陳偉平 蔡俊 汪昌紅 盧偉

1. 概述

不銹鋼藥芯焊絲因其具有工藝性能優(yōu)良、力學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，國外近年來廣泛應(yīng)用于石化、壓力容器、造船、鋼結(jié)構(gòu)和工程機(jī)械等行業(yè)。我國處于不銹鋼應(yīng)用的高速增長期，不銹鋼焊材的用量也隨之迅猛增長。國外不銹鋼藥芯焊絲的品種幾乎覆蓋了所有400、300系列不銹鋼，甚至雙相鋼。國內(nèi)采用不銹鋼藥芯焊絲來焊接是近二三十年來的事，在研發(fā)不銹鋼藥芯焊絲的過程中也面臨著諸多問題。其中一個(gè)不可避免的問題就是奧氏體不銹鋼焊接過程中的熱裂紋。焊接熱裂紋不僅給生產(chǎn)帶來許多困難，還可能帶來一些事故，危害甚大。熱裂紋是在焊接時(shí)高溫產(chǎn)生的，故稱熱裂紋(hot cracking)。熱裂紋是由冶金因素和力學(xué)因素相互作用形成的，本文主要討論奧氏體不銹鋼焊接過程中熱裂紋形成的冶金因素。

2. 兩種主要的熱裂紋

（1）熱裂紋類型及形成機(jī)理 奧氏體不銹鋼焊接過程中的熱裂紋主要有兩種：結(jié)晶裂紋和高溫液化裂紋。結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理是在凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)相在一次結(jié)晶晶粒邊界形成低熔點(diǎn)液態(tài)薄膜，冷卻收縮時(shí)受拉伸應(yīng)力，這時(shí)焊縫中的液態(tài)薄膜成了薄弱地帶，在拉伸應(yīng)力的作用下開裂形成微裂紋，微裂紋在繼續(xù)冷卻過程中擴(kuò)展至焊縫表面形成宏觀裂紋。

液化裂紋與結(jié)晶裂紋有許多共同之處，但又有各自的規(guī)律。液化裂紋的形成機(jī)理是由于焊接時(shí)近縫區(qū)金屬或焊縫層間金屬在高溫下使這些區(qū)域的奧氏體晶界上的低熔點(diǎn)相被重新熔化，在拉伸應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。

由此可知，這兩種裂紋產(chǎn)生是冶金因素和力學(xué)因素共同作用的結(jié)果，二者缺一不可；在冶金因素方面，兩種裂紋的產(chǎn)生都離不開低熔點(diǎn)相。表1列出了結(jié)晶裂紋和液化裂紋特點(diǎn)。力學(xué)因素方面，是由于焊接時(shí)脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的塑性小于脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬能承受的拉伸應(yīng)變。對于結(jié)晶裂紋而言，如果焊縫承受的拉伸應(yīng)力為σ，金屬的晶間強(qiáng)度為σ0，當(dāng)σ>σ0時(shí)就產(chǎn)生了結(jié)晶裂紋；對于液化裂紋而言，在熱影響區(qū)或多層焊的層間，由于產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶，該區(qū)域的塑性和強(qiáng)度急劇下降，焊縫冷卻時(shí)在收縮應(yīng)力的作用下處于薄弱狀態(tài)的晶間承受的應(yīng)變大于此時(shí)處于脆性溫度區(qū)焊縫的塑性時(shí)即產(chǎn)生液化裂紋。

（2）熔池結(jié)晶過程對裂紋的影響 熔池的結(jié)晶可分為三個(gè)階段：液固階段、固液階段和完全凝固階段。液固階段為熔池開始凝固的階段，熔池內(nèi)晶核少，相鄰的晶粒之間不接觸，液態(tài)金屬可在晶粒之間自由流動。雖有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開的焊縫被液態(tài)金屬及時(shí)填滿，因此液固階段不會產(chǎn)生熱裂紋。

當(dāng)熔池結(jié)晶到固液階段時(shí)，固相不斷增加且不斷長大，已凝固的固相彼此接觸并不斷傾軋到一起，使液相流動變得困難。此時(shí)的液態(tài)金屬主要是低熔點(diǎn)共晶，無法填滿在拉伸應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的微小縫隙，容易產(chǎn)生裂紋。這個(gè)階段稱為“脆性溫度區(qū)間”。

完全凝固之后形成的焊縫具有良好的強(qiáng)度和塑性，很難發(fā)生裂紋。不論是結(jié)晶裂紋還是液化裂紋，均在脆性溫度區(qū)間產(chǎn)生。

3. 提高抗熱裂紋敏感性的途徑

本文只討論提高奧氏體焊接過程中抗熱裂性的冶金因素。從冶金因素方面考慮，提高奧氏體焊接過程中的抗熱裂性可通過下列方法。

（1）增加一次δ鐵素體含量 一次結(jié)晶為奧氏體的焊縫金屬比一次結(jié)晶為鐵素體的焊縫金屬對熱裂紋更敏感。增加焊縫金屬中的一次δ鐵素體的含量是提高抗熱裂性的重要途徑，一次δ鐵素體并非直接提高焊縫金屬的抗熱裂性，它從幾個(gè)方面間接提高抗熱裂性。

第一，鐵素體較奧氏體能溶解更多的熱裂紋促進(jìn)元素。增加熱裂紋敏感性的元素主要是S、P、B、Ti和Nb。表2為主要熱裂紋促進(jìn)元素在奧氏體和鐵素體中的溶解度。

第二，很多元素在鐵素體中較在奧氏體中出現(xiàn)偏析的程度要小，特別是存在熱裂紋促進(jìn)元素時(shí)，奧氏體偏析的傾向更明顯，由此使得低熔點(diǎn)相析出，引發(fā)熱裂紋。故增加鐵素體含量能減少低熔點(diǎn)相析出，從而降低熱裂紋敏感性。

第三，鐵素體的存在能阻礙熱影響區(qū)再結(jié)晶時(shí)晶粒長大，可以破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，打亂奧氏體粗大柱狀晶的方向性，裂紋的產(chǎn)生更為困難，且增加了裂紋擴(kuò)展的壁壘，提高了焊縫金屬的抗熱裂紋性。

表1 產(chǎn)生熱裂紋的冶金因素

表2 主要熱裂紋促進(jìn)元素在奧氏體和鐵素體中的溶解度

（2）合金元素及雜質(zhì)的影響 上述熱裂紋敏感元素中的合金元素Ti能與N生成低熔點(diǎn)相；Nb能與Ni形成富Nb的低熔點(diǎn)相。增加熱裂紋敏感性的合金元素除了上述提到的元素之外， Ni元素也容易與S形成低熔點(diǎn)共晶，同時(shí)Ni還促進(jìn)偏析，提高熱裂紋傾向。金屬M(fèi)n則能提高焊縫金屬的抗熱裂性，Mn具有脫硫的作用，能將FeS置換成MnS，同時(shí)能改善硫化物的分布形態(tài)，使薄膜狀FeS改變?yōu)榍驙罘植紡亩Ы绫∧はВ誓芴岣吆缚p的抗裂性。

雜質(zhì)元素除S、P增加熱裂紋敏感性外，B是對抗熱裂性影響最壞的元素。B在高溫奧氏體中的溶解度非常低，只有0.005%，而且B與Fe、Ni都能形成低熔點(diǎn)共晶，在奧氏體焊縫中要嚴(yán)格控制這些雜質(zhì)元素的含量。

4. 結(jié)語

（1）本文討論了奧氏體不銹鋼焊接過程中熱裂紋的種類及形成機(jī)理，熱裂紋主要有結(jié)晶裂紋和液化裂紋。冶金因素方面二者都是由低熔點(diǎn)相引起，力學(xué)因素方面是由于焊接時(shí)脆性溫度區(qū)間內(nèi)金屬的塑性小于脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬能承受的拉伸應(yīng)變。

（2）從冶金因素方面提高奧氏體焊接過程中的抗熱裂性，一方面可通過增加奧氏體焊縫中的鐵素體含量，另一方面要降低焊縫中低熔點(diǎn)共晶的形成元素及雜質(zhì)元素。