厚截面; 需要仔细清除炉渣. |
| 激光/电子束 | 出色的 | 低失真, 高精度; 用于先进工业. |
5. 铁素体不锈钢的焊接性 (400 系列)
铁素体不锈钢, 主要是 400 系列牌号 例如 409, 430, 和 446, 其特点是 以身体为中心的立方体 (BCC) 晶体结构.
它们广泛用于 汽车排气系统, 装饰建筑构件, 和工业设备 由于他们 中等腐蚀性, 磁性特性, 与奥氏体钢种相比成本更低.
虽然铁素体不锈钢可以焊接, 他们的 可焊性更有限 与奥氏体钢种相比.
结合 低延展性, 高热膨胀, 和粗晶粒长大 在热影响区 (haz) 带来了具体的挑战.
主要可焊性挑战
| 挑战 | 解释 | 缓解策略 |
| 脆性 / 低韧性 | 铁素体钢本质上延展性较差; HAZ 会因晶粒长大而变脆. | 限制热量输入, 使用薄截面或断续焊接; 避免快速冷却. |
| 失真 / 热应力 | 热膨胀系数 ~10–12 µm/m·°C; 低于奥氏体但仍显着. | 预弯, 正确的固定装置, 和受控的焊接顺序. |
| 破裂 (寒冷的 / 氢辅助) | 一些高碳铁素体中可能会形成类马氏体结构; 水分中的氢气会引起裂纹. | 预热 (150–200°C) 对于较厚的部分; 使用干电极和适当的保护气体. |
| 热影响区耐腐蚀性降低 | 晶粒粗化和合金元素的贫化会局部降低耐腐蚀性. | 最大限度地减少热输入并避免焊后暴露于敏化温度范围 (450–850°C). |
焊接材料 & 填料选择
- 常见填充金属: ER409L 用于 409, ER430L 用于 430.
- 填料选择: 与母材匹配，以避免焊缝中形成过多的铁素体或金属间化合物.
- 保护气体: 氩气或氩气 + 2% 用于气体保护钨极电弧焊的氧气 (GTAW) 或气体保护金属极电弧焊 (田).
焊接工艺适用性
| 过程 | 适应性 | 笔记 |
| GTAW (提格) | 非常好 | 精确的热量控制, 非常适合薄切片. |
| 田 (我) | 好的 | 适合生产; 需要保护气体优化. |
| Smaw (戳) | 缓和 | 使用低氢电极; HAZ脆化风险. |
| fcaw / 激光 | 有限的 | 可能需要预热; 较厚部分开裂的风险. |
6. 马氏体不锈钢的焊接性 (400 系列)
马氏体不锈钢, 通常 410, 420, 431, 是 高强度, 可硬化合金 其特点是 高碳含量和体心四方晶系 (BCT) 马氏体结构.
这些钢广泛用于 涡轮刀片, 泵轴, 刀具, 阀成分, 和航空航天零件, 强度和耐磨性至关重要的地方.
马氏体不锈钢是 被认为具有挑战性的焊接 由于他们 形成坚硬的倾向, 热影响区的脆性微观结构 (haz), 这增加了风险 冷裂和韧性降低.
主要可焊性挑战
| 挑战 | 解释 | 缓解策略 |
| 冷裂 / 氢辅助裂解 | 热影响区中形成硬质马氏体, 如果存在氢则容易破裂. | 预热 150–300 °C; 使用低水电极; 控制层间温度. |
| 热影响区硬度 | 快速冷却产生高硬度 (HV > 400), 导致脆性. | 550–650 °C 焊后回火可恢复延展性并降低硬度. |
| 失真 & 残余应力 | 高热膨胀和快速相变产生残余应力. | 适当的固定, 平衡焊接顺序, 和受控的热量输入. |
| 腐蚀敏感性 | HAZ 的耐腐蚀性可能会降低, 特别是在潮湿或含氯化物的环境中. | 选择耐腐蚀马氏体牌号; 避免敏化温度范围. |
焊接材料 & 填料选择
- 常见填充金属: 410, ER420, ER431, 与贱金属牌号相匹配.
- 预热和层间: 150–300 °C 取决于厚度和碳含量.
- 保护气体: 氩气或氩气 + 2% 他对于GTAW; 干燥, SMAW 低氢电极.
焊接工艺适用性
| 过程 | 适应性 | 笔记 |
| GTAW (提格) | 非常好 | 精确控制; 推荐用于关键或薄壁元件. |
| 田 (我) | 缓和 | 需要低热量输入; 较厚的部分可能需要预热. |
| Smaw (戳) | 缓和 | 使用低氢电极; 保持预热. |
| 激光 / 电子束焊接 | 出色的 | 局部加热可减少热影响区尺寸和开裂风险. |
焊后性能注意事项
| 性能方面 | 正确焊接后的观察 | 实际含义 |
| 机械强度 | 焊后回火后，焊缝可与母材抗拉强度相匹配; 焊接后的热影响区可能具有硬度 >400 HV. | 部件在回火后达到所需的强度和耐磨性; 避免焊接后立即加载. |
| 延性 & 韧性 | 焊态热影响区略有减少; 回火后恢复. | 对于泵轴和阀门等易受冲击的零件至关重要. |
| 耐腐蚀性 | 如果回火不当，会在热影响区局部减少; 对于马氏体牌号来说通常是中等的. | 适用于低至中度腐蚀环境; 如果需要，使用保护涂层. |
| 服务寿命 & 耐用性 | 焊后回火确保长期稳定性; 未回火的焊缝在应力或循环载荷下可能会破裂. | 对于安全关键部件，焊后热处理是强制性的. |
7. 双相不锈钢的焊接性 (2000 系列)
双相不锈钢 (DSS), 通常称为 2000 系列 (例如。, 2205, 2507), 是 双相合金 大约含有 50% 奥氏体和 50% 铁矿.
这种组合提供 高力量, 优异的耐腐蚀性, 和良好的韧性, 使它们理想 化学处理, 离岸油 & 气体, 淡化植物, 和海洋申请.
虽然双相钢比奥氏体钢或铁素体钢具有显着的优势, 他们的 可焊性更敏感 由于需要 保持平衡的铁素体-奥氏体比率 并避免形成 金属间相 (西格玛, 气, 或氮化铬).
主要可焊性挑战
| 挑战 | 解释 | 缓解策略 |
| 铁素体-奥氏体不平衡 | 过多的铁素体会降低韧性; 过量的奥氏体会降低耐腐蚀性. | 控制热输入和层间温度; 选择具有匹配双相成分的合适填充金属. |
| 金属间相的形成 | Sigma 相或 chi 相可能在 600–1000 °C 时形成, 导致脆化并降低耐腐蚀性. | 最大限度地减少热量输入和冷却时间; 避免多次重新加热; 焊后快速冷却. |
| 焊缝金属的热裂纹 | 双相钢主要以铁素体形式凝固; 需要少量奥氏体以防止裂纹. | 使用专为双面焊接设计的填充金属 (ERNiCrMo-3 或类似产品); 保持铁氧体数 (纤维网) 30–50. |
| 失真 & 残余应力 | 适度的热膨胀; 低电导率将热量集中在焊接区. | 正确的固定和平衡的焊接顺序; 层间温度 ≤150–250 °C. |
焊接材料 & 填料选择
- 常见填充金属: ER2209, ER2594, 或双相匹配填料.
- 铁氧体数 (纤维网) 控制: 焊缝金属中的 FN 30–50 可实现最佳韧性和耐腐蚀性.
- 保护气体: 用于 GTAW 的纯氩气; ar + 添加少量 N2 (0.1–0.2％) 可用于稳定奥氏体.
焊接工艺适用性
| 过程 | 适应性 | 笔记 |
| GTAW (提格) | 出色的 | 对热输入和相平衡的高度控制; 关键管道和容器的首选. |
| 田 (我) | 非常好 | 适合生产; 仔细控制焊接速度和层间温度. |
| Smaw (戳) | 缓和 | 生产力低下; 需要双相兼容的低氢电极. |
| 激光 / 电子束焊接 | 出色的 | 局部加热最大限度地减少热影响区; 保持铁素体-奥氏体平衡. |
焊后性能注意事项
| 性能方面 | 正确焊接后的观察 | 实际含义 |
| 机械强度 | 焊缝金属抗拉强度通常为 620–720 MPa; HAZ 略低，但在母材的 90-95% 范围内. | 允许用于高压管道和结构应用; 保持比奥氏体钢优越的强度. |
| 延性 & 韧性 | 好的, 影响韧性 >100 如果控制铁素体含量，则在室温下 J. | 适用于海上和化工厂环境; 避免热影响区发生脆性破坏. |
| 耐腐蚀性 | 耐点蚀和缝隙腐蚀能力与母材相当 (PREN 35–40 为 2205, 2507). | 在富含氯化物和酸性环境中可靠; 确保长期的使用寿命. |
| 服务寿命 & 耐用性 | 正确焊接的双相接头可抵抗晶间腐蚀和应力腐蚀开裂. | 关键海上的高可靠性, 化学, 和海水淡化应用. |
8. 沉淀硬化焊接性 (ph) 不锈钢
沉淀硬化不锈钢, 例如 17-4 ph, 15-5 ph, 和 13-8 莫, 是 马氏体或半奥氏体合金 通过控制二次相的沉淀来强化 (例如。, 铜, 铌, 或钛化合物).
他们结合 高力量, 中等腐蚀性, 和出色的韧性, 使它们理想 航天, 防御, 化学, 和高性能机械应用.
焊接 PH 不锈钢呈现 独特的挑战, 作为 沉淀硬化机制受到热循环的干扰, 可能导致 热影响区软化 (haz) 或者 焊缝金属强度损失.
主要可焊性挑战
| 挑战 | 解释 | 缓解策略 |
| 热影响区软化 | 沉淀 (例如。, 铜, NB) 焊接时溶解, 局部降低硬度和强度. | 焊后热处理 (解决方案 + 老化) 恢复机械性能. |
| 冷裂 | HAZ 中的马氏体结构可能又硬又脆; 焊接产生的残余应力会加剧裂纹. | 预热 150–250 °C; 低氢电极; 控制层间温度. |
| 失真 & 残余应力 | 适度的热膨胀; 热循环会引起薄片的翘曲和残余应力. | 适当的固定, 低热输入, 平衡焊接顺序. |
| 耐腐蚀性降低 | 局部软化和沉淀改变可能会降低耐腐蚀性, 特别是在老化或超龄区域. | 焊后使用固溶处理; 控制焊接热输入. |
焊接材料 & 填料选择
- 填充金属: 与基底金属相匹配 (例如。, ER630 用于 17-4 ph).
- 预热和层间温度: 150–250 °C 取决于厚度和等级.
- 保护气体: 氩气或氩气 + 他为 GTAW 混合; 干燥, SMAW 低氢电极.
焊接工艺适用性
| 过程 | 适应性 | 笔记 |
| GTAW (提格) | 出色的 | 精确的热量控制; 非常适合薄截面, 批判的, 或航空航天部件. |
| 田 (我) | 非常好 | 更高的生产力; 需要仔细的热输入管理. |
| Smaw (戳) | 缓和 | 需要低氢电极; 仅限于薄切片. |
| 激光 / 电子束焊接 | 出色的 | 最大限度地减少热影响区宽度和热影响; 保留基底金属微观结构. |
焊后数据示例:
| 年级 | 焊接工艺 | 抗拉强度 (MPA) | 硬度 (HRC) | 笔记 |
| 17-4 ph | GTAW | 1150 (根据: 1180) | 30–32 | 焊后时效强制; 热影响区软化恢复. |
| 15-5 ph | 田 | 1120 (根据: 1150) | 28–31 | 时效后仍保持高韧性和耐腐蚀性. |
| 13-8 莫 | GTAW | 1200 (根据: 1220) | 32–34 | 高强度航空航天部件; 受控焊接关键. |
9. 可焊性对比总结
| 方面 | 奥氏体 (300 系列) | 铁素体 (400 系列) | 马氏体 (400 系列) | 双工 (2000 系列) | 沉淀硬化 (ph) |
| 代表成绩 | 304, 304l, 316, 316l, 321, 347 | 409, 430, 446 | 410, 420, 431 | 2205, 2507 | 17-4 ph, 15-5 ph, 13-8 莫 |
| 机械焊接性 | 出色的; HAZ 保留延展性 | 缓和; 降低延展性, HAZ 可能很脆 | 缓和; 冷裂风险高 | 好的; 通常保持强度 | 中等至具有挑战性; 热影响区软化 |
| 焊后耐腐蚀性 | 出色的; 低碳/稳定等级可防止过敏 | 好的; 如果热量输入过多，可能会局部减少 | 缓和; 可能会局部减少热影响区 | 出色的; 保持铁素体-奥氏体平衡 | 缓和; 焊后热处理后恢复 |
| 可焊性挑战 | 热裂, 失真, 孔隙率 | 晶粒粗化, 破裂, 热影响区脆性 | 硬质马氏体热影响区, 冷裂 | 铁素体/奥氏体不平衡, 金属间相的形成 | 热影响区软化, 残余应力, 韧性降低 |
| 典型的焊后注意事项 | 最少预热; 层间温度低; 可选固溶退火 | 厚切片预热; 受控热量输入 | 预热和低氢电极; 强制焊后回火 | 热量输入控制; 层间≤150–250 °C; 填充金属的选择 | 预热, 低氢电极, 强制焊后解决方案 + 老化 |
| 申请 | 食物, 制药, 化学植物, 海军陆战队, 低温学 | 汽车尾气, 建筑板, 高温工业部件 | 阀成分, 轴, 泵零件, 航天 | 离岸, 化学植物, 淡化, 海军陆战队 | 航天, 防御, 高性能泵, 手术器械 |
关键观察:
- 奥氏体不锈钢 是最宽容的, 奉献 只需最少的预防措施即可实现出色的可焊性.
- 铁素体牌号 更敏感 脆性和晶粒长大, 需要仔细的热输入管理.
- 马氏体钢 需要 预热和焊后回火 防止冷裂并恢复韧性.
- 双相钢 要求 精确的相位控制 避免焊缝富铁素体或脆性，同时保持耐腐蚀性.
- pH不锈钢 必须经历 焊后固溶处理和时效 恢复强度和硬度.
10. 结论
不锈钢的可焊接性涵盖了从高度可焊接的奥氏体钢到具有挑战性的马氏体钢和 PH 钢的范围.
尽管 大多数牌号都可以成功焊接, 成功取决于理解 冶金行为, 申请 适当的焊接程序, 并执行必要的 前- 或焊后热处理.
对于工程师和制造商, 可焊性不仅仅在于连接，还在于保持耐腐蚀性, 力量, 和服务寿命.
仔细选择填料, 热输入管理, 遵守规范可确保不锈钢部件满足设计和生命周期期望.
常见问题解答
为什么316L比316L更容易焊接 316 不锈钢?
316L 碳含量较低 (C≤0.03% vs. C ≤0.08% 316), 这大大降低了致敏风险.
在焊接过程中, 316较高的碳在晶界形成 Cr2₃C₆ 碳化物 (消耗Cr), 导致晶间腐蚀.
316L 的低碳可以防止这种情况发生, 与 95% ASTM A262 IGC 测试的通过率与. 50% 为了 316.
铁素体不锈钢需要预热吗?
否——铁素体不锈钢 (409, 430) 碳含量低, 因此不需要预热来防止冷裂.
然而, 焊后退火 (700–800°C) 建议对大热影响区晶粒进行再结晶, 恢复延展性和韧性 (冲击能量增加 40–50%).
能 17-4 PH不锈钢无需焊后热处理即可焊接?
技术上是的, 但热影响区将显着软化 (拉伸强度从 1,150 MPA到 750 H900 状态 MPa).
用于承重应用 (例如。, 航空航天支架), 焊后溶液退火 (1,050°C) + 再老化 (480°C) 必须重整铜沉淀物, 恢复 95% 母材的强度.
哪种焊接工艺最适合薄型奥氏体不锈钢 (1–3毫米)?
GTAW (提格) 非常理想——热量输入低 (0.5–1.5 kJ/mm) 最大限度地减少热影响区尺寸和致敏风险, 同时其精确的电弧控制产生高品质, 低孔隙率焊缝.
使用 1–2 mm 钨电极, 氩气保护气 (99.99% 纯的), 行进速度为 100–150 毫米/分钟，以获得最佳结果.
