許多焊接方法都可用于不銹鋼的焊接，但對(duì)于不同類型的不銹鋼，由于其組織與性能存在較大的差異，焊接性也各不相同，因此，不同的焊接方法對(duì)于不同類型的不銹鋼具有不同的適用性。在選擇焊接方法時(shí)，要根據(jù)不銹鋼母材的焊接性，對(duì)焊接接頭力學(xué)性能、耐腐蝕性能的綜合要求來確定。例如埋弧焊是一種高效優(yōu)質(zhì)的焊接方法，對(duì)于含有少量鐵素體的奧氏體不銹鋼焊縫來講，通常不會(huì)產(chǎn)生焊接熱裂紋，但對(duì)于純奧氏體不銹鋼焊縫，由于許多焊劑向焊縫金屬中增硅，焊縫金屬容易形成粗大的單相奧氏體柱狀晶，焊縫金屬的熱裂紋敏感性大，因此一般不采用埋弧焊焊接純奧氏體不銹鋼，除非采用特殊的焊劑。當(dāng)焊接接頭的腐蝕性要求高時(shí)，鎢極氬焊等惰性氣體保護(hù)焊具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于一些特種焊接方法，如電阻點(diǎn)焊、縫焊、閃光焊及螺柱焊，也可用于不銹鋼的焊接，與普通低碳鋼相比，由于不銹鋼具有較高的電阻和較高的強(qiáng)度，因此需要較低的焊接電流和較大的壓力或頂鍛力。釬焊也廣泛應(yīng)用于不銹鋼的連接，母材類型不同，釬焊溫度也不同，與普通碳鋼相比，不銹鋼用釬劑有較強(qiáng)的腐蝕性，為了防止殘留的釬劑對(duì)釬焊接頭的腐蝕，需對(duì)釬焊接頭予以仔細(xì)的清理。現(xiàn)如今所應(yīng)用的不銹鋼有奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼, 所以對(duì)這兩種類型的不銹鋼的焊接進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
一、奧氏體不銹鋼的焊接
1. 奧氏體不銹鋼的概述
奧氏體不銹鋼代表了整個(gè)不銹鋼系列中最大的一個(gè)類別，生產(chǎn)的噸位高于其他任何一種類別。它們?cè)诮^大多數(shù)環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性。奧氏體不銹鋼具有和低碳鋼相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，室溫時(shí)最低屈服強(qiáng)度約為210MPa（30ksi），然而不能相變強(qiáng)化。由于這類鋼低溫沖擊韌度好而可用于低溫工作環(huán)境。其高溫工作溫度可達(dá)760℃或者更高，但是大部分鋼在這么高的溫度下強(qiáng)度和抗氧化能力是有限的。奧氏體不銹鋼可以通過冷作硬化而有效地強(qiáng)化。它們經(jīng)常用于要求有很耐大氣腐蝕或耐高溫腐蝕能力的工作場(chǎng)合。只要按照正確的工藝規(guī)范施焊，這類鋼都是可以焊接的。在這類鋼中添加大量的奧氏體形成元素，特別是鎳（一般w（Cr）=8%），其他的奧氏體形成元素是C、N和Cu。碳和氮是強(qiáng)奧氏體形成元素，這可以從鎳當(dāng)量公式中各系數(shù)值可看出：Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu，加碳是為了改進(jìn)高溫強(qiáng)度（蠕變強(qiáng)度）。在某些鋼中加入氮主要是為了改進(jìn)室溫強(qiáng)度和低溫強(qiáng)度，有時(shí)可以提高一倍多，用氮強(qiáng)化的鋼經(jīng)常在它們的AISI 300系列型號(hào)后面標(biāo)注一個(gè)后綴N，如304LN。AISI 200系列（如201）也是氮強(qiáng)化鋼，經(jīng)常使用各種商業(yè)名稱，例如：Nitronic.
奧氏體不銹鋼一般具有較好的韌度和延性，在拉伸加載時(shí)顯示出很高的斷后伸長(zhǎng)率。由于鋼中合金含量較高，所以比馬氏體不銹鋼、低鉻和中鉻鐵素體不銹鋼要貴。盡管鋼本身價(jià)格高，但提供了突出的工程制造方面的優(yōu)點(diǎn)，特別是良好成形性和焊接性，因而和其他類的不銹鋼比較，經(jīng)常降低了總的成本。奧氏體不銹鋼雖然有很多種類，但300系列是最老的也是應(yīng)用最廣的。這類鋼大部分是在18Cr-8Ni系的基礎(chǔ)上加入合金元素或者是進(jìn)行變質(zhì)，而得到獨(dú)特的性能或者使性能更完備。
304型不銹鋼是這個(gè)系列鋼的基礎(chǔ)，加上304L代表了最常選用的奧氏體不銹鋼。在316型不銹鋼中用質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約2%的仩替代等量的鉻以改善耐點(diǎn)蝕能力。在穩(wěn)定化的321和347鋼中分別少量的鈦和鈮，它們和碳結(jié)合以減少由于析出富鉻碳化物而引起的晶間腐蝕。在上世紀(jì)60年代普遍使用L類鋼，這是由于利用AOD（氬-氧脫碳）方法熔煉，降低了標(biāo)準(zhǔn)型（非低碳鋼）和低碳型不銹鋼之間的價(jià)格差別。這類低碳型號(hào)不銹鋼（304L，316L）已經(jīng)廣泛用于受到晶間侵蝕和晶間應(yīng)力腐蝕的工作場(chǎng)合。
如ASTM A312中，最廣泛使用的鋼材304、316、321和347以及它們的變種鋼都是18-8類型，含有的名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）是18%鉻和8%鎳。L類鋼代表低碳類的變種鋼，其名義碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.03%。這類鋼提高了在腐蝕環(huán)境中對(duì)晶間侵蝕的耐力。H類鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近于0.1%，其高溫強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)鋼及L類鋼高，因而用于高溫場(chǎng)合。N類鋼是在300系列鋼中有意加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.20%的氮（300N，316N）碳在含錳的鋼里氮的加入量更高（錳增加氮在奧氏體相中的溶解度）。較高的氮含量可以增加奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度、抗磨損和耐點(diǎn)蝕能力。
含有鈦和鈮的鋼如321和347型稱為穩(wěn)定化鋼，因?yàn)榧尤脒@兩種元素穩(wěn)定了碳，阻止其生成M23C6型鉻的碳化物。由于鈦和鈮的加入量達(dá)到1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)可以有效地減少基本中的碳含量使富鉻碳化物的析出很困難，這就降低了敏化的可能性，而敏化會(huì)導(dǎo)致在奧氏體鋼中產(chǎn)生晶間腐蝕。還有很多其他鋼種，包括超級(jí)奧氏體不銹鋼。由于 這些鋼種獨(dú)特的性能及對(duì)其焊接性的特殊考慮。
2. 奧氏體不銹鋼焊接方法與焊接材料的選擇
（1）焊接方法
奧氏體體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性，幾乎所有的熔焊方法都可用于奧氏體不銹鋼的焊接，許多特種焊接方法，如電阻點(diǎn)焊、縫焊、閃光焊、激光與電子束焊、釬焊都是可用于奧氏體不銹鋼，就根據(jù)具體的焊接性與接頭使用性能的要求，合理選擇最佳的焊接方法。其中焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、埋弧焊是較為經(jīng)濟(jì)的焊接方法。
(2) 焊材選擇
對(duì)于奧氏體不銹鋼填充金屬的種類，分成三個(gè)部分，反映了AWS按焊接材料各類分別設(shè)定的三種標(biāo)準(zhǔn)。其中：
a. 不銹鋼焊條采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AWS A5.4標(biāo)準(zhǔn)用于焊條（我公司焊材為GES-309，GES316L等）；
b. 不銹鋼焊絲采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AWS A5.9、A5.22等標(biāo)準(zhǔn)用于實(shí)心焊絲和金屬粉芯焊絲，氣體保護(hù)藥芯焊絲（我公司焊材為GTS-309，GTS-316L等），所選焊絲可用于氬弧焊、富氬混合氣體保護(hù)焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊及埋弧焊焊接用填充材料；
c.不銹鋼埋弧焊主要選用氧化性弱的中性或堿性焊劑。
(3) 高鉬鋼焊接指南
我公司在M035項(xiàng)目上用的奧氏體不銹鋼有316L和254SMO（ASTM A258 S31254），其中254SMO是我公司第一次焊接的超級(jí)奧氏體不銹鋼材料，由于其使用條件嚴(yán)格（用于腐蝕性環(huán)境），材料昂貴（包括母材和焊材），且焊工不太熟悉，操作性有一定的難度，因此對(duì)焊接時(shí)要求注意的重點(diǎn)列出用以指導(dǎo)焊接人員和檢驗(yàn)人員。具體內(nèi)容如下：
為防焊接煙塵及Ar氣對(duì)焊接人員的傷害，焊接作業(yè)要在通風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行；
所有的焊縫都應(yīng)該略有余高，應(yīng)該避免出現(xiàn)平的或下凹狀的焊縫；
焊前一般不需要預(yù)熱，若環(huán)境溫度低于2℃，在距離焊縫區(qū)300mm的范圍內(nèi)應(yīng)至少加熱到比周圍環(huán)境溫度高10℃。
層間溫度不能大于100℃，線能量不能超過1.5KJ/mm
焊件表面的金屬氧化物會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷，因此焊前對(duì)雜質(zhì)的清理十分重要，通常清理范圍從焊縫處向兩側(cè)各延伸50mm，清理范圍應(yīng)當(dāng)包括工作坡口加工的邊緣以及空心管四周和管子內(nèi)表面。注意：金屬絲刷并不能完全清理這些殘留物，用熱水沖洗或擦洗或許是一個(gè)好方法。
焊接盡可能在1G和2F位置進(jìn)行
焊接接頭設(shè)計(jì)必須使打底焊能很好的熔透，引弧點(diǎn)要在坡口內(nèi)，沿坡口出現(xiàn)的電弧掃掠要打磨干凈。每一起弧與收弧處必須打磨干凈。
定位焊需要背部保護(hù)氣體，每一個(gè)接頭都必須打磨；
將焊接處不能接觸銅和黃銅（由銅和鋅組成的銅合金），因?yàn)殂~和鋅的加入可能導(dǎo)致裂紋的形成。
二、鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的焊接
1. 鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的概述
鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼名字是來自于其室溫微觀組織，其中大概一半是鐵素體，一半是奧氏體。在20世紀(jì)30年代就知道有雙相不銹鋼，它時(shí)快時(shí)慢的開發(fā)過程明顯地受到周期性的鎳短缺的影響。直到1982年美國(guó)《焊接手冊(cè)》也沒有認(rèn)可雙相不銹鋼是不銹鋼中單獨(dú)的一類。在那時(shí)《焊接手冊(cè)》把較早的一種雙相不銹鋼-329型不銹鋼列在奧氏體不銹鋼中。至少有一家329型不銹鋼的制造商建議不要焊接這種鋼，在20世紀(jì)50年代開發(fā)的鑄造合金CD4MCu焊接后很脆。從上世紀(jì)80年代初這種鋼迅速開發(fā)，在同一時(shí)期召開的一系列國(guó)際雙相不銹鋼會(huì)議編撰的文集中，記錄了這個(gè)開發(fā)過程。至今這種鋼已被用于廣泛領(lǐng)域，主要用于要求優(yōu)異耐腐蝕性的場(chǎng)合。在這一時(shí)期，鋼的焊接和耐腐蝕性有了明顯的改善，這主要是由于認(rèn)識(shí)到氮作為一種合金元素可以起關(guān)鍵作用。
雙相不銹鋼是用在能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，即優(yōu)異的耐腐蝕性和高強(qiáng)度或者二者兼有的應(yīng)用場(chǎng)合。因?yàn)樗斜葕W氏體不銹鋼更高的鐵素體相成分，所以有高的鐵磁性、高熱傳導(dǎo)性和低的線脹系數(shù)。雙相不銹鋼最多的是被選用于耐腐蝕場(chǎng)合，已經(jīng)在很多可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋和點(diǎn)蝕的應(yīng)用環(huán)境中代替了奧氏體不銹鋼。它們?cè)诮^大多數(shù)腐蝕場(chǎng)合遠(yuǎn)優(yōu)于結(jié)構(gòu)而又具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。譬如雙相不銹鋼已廣泛用于陸地和海洋中的油、氣管道。由于雙相不銹鋼在相對(duì)不高的溫度下就會(huì)形成很多脆性析出物，所以不推薦用于超過280攝氏度的工作場(chǎng)合。它們比奧氏體不銹鋼貴，倒不是完全因?yàn)楹辖鹪刭F，而主要是由于從鑄態(tài)到最終的板材、薄板、管件的加工費(fèi)用貴。然而它們提供了優(yōu)異的而腐蝕性并可降低重量，在中等程度侵蝕性介質(zhì)中可能用來代替某些鎳基合金，而價(jià)格僅為原來的幾分之一。
雙相不銹鋼典型的屈服強(qiáng)度大約是425MPa，和奧氏體不銹鋼的210MPa比較強(qiáng)度要高得多。因?yàn)殡p相不銹鋼的強(qiáng)度高，其硬度也高，所以在要求耐腐蝕同時(shí)要求耐磨損的場(chǎng)合，這種鋼更有優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，雙相不銹鋼具有良好的焊接性，與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比，它既不像鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)，由于晶粒嚴(yán)重粗化而使塑韌性大幅度降低，也不像奧氏體不銹鋼那樣，對(duì)焊接熱裂紋比較敏感。當(dāng)今大多數(shù)的雙相不銹鋼都是有好的韌度和延性，然而它們?cè)诘蜏貢r(shí)有韌脆轉(zhuǎn)變，所以一般不適合用于低溫。雙 不銹鋼的工作溫度范圍一般限于-40～280攝氏度。
雙相不銹鋼的線脹系數(shù)和碳鋼、低合金鋼接近。由于這種相似性，這種鋼也可用于需要雙相不銹鋼和碳鋼配合使用的高壓容器類的結(jié)構(gòu)。這種情況下，相對(duì)于使用奧氏體不銹鋼，能減少由于熱膨脹不同引起的熱應(yīng)力。然而由于雙相不銹鋼中析出反應(yīng)在較低溫度下發(fā)生，因而它不適宜用于需要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理（焊后熱處理）的場(chǎng)合。
2. 雙相不銹鋼的化學(xué)成分及組織特點(diǎn)
a. 化學(xué)成分
目前，國(guó)際上普遍采用的鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼可為Cr18型、Cr23型、Cr22型、Cr25型四類。對(duì)于Cr25型雙相不銹鋼，也有普通雙相不銹鋼和超級(jí)雙相不銹鋼之分，當(dāng)點(diǎn)蝕指數(shù)PREN（PREN=w(Cr)+ 3.3w(Mo)+16 w(N)）>40時(shí)，稱為超級(jí)雙相不銹鋼，
我國(guó)列入國(guó)家的鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼主要有Cr18與Cr25兩大類型。另外一些與國(guó)外典型材料相類似的鋼種也有生產(chǎn)和應(yīng)用。
b. 組織特點(diǎn)
雙相不銹鋼以單相δ鐵素體凝固結(jié)晶，當(dāng)繼續(xù)冷卻時(shí)，發(fā)生δ→γ相變，隨著溫度的降低，δ→γ相變不斷進(jìn)行。在平衡條件下或者非快速冷卻的情況下，部分δ鐵素體將保留到室溫，因此，室溫下的組織為δ→γ雙相組織。
3. 雙相不銹鋼的焊接特點(diǎn)
焊接過程是一個(gè)快速加熱與快速冷卻的熱循環(huán)過程。在加熱過程中，當(dāng)熱影響區(qū)的溫度超過雙相不銹鋼的固溶處理溫度，在1150~1400℃的高溫狀態(tài)下，晶粒將發(fā)生長(zhǎng)大，而且發(fā)生γ→δ相變，γ相明顯減少，δ相增多。一些鋼的高溫近縫區(qū)會(huì)出現(xiàn)晶粒較粗大的δ鐵素體組織。如果焊后的冷卻速度較快，將抑制δ→γ的二次相變，使熱影響區(qū)的相比例失調(diào)，當(dāng)δ鐵素體大于70%時(shí)，二次轉(zhuǎn)變的γ奧氏體也變成針狀和羽毛狀，具有魏氏組織特征，導(dǎo)致力學(xué)性能和耐腐蝕性能惡化。當(dāng)焊后冷卻速度較慢時(shí)，則δ→γ的二次相變比較充分，室溫下為相比例較為合適的雙相組織。因此，為防止熱影響區(qū)的快速冷卻，使δ→γ二次相變較為充分，保證較合理的相比例，足夠的焊接熱輸入是必要的。隨著母材厚度的增加，焊接熱輸入應(yīng)適當(dāng)提高。
對(duì)于雙相不銹鋼焊縫金屬，仍以單相δ鐵素體凝固結(jié)晶，并隨溫度的降低發(fā)生δ→γ組織轉(zhuǎn)變。但由于其熔化-凝固-冷卻相變是一個(gè)速度較快的不平衡過程，因此，焊縫金屬冷卻過程中的δ→γ組織轉(zhuǎn)變必然是不平衡的。當(dāng)焊縫金屬的化學(xué)成分與母材成分相同，或者母材自熔時(shí)，焊縫金屬中的δ相將偏高，而γ相偏低。為了保證焊縫金屬中有足夠的γ相，應(yīng)提高焊縫金屬化學(xué)成分的Ni當(dāng)量，通常的方法是提高奧氏體化元素（Ni、N）的含量，因此就出現(xiàn)了焊縫金屬的超合金化的特點(diǎn)。
雙相不銹鋼具有良好的焊接性，盡管其凝固結(jié)晶為單相鐵素體，但在一般的拘束條件下，焊縫金屬的熱裂紋敏感性很小，當(dāng)雙相組織的比例適當(dāng)時(shí)，其冷裂紋敏感性也較低。但應(yīng)注意，雙相不銹鋼中畢竟具有較高的鐵素體，當(dāng)拘束度較大及焊縫金屬含氫量較高時(shí)，還存在焊接氫致裂紋的危險(xiǎn)。因此，在焊接材料選擇與焊接過程中應(yīng)控制氫的來源。
另請(qǐng)注意：雙相鋼與雙相不銹鋼定義不同，雙相鋼是指由低碳鋼或低合金高強(qiáng)度鋼經(jīng)臨界處理或控制軋制而得到的主要由鐵素體和馬氏體所組成的鋼。
4. 焊接工藝方法與焊接材料
a. 焊接工藝方法
到目前為止，焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊（采用實(shí)心焊絲或藥芯焊絲）、甚至埋弧焊都可用于鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的焊接。
b. 焊接工藝方法選擇及坡口形式與尺寸
根據(jù)管、板厚度及相應(yīng)的焊接工藝方法選擇及坡口尺寸。
c. 雙相不銹鋼鋼焊接指南
我公司在M021項(xiàng)目上用的雙相不銹鋼為ASTM A790 S32750和S32760，且此二者皆為超級(jí)雙相不銹鋼，所選焊接方法為GTAW，所選焊絲為SANDVIK 25.10.4.L。焊接時(shí)的注意與焊接超級(jí)奧氏體類似，但層間溫度可控制為150攝氏度以下。
d. 不銹鋼焊接材料品牌
到目前為止，焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、已經(jīng)在我公司進(jìn)行使用，現(xiàn)在正在使用的焊材如下表：
