马氏体不锈钢的焊接工艺特点

图10-26 高强度马氏体不锈钢TIG焊后的硬度

1—12Cr13 2—20Cr13 3—0Cr15NiTMoAl

马氏体不锈钢的焊接主要有焊条电弧焊、埋弧焊及熔化极气体保护焊，焊接时主要以控制热输入及冷却速度为主。

1.焊接材料的选择

最好采用同质填充金属来焊接马氏体钢，但焊后焊缝和热影响区将会硬化变脆，有很高的裂纹倾向。因此，应考虑合理的合金化，如添加少量Ti、Al、N、Nb等以细化晶粒，降低淬硬性。例如，w_Nb＝0.8％的焊缝具有微细的单相铁素体组织，焊态或焊后热处理均可获得比较满意的性能，也可通过焊前预热、焊后缓冷及热处理来改善接头的性能。

焊接构件不能进行预热或不便进行热处理时，可采用奥氏体不锈钢焊接材料。焊后焊缝金属为奥氏体组织，具有较高的塑性和韧性，松弛焊接应力，并能溶入较多的固溶氢，降低接头形成冷裂纹的倾向。但焊缝为奥氏体组织，焊缝强度不可能与母材相匹配。另外，奥氏体焊缝与母材比较，在物理、化学和冶金性能上都存在很大差异，有时可能出现破坏事故。例如，在循环温度工作时，由于焊缝与母材线胀系数不同，在熔合区产生切应力，能导致接头过早破坏。采用奥氏体焊接材料时，须考虑母材稀释的影响。

马氏体不锈钢常用的焊接材料见表10-9。

对于热强型马氏体钢，希望焊缝成分接近母材，并且在调整成分时不出现δ相，而应为均一的微细马氏体组织。δ相不利于韧性的提高。15Cr12WMoV之类的马氏体热强钢，主要成分为铁素体化元素（Mo、Nb、W、V），因此，为保证获得均一的马氏体组织，须用奥氏体化元素加以平衡，即应有适量的C、Mn、N、Ni。15Cr12WMoV钢碳的质量分数规定在0.17％～0.20％之间，如焊缝碳的质量分数降至0.09％～0.15％，组织中会出现较大量的块状和网状的δ相（也会有碳化物），使韧性急剧降低，也不利于抗蠕变的性能。若适当提高碳的质量分数（不大于0.19％），同时添加Ti，减少Cr，情况会有所好转。在调整成分时应注意马氏体点Ms变化所带来的影响。由于合金化使Ms降低越大，冷裂敏感性就越大，并会产生较多残留奥氏体，对力学性能不利。

超低碳复相马氏体不锈钢宜采用同质焊接材料，但焊后如不经超微细复相化处理，则强韧性难以达到母材的水平。(www.xing528.com)

表10-9马氏体不锈钢常用的焊接材料

2.焊前预热和焊后热处理

采用同质焊材焊接马氏体不锈钢时，为防止焊接接头形成冷裂纹，宜采取预热措施。预热温度的选择与材料厚度、填充金属、焊接方法和构件的拘束度有关，其中与碳含量关系最大。例如，Cr13钢，w_C＜0.1％时可以不预热；w_C＝0.1％～0.2％时，应预热到260℃缓冷；w_C＝0.2％～0.5％时，可以预热到260℃，但焊后应及时退火。

马氏体不锈钢的预热温度不宜过高，否则将使奥氏体晶粒粗大，并且随冷却速度降低，还会形成粗大铁素体加晶界碳化物组织，使焊接接头塑性和强度均有所下降。

焊后热处理的目的是降低焊缝和热影响区硬度、改善其塑性和韧性，同时减少焊接残余应力。焊后热处理须严格控制焊件的温度：焊件焊后不可随意从焊接温度直接升温进行回火热处理。因为焊接过程中形成的奥氏体尚未完全转变成马氏体，如果立即升温到回火温度，奥氏体会发生珠光体转变，或碳化物沿奥氏体晶界沉淀，产生粗大铁素体加碳化物组织，从而降低焊接接头的韧性，而且对耐蚀性也不利。如果焊接接头焊后空冷到室温后再进行热处理，马氏体不锈钢会出现空气淬硬倾向，造成常温塑性降低，并且在常温下的残留奥氏体将继续转变为马氏体组织，使焊接接头变得又硬又脆，组织应力也随之增大；若再加上扩散氢的聚集，焊接接头就有可能产生冷裂纹。正确的方法是：回火前使焊件适当冷却，让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解为马氏体组织。

焊后热处理须根据具体成分制定具体工艺。对于碳含量高且刚度大的构件，如21Cr12MoV，要严格控制焊后热处理工艺。焊后空冷至150℃，立即在此温度保温1～2h。一方面可让奥氏体充分分解为马氏体，不至于发生脆化；另一方面还可使焊缝中的氢向外扩散，起到消氢作用。然后加热到回火温度，适当保温，可形成回火马氏体组织。若焊后空冷到300℃时，虽可避免马氏体的产生，但在随后的高温回火过程中，奥氏体会转变成铁素体或碳化物沿晶界析出，性能不如前述的回火马氏体组织。

对于Cr13型焊条熔敷金属，焊后加热到600℃可开始恢复韧性，在850℃左右韧性最好，至900℃以上韧性急剧下降到很低的水平。而Nb的质量分数在0.8％左右的Cr13Nb焊条熔敷金属，加热至600℃以上时，韧性伴随升温而提高；在900℃加热时韧性也有所下降，但仍具有很高的韧性水平。

回火对于超低碳复相马氏体钢焊缝金属的强韧性有影响，需要根据钢的具体成分确定其逆变开始温度As。从图10-24可见，超低碳复相马氏体钢的硬度变化对淬火加热温度是不敏感的。试验表明，这种钢在950℃以上加热淬火未见硬度有变化，而在800℃以下加热，也不会出现δ相，强韧性组合很好。