不锈钢焊接技术发展
2002-03-11 00:00 来源：[ 我的钢铁 ]
不锈钢的焊接方法可分为熔融焊接、扩散、扩散接合与钎焊三大类。在用得最多的熔融焊接中，原来的主体是药皮金属极电弧焊；而现而一直以采用FCW(Ⅱuxcored wire即粉芯焊丝)的半自动、自动焊接为主流，还开发了高耐蚀不锈钢用FCW。
并且，采用电子束焊接和等离子弧焊接等高能量密度热源的焊接方法也开始在各个领域推广应用。扩散接合及钎焊，用于不能进行熔融接合的不同材料间的接合以及细微、复杂构件之间的接合，拓宽了不锈钢的新应用领域。下面分类介绍不锈钢焊接工艺的概要。
一、熔融焊接
熔融焊接是母材(被焊接材)也熔融而结合，故其凝固部及热影响区域(heataffectedzone简称HAZ)的金属组织变化很重要。研究表明，不锈钢有几种凝固型式(A即奥氏体型、A+F即奥氏体+铁素体型、F即铁素体型等)。其中的A型为7(铁)单相凝固，易发生焊接裂纹；并且，在F型的6(铁)单相凝固上，存在常温下韧性、延性劣化的问题。
另外，若像电子束焊接和激光(1aser)焊接那样加速凝固，根据不锈钢焊接金属的室温组织状态图可知，其双相凝固区域狭窄而单相凝固的倾向增强。故在焊后凝固速度快的场合，必须考虑F量控制的影响。
1．电弧焊
电弧焊分为将电极自熔融而获得焊接金属的熔极式和外加熔接材的非熔极式两种。实际使用的焊接法，是考虑了工作效率、焊接性及焊接部特性等因素而决定的，特别是焊接方法须与钢板(或结构)厚度相适应。工作效率取决于熔敷金属量即填充焊缝的金属熔化速度；而敷量则按涂药电弧焊、气体密封电弧焊、埋弧焊的顺序增多。另外，与熔敷量成正比的合适的焊接板厚范围：TIG(惰气保护W极电弧)焊接的在1．5mm以下；涂药电弧焊的为1．5―25mm；埋弧焊的为20mm以上。
有效利用上述特点，可扩大FCW、电子束焊接和激光焊接的使用范围。
2．FCW
FCW的密封(保护)气是在100％的COz气或在Ar气中加入20％COZ的混合气体，MAG(metalaregas―shieldedwelding即气体保护金属极电弧焊)是使用将填充金属作为外皮而在芯部填充了焊剂的焊丝。在焊剂内混有金属粉末，从而可调整熔敷金属的成分。故用此法可获得用实心焊丝难以得到的合金成分，且其工作效率比涂药电弧焊高，还容易实现自动化；若与MIG焊接比较，具有渣剥落性好、焊蚕形状规则的特点。
近年，还开发了新钢种焊丝、全姿式焊接用焊丝及超细焊丝等多种新产品。
作为增N用FCW，有超低温用的308L及高温用的308H、双相不锈钢SUS329J3L、SVS329J4L系、高耐蚀A不锈钢用等。用于高耐蚀不锈钢时，为使焊接部特性与母材保持一致而进行焊丝的成分设计十分重要。
焊接SUS836L等A级超级不锈钢时是A型凝固，必须尽量降低P、S、Si等有害元素含量，以解决焊接高温裂纹的问题。另外，因凝固偏析大，在相同成分下的耐蚀性劣化厉害。故必须使熔敷部的耐蚀性指标PRE设计得比母材高10倍以上。
除上述以外，作为高温使用，还开发了具有与涂药电弧焊和TIG焊接高温延性相同、加入了不含Bi的焊剂的308系、核燃料再处理用超低C的308系、309系等不锈钢用FCW，这些开发都改善了产品及使用的多种特性。
3．电子束焊接与激光焊接
电子束焊接是在真空中用电子束冲击被焊接物，以其运动能量作为热源而进行焊接，激光焊接则是利用激光束的高能量密度的光作为热源进行焊接，具有熔透比(熔透深度／焊道宽)大的特点。因此，可用1道次焊接厚钢板(日本的厚板相当于中国的中、厚板―译注)；可进行低线能量低应变施工，适用于精密焊接和高级材料焊接。
另一方面，此类焊接凝固速度快，母材中的气体成分易引发气孔；且在SUS304系不锈钢上，凝固为7单相组织，易产生高温裂纹。为了抑制气孔的产生，必须分别将母材的氧、氮含量降至100和1000ppm以下。
电子束焊接在真空中进行，受磁场的影响；而激光焊接在大气中进行，不受磁场影响。
二、扩散接合
1．固相扩散接合
固相扩散接合是使被接合面相互接触，进行加压，以过热状态粘合，再进行固溶。这种接合的支配因子(即控制因素)有接合面的表面状况(是否有氧化膜)，表面粗糙度、表面组织(晶粒直径和形变组织等)、接合条件(气氛与压力以及温度和时间等)。
2．液相扩散接合
此工艺的特点是不需要比固相接合法大的接合压力及细微的表面处理，即能得到与母材一样的接合强度。
作为衬垫材料，有粉末、薄带(A质带等)、真空镀膜等，但使用Ni―Cr―Si―B系非晶质的情况最多。
三、钎焊
钎焊是将母材加热，在其接合部将熔点比母材低的金属熔融而接合的工艺，与软钎焊不同的是加热温度须在450℃以上的高温进行。钎焊中母材不熔化，故可进行薄板接合与精密接合；另一个特点是可进行复杂形状构件，异种金属、非金属的接合。
不锈钢的钎焊有Cu钎料、Ag钎料、Ni钎料、Au钎料。
Cu钎料浸润性很好，特别适于复杂形状，但在A系不锈钢钎焊时，在钎焊处理温度下，Cu会侵入不锈钢晶界，从而恶化钢的强度和耐氧化性。
另外，在加Ti等易氧化金属的F系不锈钢上，在钎焊热处理时，不锈钢表面会产生Ti氧化物，从而使浸润性变差，故必须注意。
并且，采用电子束焊接和等离子弧焊接等高能量密度热源的焊接方法也开始在各个领域推广应用。扩散接合及钎焊，用于不能进行熔融接合的不同材料间的接合以及细微、复杂构件之间的接合，拓宽了不锈钢的新应用领域。下面分类介绍不锈钢焊接工艺的概要。
一、熔融焊接
熔融焊接是母材(被焊接材)也熔融而结合，故其凝固部及热影响区域(heataffectedzone简称HAZ)的金属组织变化很重要。研究表明，不锈钢有几种凝固型式(A即奥氏体型、A+F即奥氏体+铁素体型、F即铁素体型等)。其中的A型为7(铁)单相凝固，易发生焊接裂纹；并且，在F型的6(铁)单相凝固上，存在常温下韧性、延性劣化的问题。
另外，若像电子束焊接和激光(1aser)焊接那样加速凝固，根据不锈钢焊接金属的室温组织状态图可知，其双相凝固区域狭窄而单相凝固的倾向增强。故在焊后凝固速度快的场合，必须考虑F量控制的影响。
1．电弧焊
电弧焊分为将电极自熔融而获得焊接金属的熔极式和外加熔接材的非熔极式两种。实际使用的焊接法，是考虑了工作效率、焊接性及焊接部特性等因素而决定的，特别是焊接方法须与钢板(或结构)厚度相适应。工作效率取决于熔敷金属量即填充焊缝的金属熔化速度；而敷量则按涂药电弧焊、气体密封电弧焊、埋弧焊的顺序增多。另外，与熔敷量成正比的合适的焊接板厚范围：TIG(惰气保护W极电弧)焊接的在1．5mm以下；涂药电弧焊的为1．5―25mm；埋弧焊的为20mm以上。
有效利用上述特点，可扩大FCW、电子束焊接和激光焊接的使用范围。
2．FCW
FCW的密封(保护)气是在100％的COz气或在Ar气中加入20％COZ的混合气体，MAG(metalaregas―shieldedwelding即气体保护金属极电弧焊)是使用将填充金属作为外皮而在芯部填充了焊剂的焊丝。在焊剂内混有金属粉末，从而可调整熔敷金属的成分。故用此法可获得用实心焊丝难以得到的合金成分，且其工作效率比涂药电弧焊高，还容易实现自动化；若与MIG焊接比较，具有渣剥落性好、焊蚕形状规则的特点。
近年，还开发了新钢种焊丝、全姿式焊接用焊丝及超细焊丝等多种新产品。
作为增N用FCW，有超低温用的308L及高温用的308H、双相不锈钢SUS329J3L、SVS329J4L系、高耐蚀A不锈钢用等。用于高耐蚀不锈钢时，为使焊接部特性与母材保持一致而进行焊丝的成分设计十分重要。
焊接SUS836L等A级超级不锈钢时是A型凝固，必须尽量降低P、S、Si等有害元素含量，以解决焊接高温裂纹的问题。另外，因凝固偏析大，在相同成分下的耐蚀性劣化厉害。故必须使熔敷部的耐蚀性指标PRE设计得比母材高10倍以上。
除上述以外，作为高温使用，还开发了具有与涂药电弧焊和TIG焊接高温延性相同、加入了不含Bi的焊剂的308系、核燃料再处理用超低C的308系、309系等不锈钢用FCW，这些开发都改善了产品及使用的多种特性。
3．电子束焊接与激光焊接
电子束焊接是在真空中用电子束冲击被焊接物，以其运动能量作为热源而进行焊接，激光焊接则是利用激光束的高能量密度的光作为热源进行焊接，具有熔透比(熔透深度／焊道宽)大的特点。因此，可用1道次焊接厚钢板(日本的厚板相当于中国的中、厚板―译注)；可进行低线能量低应变施工，适用于精密焊接和高级材料焊接。
另一方面，此类焊接凝固速度快，母材中的气体成分易引发气孔；且在SUS304系不锈钢上，凝固为7单相组织，易产生高温裂纹。为了抑制气孔的产生，必须分别将母材的氧、氮含量降至100和1000ppm以下。
电子束焊接在真空中进行，受磁场的影响；而激光焊接在大气中进行，不受磁场影响。
二、扩散接合
1．固相扩散接合
固相扩散接合是使被接合面相互接触，进行加压，以过热状态粘合，再进行固溶。这种接合的支配因子(即控制因素)有接合面的表面状况(是否有氧化膜)，表面粗糙度、表面组织(晶粒直径和形变组织等)、接合条件(气氛与压力以及温度和时间等)。
2．液相扩散接合
此工艺的特点是不需要比固相接合法大的接合压力及细微的表面处理，即能得到与母材一样的接合强度。
作为衬垫材料，有粉末、薄带(A质带等)、真空镀膜等，但使用Ni―Cr―Si―B系非晶质的情况最多。
三、钎焊
钎焊是将母材加热，在其接合部将熔点比母材低的金属熔融而接合的工艺，与软钎焊不同的是加热温度须在450℃以上的高温进行。钎焊中母材不熔化，故可进行薄板接合与精密接合；另一个特点是可进行复杂形状构件，异种金属、非金属的接合。
不锈钢的钎焊有Cu钎料、Ag钎料、Ni钎料、Au钎料。
Cu钎料浸润性很好，特别适于复杂形状，但在A系不锈钢钎焊时，在钎焊处理温度下，Cu会侵入不锈钢晶界，从而恶化钢的强度和耐氧化性。
另外，在加Ti等易氧化金属的F系不锈钢上，在钎焊热处理时，不锈钢表面会产生Ti氧化物，从而使浸润性变差，故必须注意。
