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1、常用金属材料的焊接(不锈钢)24试述耐候钢及耐海水腐蚀用钢的焊接工艺。铜、磷能显著地降低钢的腐蚀速度，这是耐候钢及耐海水腐蚀用钢的主要合金元素，常用耐候钢及耐海水腐蚀用钢有：16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、09Mn2Cu、16MnCu、09MnCuPTi、08MnPRE、10MnPNbRE钢等。铜、磷耐蚀钢对焊接热循环不敏感，焊接热影响区的最高硬度不超过350HV。虽然钢中含有Cu、P等元素，但其含量均不高，通常铜的质量分数控制在0.2%0.4%，不会促使产生热裂纹。含磷钢中碳、磷的质量分数都在0.25%以下，因而钢的冷脆倾向也不大，所以焊接性良好，焊接工艺与强度级别较低（s
2、为343392MPa）的普通热轧钢相同。焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条，见表17。埋弧焊时，采用H08MnA、H10Mn2焊丝配合HJ431焊剂。表17焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条牌 号型 号主要用途J422CrCuE4303焊接12CrMoCuJ502CuP焊接10MnPNbRE、08MnP、09MnCuPTiJ502NiCuJ502WCrE5003-G焊接耐候铁道车辆09MnCuPTiJ502CrNiCuE5003-G焊接耐候近海工程结构J506WCuE5016-G焊接耐候用钢09MnCuPTiJ506NiCuE5016-G焊接耐候用钢J507NiCuE5015-G焊接耐候用钢J507C
3、rNiE5015-G焊接耐海水腐蚀用钢的海洋重要结构25什么是不锈钢的晶闸腐蚀？不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶闸腐蚀。产生晶闸腐蚀的不锈钢，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失，这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶闸腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上，在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀状腐蚀，见图2。不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于12%。当温度升高时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。因为室温时碳在奥氏体中的熔解度很小，约为0.02%0.03%，而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值，故多余的碳就不断地向
4、奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合，在晶间形成碳化铬的化合物，如（CrFe）23C8等。但是由于铬的扩散速度较小，来不及向晶界扩散，所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少，当晶界的铬的质量分数低到小于12%时，就形成所谓的“贫铬区”，在腐蚀介质作用下，贫铬区就会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀。26什么是不锈钢产生晶间腐蚀的“危险温度区”（敏化温度区）？不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关。1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀与加热温度和加热时间的关系，见图3。从图中可看出，当加热温度小于左面50或大于850时，不会产
5、生晶间腐蚀。因为温度小于450时，由于温度较低，不会形成碳化铬化合物；而当温度超过850时 ，晶粒内的铬扩散能力增强，有足够的铬扩散至晶界和碳结合，不会在晶界形成贫铬区。所以产生晶间腐蚀的加热温度为450850，这个温度区间就称为产生晶间腐蚀的 “危险温度区 ”或称“敏化温度区”，其中尤以650为最危险。焊接时，焊缝两侧热影响区中处于危险温度区的地带最易发生晶间腐蚀，即使是焊缝由于在冷却过程中其温度也要穿过危险温度区，所以也会产生晶间腐蚀。焊接接头在危险温度区停留的时间越短，接头的耐晶间腐蚀能力越强，所以不锈钢焊接时，快速冷却是提高接头耐腐蚀能力的有效措施。由于奥氏体不锈钢冷却过程中没有马氏体
6、的转变过程，所以快速冷却不会使接头淬硬。27不锈钢焊接时，为什么要控制焊缝中的含碳量？随着不锈钢中含碳量的增加，在晶界生成的碳化铬随之增多，使得在晶界形成贫铬区的机会增多，在腐蚀介质中产生晶间腐蚀的倾向就会增加。因此不锈钢焊接时，为提高接头的耐腐蚀能力，必需控制焊缝中的含碳量，采取的措施是：采用超低碳不锈钢及其焊接材料奥氏体不锈钢根据含碳量的不同，可分成三个等级：即一般含碳量级，碳的质量分数为0.14%；低碳级的为0.06%；超低碳级的为0.03。因为室温时，奥氏体中能溶解的最大碳的质量分数为0.02%0.03%，所以超低碳奥氏体不锈钢原则上就不会产生晶间腐蚀。属于超低碳奥氏体不锈钢的钢号有0
7、0Cr19Ni11、00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ni14Mo2Cu2等。焊接这类钢时，应采取超低碳不锈钢焊丝，如H00Cr19Ni9焊丝。在母材或焊接材料中添加稳定剂在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb等与碳的结合能力比铬更强的元素，能够与碳结合成稳定的碳化物，可以避免在奥氏体晶界形成贫铬区。所以，常用奥氏体不锈钢及焊执着材料中都含有Ti或NbNb元素，如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb和H1Cr19Ni10Nb钢等。进行固溶处理焊后将焊接接头加热到10501100，此时碳又重新溶入奥氏体中，然后急速冷却，便得到了稳定的奥氏体组织，这种工艺处理称为固溶处理。固溶处理的缺点是
8、，如果焊接接头需要在危险温度区工作，则仍不可避免地会形成贫铬区。进行均匀化处理将焊接接头加热至850900，保温2h，使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散至晶界，使晶界处铬的质量分数又恢复到大于12%，贫铬区得以消失。28什么是不锈钢的应力腐蚀？如何防止应力腐蚀？盛装腐蚀介质的容器，在拉伸应力的作用下所产生的腐蚀现象称为应力腐蚀。引起应力腐蚀的拉伸应力有焊接残余应力和工作应力两种，其中以焊接残余应力为主。产生应力腐蚀的介质因素是溶液中CI-离子浓度和氧含量的共同含量。容易引起奥氏体不锈钢产生应力腐蚀的介质，见表18。奥氏体不锈钢制设备经常由冷却水、蒸汽、空气中的积水引起应力腐蚀断裂。防止应力腐蚀
9、的方法主要是消除焊接残余应力，常采用低温（低于300350）或高温（高于850）退火处理。表18易引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质介质名称裂纹类型介质名称裂纹类型硫酸铝氯化铵硝酸铵氯化钡氯化钙氯化钴氢乙烷硅氟酸氢氟酸氯化氢硝酸、盐酸、氢氟酸的混合酸溶液氯化锂1T1TI1T1TT1TT1TT1T1T氯化镁氯化汞氯代甲烷（含水）有机酸+氯化物有机氯化物氯化钾氢氧化钾铝酸钠氢氧化钠硫酸钠硫酸溶液亚硫酸溶液氯化锌T1TTTT1TT1T1T1T1T1TT注：I晶间裂纹；T穿晶裂纹；1T晶间裂纹及穿晶裂纹29为什么18-8型奥氏体不锈钢中要求具有一定数量的铁素体组织？18-8型奥氏体不锈钢中，具有一定数量的
10、铁素体组织，可以增加钢材的抗热裂纹及耐晶间腐蚀的能力。铁素体对热裂纹的影响1）铁素体可以细化奥氏体组织，并在一定程度上打乱树枝晶的方向性，见图4。如果焊缝是单相组织，奥氏体柱状晶很粗大，易熔共晶物集中在较少的晶界上，形成较厚的晶间偏析夹层，焊后冷却过程中在拉应力的作用下很容易沿晶界被拉裂，形成热裂纹。若在组织中加入了少量铁素体后，会使柱状晶变细，晶界增多，同样数量的易熔共晶物被分割，将不连续地分散在各个晶界上，从而降低热裂纹倾向。2）铁素体能比奥氏体溶解更多的有害杂质如S、P等。铁素体对晶间腐蚀的影响双相组织对防止晶间腐蚀的有利作用，见图5。单相组织的焊缝由于柱状晶发展较快，晶间夹层厚而连续，
11、析出碳化物后，贫铬区贯穿于晶粒之间，构成侵蚀性介质的腐蚀通道。双相组织的焊缝由于树枝晶被打乱，晶间夹层分散而不连续，并且由于铁素体中的含铬量远高于奥氏体，碳化铬优先在铁素体的边缘以内析出，因而不致在晶界上形成贫铬区，即使形成了贫铬区，也容易从邻近的富铬铁素体中，及时得到铬的补充。30如何保证不锈钢焊缝金属能得到双相组织？钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素。合金元素对组织的影响可以分为两大类：奥氏体生成剂：Ni、N、Cu、Co、C、Mn。铁素体生成剂：Cr、Nb、Ti、Si、V、Mo。当不锈钢中的含碳量与含镍量之比大于1.8时，就会出现铁素体组织。因此，为了保证焊接不锈钢时焊缝金属能得到双相
12、组织，关键在于选择含铁素体生成剂比较多的焊接材料。如焊接1Cr18Ni9Ti不锈钢时，常选用A132焊条，因为该焊条中含有一定量的Ti、Nb，焊缝金属为双相组织，具有较高的抗热裂和耐腐蚀能力。实践证明，焊缝组织中铁素体的质量分数为2%3%时，就能足以防止产生热裂纹，焊接18-8型不锈钢用焊条都能保证堆焊金属中含有质量分数为3%8%的铁素体，因此这类焊条都有较强的抗热裂能力。当焊接奥氏体不锈钢或多层焊的根部焊道，可采用铁素体含量更高（质量分数5%10%）的焊条，如Cr、Ni比更高的Cr22Ni9型焊条A122。但是，焊缝金属中出现更多的铁素体含量是不必要的，因为过多的铁素体会引起焊缝金属的脆化，
13、尤其是工作在高温下的焊接结构，通常铁素体的质量分数应控制在5%以内。31焊接单相奥氏体不锈钢时如何防止产生热裂纹？单相奥氏体不锈钢如0Cr25Ni20焊接时的热裂倾向比1Cr18Ni9Ti不锈钢要大得多，特别是在根部打底焊道以及弧坑处最易产生热裂纹。但是这类钢不能依靠加入少量铁素体来提高抗裂性。因为要在焊缝中形成铁素体，势必加入大量铁素体形成元素，这就使焊缝的成分和性能与母材相差太大，以致不能满足接头的使用要求。此外，更多的铁素体还会使接头脆化。焊接单相奥氏体钢时防止产生热裂纹的主要措施是：1）适当提高含碳量，使焊缝中形成一定数量的碳化物，与奥氏体组织成双相组织。通常认为，碳是引起热裂纹的主要
14、元素，特别是在18-8型钢焊缝中，当碳的质量分数从0.06%0.08%增加到0.12%0.14%时，热裂倾向显著增加；如果继续增高0.18%0.20%时，热裂倾向就更大。因此对于18-8型不锈钢，总是力求降低焊缝中的含碳量，以保证足够的抗裂性能。但是在单相奥氏体不锈钢中，由于含碳量比较高，已经高到足以引起热裂纹的程度，要限制它的含量已不可能。这时如果再提高碳的含量，使焊缝中保持适量的碳化物共晶，由于这种共晶物的熔点低、流动性好，在熔池结晶过程中呈弥散分布，可以细化奥氏体晶粒，并在熔池金属发生收缩和晶间薄层被拉断的瞬间及时填充到晶间的空隙中去，使裂纹不致产生。2）在焊缝中加入适量的Mn、Mo金属
15、元素，可提高抗热裂性，对于25-20型、15-36型等单相奥氏体不锈钢种，可加入质量分数为6%7%的Mn或2%5%的Mo。又例如，0Cr25Ni20Mo2型的焊条A412，就有质量分数为2%3%Mo。3）严格控制焊缝金属中S、P等有害杂质的含量。例如，焊接25-20型铸钢件时，如果用和母材成分相同的焊条或焊丝，只要焊缝中磷的质量分数不超过0.015%，不再采取其它措施，就能有效地防止裂纹。32试述不锈钢焊接接头的脆化现象。不锈钢的焊缝在高温加热一段时间后，出现冲击韧度下降的现象称为脆化。475脆性含有较多铁素体相（超过15%20%）的双相焊缝金属，经过350500加热后，塑性和韧性会显著降低，即性质脆化。由于在475时脆化速度最快，故称为“475脆性”。铁素体越多，这种脆化越严重。已产生475脆化的焊缝，可以900淬火消除。相脆化不锈钢焊接接头在375875范围内长期使用，会产生一种FE-Cr金属间化合物，
