奥氏体不锈钢304的TIG焊接

奥氏体不锈钢板材的焊接工艺设计

奥氏体不锈钢304具有非常好的塑性和韧性，这决定了它具有良好的弯折、卷曲和冲压成型性，因而便于制成各种形状的构件、容器或管道。奥氏体不锈钢韧性、塑性好，焊接时不会发生淬火硬化，尽管其线膨胀系数比碳钢大得多，焊接过程中弹塑性应力应变量很大，却极少出现冷裂纹；尽管有很强的加工硬化能力，由于焊接接头不存在淬火硬化区，即使受焊接热影响而软化的区域，其抗拉强度仍然不低。

304钢的热胀冷缩特别大所带来的焊接性问题主要有两个：一是焊接热裂纹，这与奥氏体不锈钢的晶界特性和对某些微量杂质如硫、磷等敏感有关；二是焊接变形大。

1 焊前准备

基于以上的种种考虑，所采用的焊接设备、焊接评定用材料、试板坡口型式等如下。 1.1 焊接设备

设备选用日本产（OTC）P-300交直流氩弧焊机，焊接电源为直流陡降外特性，由2只流量计来控制正面和背面的保护气体。 1.2 焊接评定用材料

对厚度为4mm的304板进行焊接工艺试验。其化学成分和机械性能列于表1；填充金属用ER308L的焊丝，其化学成分和机械性能见表2；焊接用保护气体分析见表3。

表1 304化学成分（％）和机械性能 C S P Si Mn Cr Ni σb （Mpa） δs （%） 0.039 0.002 0.018 0.44 1.21 18.23 8.09 795 47.1 表2 ER308L的化学成分（％）和机械性能 C S P Si Mn Cr Ni σb （Mpa） δs （%） 0.016 0.002 0.023 0.430 1.86 19.85 9.80 590 45 表3 保护气体分析（L） 材料 纯度 N2 O2 H2 H2O 露点 氩气 >99.99% <100pp<15pp <5ppm <30pp-50℃ m m m 1.3 试板坡口型式

由于焊接层数的增多，在焊接过程中会产生较大的变形和焊后收缩。因此，坡口尺寸的制定原则为尽量减少焊接层数和焊缝金属填充量。具体坡口型式见图1。

1.4 焊件和焊丝的清洗 坡口两侧各20mm范围内应打磨呈现金属光泽，以上范围内及坡口表面上的水、锈和油污等有害物质应清理干净；焊丝表面应清除油锈。 2 焊接工艺评定试板试验 对焊接工艺规范参数进行认

真选择，是保证304板焊接质量的前提。影响因素主要有保护条件和焊接规范。 2.1 焊接保护效果 2.1.1 喷嘴流量选择

因喷嘴的气流直接对焊接熔池进行保护，所以它的保护效果是影响焊缝质量的重要因素。在焊枪结构固定后，涉及保护效果的主要有喷嘴距工件距离和喷嘴流量。喷嘴距工件距离增大会使空气侵入熔池的可能性增加,因此在不影响焊接可见度和方便填充焊丝的情况下，这个距离应尽量小，图2为焊丝与焊接熔池的相对位置。

2.1.2 喷嘴及背面保护气流的匹配

当正面焊第1道时，背面氩气如果很大，会对正面的保护有影响。因此,喷嘴、背面保护气流要有很好的匹配,背面的气流不能太大。 3.2 焊接规范参数选择

手工钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢板，焊接规范参数主要考虑焊接电流和焊接速度。电流太小熔深浅，焊工操作疲劳。电流太大，高温停留时间长，焊缝晶粒粗大，热影响区保护变差；由于焊接时既要顾及板材背面的保护效果，还要填充焊丝，因此焊速不能太快。 2.3 工艺评定试板的焊接

通过大量的工艺试验，确定了如下焊接工艺规范参数（表4），并进行了工艺评定试板的焊接。工艺评定试板焊接区颜色亮白，证明（氩气）保护效果良好。

表4 焊接工艺规范参数

板厚 钨极直径 焊丝直径 氩气流量 焊接电流（直焊接电压 焊接速度 （mm） （mm） （mm） （L·min ） 流正接）（A) （V） （mm·min ） 4 2.4 2.0 8~10 90~120 16 200

单相奥氏体组织的奥氏体型不锈钢焊接接头易发生焊接热裂纹，这种裂纹是在高温状态下形成的。常见的裂纹形式有弧坑裂纹、热影响区裂纹、焊缝横向和纵向裂纹。就裂纹的物理质上讲，有凝固裂纹、液化裂纹和高温低塑性裂纹等多种。易产生焊接接头热裂纹的主要原因有以下几点： 1.1 焊接接头的热裂纹及其对策 1.1.1 焊接接头产生热裂纹的原因

1.1.1.1 焊缝金属凝固期间存在较大的拉应力，这是产生凝固裂纹的必要条件。因奥氏体型不锈钢的热导率小,线膨胀系数大，在焊接区降温（收缩）期焊接接头必然要承受较大的拉应力,这也促成各种类型热裂纹的产生。 1.1.1.2 方向性强的焊缝柱状晶组织的存在，有利于有害杂质的偏析及晶间液态夹层的形成。

1.1.1.3 奥氏体不锈钢的品种多，母材及焊缝的合金组成比较复杂。含镍量高的合金对硫和磷形成易熔共晶更为敏感，在某些钢中硅和铌等元素，也能形成有害的易熔晶间层。

1.1.2 避免奥氏体型不锈钢焊接热裂纹的途径 1.1.2.1 冶金措施 1.1.2.2 工艺措施 （1）焊缝金属中增添一定数量的铁素体组织，使焊缝成为奥氏体-铁素体双相组织，能很有效地防止焊缝热裂纹的产生。这是由于铁素体能够溶解较多的硫、磷等微量元素，使其在晶界上数量大大减少；同时由于奥氏体晶界上的低熔点杂质被铁素体分散和隔开，避免了低熔点杂质呈连续网状分布，从而阻碍热裂纹的扩展和延伸。常用以促成铁素体的元素有铬、钼、钒等。

（2）控制焊缝金属中的铬镍比,对于304型不锈钢来说，当焊接材料的铬镍比小于1.61时，就易产生热裂纹；而铬镍比达到2.3~3.2时，就可以防止热裂纹的产生。这一措施的实质也是保证有一定量的铁素体的存在。

（3）在焊缝金属中严格限制硼、硫、磷、硒等有害元素的含量，以防止热裂纹产生。对于不允许存在铁素体的纯奥氏体焊缝，可加入适当的锰和少许的碳、氮，同时减少硅的含量。 1.1.2.2 工艺措施

（1）采用适当的焊接坡口或焊接方法，使母材金属在焊缝金属中所占的分量减少（即小的熔合比）。与此同时，在焊接材料的化学成分中加入抗裂元素，且其有害杂质硫、磷的含 量比母材金属中的少，即化学成分优于母材金属，故应尽量减少母材金属熔入焊接熔池的数量。

（2）尽量选用低氢型焊条和无氧焊剂，以防止热裂纹的产生。 （3）焊接参数应选用小的热输入量（即小电流快速焊）。在多层焊时,要等前一层焊缝冷却后再焊接次一层焊缝，层间温度不宜高，以避免焊缝过热。施焊过程中焊条不允许摆动，采用窄焊缝的操作技能。

（4）选择合理的焊接结构、焊接接头型式和焊接顺序，尽量减少焊接应力，可以减少热裂纹的产生。

（5）在焊接过程结束和中途断弧前，收弧要慢且要设法填满弧坑，以防止弧坑裂纹的形成。

1.2 焊接变形与收缩

奥氏体型不锈钢与碳钢相比，在物理性能上有很大差异，前者在焊接过程中会产生较大的变形和焊后收缩。304不锈钢焊后产生很大变形和收缩的原因：与碳钢相比，其电阻是碳

钢的5倍，在同样的焊接电流、电弧电压条件下的热输入量要多；其热导率低，约为碳钢的1/3，导致热量传递速度缓慢，热变形增大；再则304型不锈钢的线膨胀系数又比碳钢大40%左右,更引起加热时热膨胀量和冷却时收缩量的增加，当然焊后的变形量就显得更加突出了。焊接变形量的大小与焊接参数的选择、焊接次序的正确性、操作的合理性都有一定的关系。

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