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不锈钢焊接
不锈钢的焊接
一. 不锈钢的特性
1．不锈钢的种类
不锈钢一般是含有12以上铬之钢，在JIS规格（例如JIS G 4304-2005）中规定的分类有62种之多。表1所示为JIS依化学成份、金属组织分类，主成份Fe-Cr-Ni系及奥氏体系、双相系以及析出硬化系等的分类。
表2所示为代表性钢种的物理性能。铁素体系与马氏体系，由于与碳相同都是体心立方结构（BBC），所以物理性质亦相近，但是，奥氏体系系为面心立方（FCC），所以与BCC的组织相比较，热传导率小，热膨胀系数大。
表1 依主要成份·金属组织不锈钢的分类
表2 各种代表性的不锈钢的物理性质
其代表13Cr钢的钢种为SUS410。在常温的金属组织为马氏体相，强度
高且硬又脆，但是，经过适当的回火则能得到优异的机械性质。使用于高强度或高硬度要求之刀刃，高温使用的涡轮叶片，以及机车的配件等。但是，在焊接部位明显的硬化，除延迟裂的敏感性高之外，在焊接原态弯曲延性低。耐腐蚀性方面也比其他的不锈钢低。 （2）铁素体系不锈钢
在13Cr钢，低碳的SUS410L，添加少量Al且改善焊接性的SUS405，但
18Cr钢分别有SUS430及添加Mo改善耐腐蚀性的SUS444。就是也不致变态成马氏体铁，全温度范围都是铁素体相。铁素体系不锈钢有优异的耐高温硫化性，在含有盐化物的湿润环境不致产生应力腐蚀龟裂的特长。 铬含量高的铁素体系不锈钢，一旦加热至600-800℃会析出硬且脆的σ
相而脆化。此外，一旦加热至475℃附近冷却后在常温抗拉强度或硬度变高又称之为475℃脆化现象。更因入热量，结晶粒粗大化，在常温时其冲击值也会明显下降。 （3）奥氏体系不锈钢
奥氏体系不锈钢的代表性钢种就是18-8系的SUS304。除耐蚀性比Cr
系不锈钢优异外，当然焊接性、机械性也比较优异，多使用于化学设备材料。在这系列，还添加Mo以改善非氧化酸或盐（氯）化物湿润环境的局部腐蚀的耐蚀性之SUS316、SUS317，添加铜之SUS316J1，更有提高Cr、Ni以提高耐热性与耐氧化性之SUS310不锈钢。
奥氏体系不锈钢，在焊接热影响区会发生下述之敏化作用的问题。其
对策就是抑制碳含量在0.030%以下的SUS304L、SUS316L、SUS317L或者添加Ti或Nb以抑制碳化铬析出之稳定化不锈钢的SUS321、SUS347不锈钢。 近年来，如SUS836L、SUS312L为完全的奥氏体组织，因高钼、高氮，
其耐孔蚀指数（PRE=Cr%+3.3XMo%+16XN%）在40以上被开发之超级奥氏体不锈钢，应用于耐海水用途。
（4）奥氏体·铁素体系不锈钢
双相系不锈钢为含5-7%Ni及23-25%Cr，其组织为各含有50%之铁素体
及奥氏体相。高铬、高钼及添加氮为双相组织，在氯化物环境下耐蚀性高，在0.2%降伏（屈服）强度高达600N/mm2以上，抗拉强度在700N/mm2以上，比奥氏体系高出很多，耐应力腐蚀亦优异。在最新的SUS329J4L，是以提高焊接热影响区的耐蚀性或韧性为目的而添加氮到约0.2%。此外，耐孔蚀指数在40以上的又称超级不锈钢。
从高强度耐蚀性及耐应力腐蚀性优异的特性，多应用于海水冷却器。 2．不锈钢的机械（力学）性能
表3所示为各种不锈钢常温的机械性能的范例，图1所示为依温度而异的抗拉强度。在常温时的强度，馬氏体系因热处理而产生变化，但与退火或固溶化热处理状态相比，双相系强度最高，依序是奥氏体、铁素体及馬氏体强度的降低。此外，一旦比较各温度范围的强度，温度上升则全部之强度都降低，但对于铁素体系及馬氏体，都是在500℃附件强度急遽下降，相反的奥氏体不锈钢则没有这么明显。
图2所示为奥氏体不锈钢在室温以下冲击韧性的范例。马氏体系及铁素体系，
从0℃至-50℃的范围其吸收能量急遽的下降，但沃斯田铁则下降很少，甚至于至-196℃也有优异的冲击特性。
3．不锈钢的耐蚀性
不锈钢的腐蚀可分类成全面腐蚀及孔蚀、隙蚀等的局部腐蚀，以及受到应力的负荷环境所发生之应力腐蚀龟裂。
孔蚀、隙蚀是发生在含有盐化物之湿润环境为其特征。因添加铬、钼及氮等的
合金元素，钝化皮膜相对安定，改善耐孔蚀性。图3所示为各种不锈钢的孔蚀电位。孔蚀电位相当高的其耐孔蚀性优异。一般耐孔蚀性的影响是以合金元素铬、钼及氮含量计算之耐孔蚀性指数（PRE）为基准，PRE值大的其耐孔蚀性提高。
此外，在热影响区受到加热温度在500-850℃的范围，如图4所示，在晶界会析出碳化物致在晶界附近因铬含量降低，所以容易发生晶界腐蚀，又称敏化作用。图5所示为泛用奥氏体钢敏化发生的条件（加热温度、时间）的范例。SUS304及SUS316并没有很大的差异，但是，SUS316在稍微高温度范围才发生敏化作用的趋势。碳含量低的材料（SUS304L等的C≤0.030的材料）有优异的耐敏化。
应力腐蚀龟裂（SCC），在特定的腐蚀环境中，一旦受到应力而产生的现象。图6所示为各种不锈钢的盐化物SCC敏感性指数的比较图示。图中显示双相系比奥氏体系有优异的耐SCC性。在奥氏体系，镍高的材料其耐SCC性有愈高的趋势。
二. 不锈钢焊接金属的性能
不锈钢焊接金属的性能，是由其组织决定的，但是，在焊接原态其组织是与碳钢不同。在电弧焊之热循环范围，并不会受到冷却速度的影响，仅仅依化学成分来决定。至此，用化学成分来预测焊接原态的组织的组织结构分别常用的有机种。
图1所示为舍伏勒组织结构（Schaeffler）,能从化学成分推算出焊接金属的组织及代表性钢材标准的显微组织。其他的还有加N影响之狄龙图与WRC-1992的组织结构。无论那一种，其横轴都是铁素体形成元素的铬、钼等计算铬当量（Creq），能推算出相当的组织。各组织结构所用的计算系数或元素有若干的不同。
具体而言，狄龙组织结构是在舍伏勒组织结构中，镍当量没有考虑到奥氏体形成元素所添加的N，这对手焊以外的焊接方法的焊接金属或添加N焊接金属，可以推算其铁素体量。
不锈钢焊接金属的组织结构，如图2所示依化学成分分别为奥氏体相（Υ），铁素体相（α），马氏体相（M）或者是这类的混合组织。在这奥氏体相+铁素体相的组织，其高温龟裂敏感性要低，则铁素体量要在10%以下，且经PWHT处理，它能抑制σ相得析出，有优异的延性与韧性。铁素体量比这还高时，在PWHT处理或高温环境，长时间的使用会造成σ相得脆化问题。若仅是奥氏体单相组织，虽不致发生铁素体相引起的脆化，但是高温敏感性显著的提高。至于铁素体单相会造成结晶粒粗大化的脆化或475℃脆化的问题。而马氏体组织硬且延性低，会造成氢延迟龟裂的问题，与铁素体一样，也有造成475℃脆化的问题。
薛佛勒=舍伏勒 狄龙=德龙
三. 各种不锈钢的焊接
基本上选择与母材相同成分系列的焊材进行焊接，这是原则。表1所示为各种成分系列的代表性的钢种及推荐的焊材与焊接时之预热、道温及PWHT温度的目标值。
表1 代表的不锈钢及焊接材料
1．马氏体系及铁素体系不锈钢
在SUS 410或SUS 430分别代表马氏体系及铁素体系不锈钢使用的焊材为①共金系②加Nb共金系的409 Nb及430 Nb③奥氏体系的309④英高镍等的高镍合金等列为被考虑的对象。在各种焊接材料其焊接金属的特征如表2所示。
表2 Cr系不锈钢焊接材料及焊接金属的特征
焊接金属的特性
焊接材料 延性 延迟 PWHT造高温共金系 409Nb 430Nb 309系 高Ni系
韧性 龟裂 成脆化 龟裂 × × ○ ○ △ ○ ○
△ ○ ○
○ × ○
○ △ △
盐化物SCC
○ ○ × ○
预热道间温度 200℃～400℃ 100℃～200℃ ～200℃ ～200℃
焊后热处理温度 700℃～800℃ 600℃～800℃ ～600℃ ～600℃
○：优 △：稍劣 ×：劣
共金系的场合，在JIS手焊条、填充裸焊条及实芯焊丝与药芯焊丝，410及430系列都有规定，13Cr系使用410，而18Cr系使用430。
在这种系列的不锈钢焊接，在焊接金属及热影响区会析出马氏体相及铁素体相组织，这析出的马氏体相为硬化的组织，因扩散氢而导致延迟龟裂的敏感性高。在焊接时须维持预热及道温，为着要充分地恢复焊接金属及热影响区的延性，希望进行700℃以上之PWHT。
在铁素体系不锈钢的焊接使用430系列焊材的场合，由于焊接金属及热影响区结晶的粗大化致容易产生脆化，所以预热抑制在200℃以下并希望进行PWHT。
作为加Nb的共金系列焊材，JIS的规定分别有409 Nb及430 Nb。409 Nb为添加10倍程度C含量的Nb，利用C及Nb亲和力强的特性以固定C，在13 Cr钢焊接金属的焊接原态的组织为微细的铁素体组织。与传统之马氏体不锈钢焊接材料比较，在焊接原态其焊接金属延性优异，且耐延迟龟裂性也优异为其特征。430 NB的堆焊，是在碳钢/低合金钢上以409 Nb作为堆焊时初(打底)层的钢种并考虑碳钢/低合金钢稀释的成分设计。这类的焊接材料在13Cr或18Cr系不锈钢的薄板焊接，不需要预热，但是在厚板的焊接，从防止延迟龟裂的观点，须保持100℃以上的预
热与道温并作600℃以上的PWHT。此外，使用430 Nb作为堆焊之初层时，为着能得到焊接金属为安定微细的铁素体相，要保持安定的稀释率是相当的重要，致须作充分的焊接管理。
在使用奥氏体系309系的场合，焊接金属的组织为奥氏体相+铁素体相，不致产生延迟龟裂，在焊接原态能得到具延性及韧性的焊接金属。但是，在母材稀释低焊接金属铁素体量高的场合，若进行650℃以上之PWHT会产生σ相脆化的问题。此外，于石油精炼设备在湿硫化氢-HCl环境，在309焊接金属会产生氯化物应力腐蚀龟裂(SCC)，在SUS405/410的热影响区会产生选择性腐蚀的问题，所以必须要注意。
从热处理对脆化的防止及SCC的防止观点，则推荐使用高镍系焊接材料。此外，在高温间歇性运转的容器，从热疲劳防止的观点，与母材热膨胀系数相近之高镍系焊材也是有利的地方。
低碳、低氮，耐孔蚀、隙间腐蚀优异材料的SUS444，与母材相同成分之焊接金属，因结晶粒粗大化会产生明显的脆化，所以选择超低碳(C≦0.020%)的316L或高镍系的焊材。为着防止因母材热影响区表面吸收N2及O2等气体之脆化，希望以氩焊施工。 2. 奥氏体系不锈钢
焊接性优异，几乎所有的焊接方法都适用。但是，热膨胀系数大，由于焊接变形大，致在薄板的场合要用拘束的方法或以短节距方式点焊等采取必要的措施。
此外，图3所示为在热影响区，因敏化而容易造成粒(晶)界腐蚀(weld decay)。在防止敏化方面，使用低碳材(L材)或者须使用使用稳定化钢的SUS321或SUS347。在L材的焊材为加L的(例如SUS304L为308L)，稳定化钢的焊接则使用加Nb的347系列。
图3
在奥氏体系不锈钢发生焊接的缺陷以高温裂为代表。高温裂的照片如照片1所示的情形，它是在 焊接的直后(当下) 在焊 道的中央部位于焊接方
向发生。其对策是焊接 照片1
材料，为防止高温龟裂为目的，在成分设计上焊接原态能含有数%的铁素体量。图4所示为各种焊接金属的铁素体量与高温龟裂敏感性的关系。铁素体量多至相当程度则高温敏感性下降。为此，一般的焊材，在成分设计上焊接金属至少会含5%以上的铁素体。
对于高温裂要特别注意的是空气中的氮会侵入到焊接金属中。从图2所示的
镍当量的计算式知，氮为奥氏体强力的生成元素，若氮侵入到焊接金属中则铁素体会降低为产生高温龟裂的原因。为防止空气的卷入，在手焊时弧长须尽量的短。在使用保护气体的焊接方法，须避免保护气体流量不足或因风而保护效果不良。
此外，不纯物的P或S，如图5 所示因高温龟裂敏感性增高，所以在焊接面对含有这类不纯物的污染的地方须完全移除。
除此之外，焊接入热量大的，高温龟裂的敏感性有增加的趋势。如在SUS310的焊接金属，并不生成铁素体相，为龟裂敏感性高的奥氏体系不锈钢的焊接，所以希望以最低的道温小入热量来焊接。这是降低道温，因而减小入热量，即龟裂发生温度范围的冷却速度快，更缩短了这温度范围的时间。
以上，高温龟裂的防止对策为：
?因防止氮的混入，铁素体量不致降至极低 ?防止P、S等低熔点的不纯物混入
?降低入热量，不预热而道温尽量低(170℃以下) 等方式。
奥氏体系不锈钢的焊接部位不须要作PWHT，但是为防止SCC为目的而进行固溶化热处理(1000-1100℃)或用稳定化钢的SUS321或SUS347，为防止在HAZ敏化实施稳定化处理(850-950℃)。
耐蚀性优异的高钼超级双相不锈钢的焊接，与焊接金属相同成分系列的场合，如图6所示，焊接金属为奥氏体初晶的A-模式(mode)凝固，能贡献耐蚀性的Cr及Mo产生明显的凝固偏析，在树枝状组织(dendrite)的中央部位PRE值降低，这个部分耐蚀性就明显下降的现象。为此，一般选用比母材高PRE值耐蚀性优异高镍合金之英高镍625或Hastelloy 276。 3. 双相系不锈钢
与奥氏体系一样有优异的焊接性。但由于铁素体量高，致在600℃以上的温度范围脆化速度快，所以在热影响区的耐蚀性比母材原质部要劣化，致在焊接时入热量要低，不必预热而道温也希望尽量的低(150℃以下)。此外，为防止σ相脆化或475℃脆化，应避免PWHT。
焊材在JIS分别规定有2209及329J4L与3553，但市售的SUS329J3L用2209，而SUS329J4L用329J4L。
母材因经热处理，所以调整奥氏体相与铁素体相的比例约1：1，但是焊接材料的场合，与母材相同成分系之焊接金属的铁素体会过高，致延性降低或耐粒界腐蚀性降低之不良影响，所以要比母材镍含量高来设计。
四. 碳钢上耐蚀堆焊及异材焊接
1. 耐蚀堆焊及护面钢的焊接
为着改善碳钢或低合金钢的耐蚀性为目的的表面改质，以不锈钢焊接材料进行耐蚀堆焊。图1所示为使用这耐蚀堆焊的舍伏勒组织结构，并预测焊接金属组织的方法。图2所示为在碳钢上 焊一层稀释率的计算方法与因焊接方法概略稀释率的情形。
如图1单纯的熔入情形，焊接金属为从熔填（敷）金属及母材化学成分计算的镍当量、铬当量相当量而点出的点
（100%-稀释率）：在在线点出稀释率的点即为其组织。http://http://www.unjs.com/news/557F0276514CF68D.html在碳钢上焊接不锈钢焊接材料的情形，就如图1知用共金（相同金属）材料的焊材，308或316焊接的地方，其焊接金属容易造成铁素体量的降低或析出马氏体组织，致很难获得健全的
焊接金属。另一方面，考虑到碳钢的稀释率，比308或316的Ni及Cr含量提高且成分设计让铁素体落在10-25%的309，在广的稀释范围也能含有数%的铁素体，这样就能得到较健全的焊接金属。表1所示为耐蚀堆焊焊接金属的目标成分所使用之焊接材料的种类。像这在耐蚀堆焊，初（第一）层是用309系的焊材焊接，于第二层以后才使用目标成分的焊材焊接。
在耐蚀堆焊，因为影响焊接部位机械性能最大的是初层焊接部位的组成，所以决定这个的母材及焊接材料的成分与稀释变成很重要。此外，这初层焊接金属的化学成分对于第二层以后焊接金属的成分也有很大的影响。为此，如表1所示，例如，压低第二层堆焊焊接金属的C含量以维持堆焊焊接金属的耐粒界腐蚀，在初层要选择309低碳的309L焊材，而且要怎样压制碳钢的稀释变成很重要。此外，第二层以后如316或347，在含Ni、Cr以外合金成分的地方，在初层时即要使用添加这类成分309Mo或309Nb的焊材，以稳定得第二层的成分。
初层的组织，从图1所示所知，若母材及焊材已决定则因稀释率而决定的，那么稀释率就是重要的因子，但这稀释率受到焊接条件影响很大。举一范例，在药芯焊丝因焊接条件的变动稀释率亦跟着变动如图3所示，因焊丝瞄准的位置而稀释率变化的例如图4所示。像这稀释率，因焊接方法、焊接条件及电弧对准位置的焊接施工参数的不同而变动。此外，圆筒容器内面之耐蚀堆焊，由于对母材之水平呈倾斜致影响稀释率。一般与水平焊接相比上坡焊的稀释大，反之下坡焊则稀释小。
在碳钢/低合金钢使用药芯焊丝的耐蚀堆焊，较适当稀释之大及小场合的焊接金属，发生弯曲试验不合格的例子，如照片1及2所示。各种的焊接材料，以其合适的焊接条件焊接时，需事先设定期望的稀释率以达到设计适当的化学成分及铁素体量。为此在碳钢上堆焊，若稀释率过大就如照片1所示Ni、Cr的降低而在焊接金属析出马氏体，在焊接原态弯曲试验致发生龟裂。此外，在Cr-Mo钢上之堆焊，在稀释率降低的地方，如照片2所示因经PWHT而析出σ相，经弯曲试验同样发生龟裂。无论是那一种情况都要以适当的焊接条件焊接才能防止问题的发生。
一般奥氏体系不锈钢焊接部位的机械性能很难受到如碳钢焊接条件的影响，但
在耐蚀堆焊，稀释则受到焊接条件等的施工参数很大的影响，这给予焊接金属性能也影响很大。为此，在耐蚀堆焊之实机施工前的施工试验的实施，须确认施工参数及在施工时施工参数的管理，在共金焊接以上于管理焊接金属的质量上是相当重要的因素。
不锈钢覆面钢之不锈钢侧的焊接，基本上与耐蚀堆焊一样，图5所示为初层使用309系 焊接，在第二层之后再使用与覆面材化学成分相近的焊材焊接。
表2所示为覆面焊接时，列出覆面材以及焊接相匹配的焊接材料。
表2不锈钢覆面钢焊接适用的焊材
在特殊情况，如图5所示无法从覆面材焊接时，在初层焊接时即要使用与覆面材相同成分系之焊材进行焊接之后，在剩余的板厚须全部使用309系的焊材焊接。这种情形若用碳钢焊材焊接不锈钢，因Ni、Cr的稀释，致焊接金属马氏体化会明显的变成硬化。
护面材为SUS410或SUS405等之13Cr系不锈钢的场合，在覆面材侧的焊接材料，与上述一样用考虑选择430Nb+409Nb匹配的共金系或309系的奥氏体系或者高Ni系（inco系）焊材。但一旦要经650℃之PWHT，则选用高镍系焊材。 2. 碳钢及不锈钢的异材焊接
此章节在介绍有关于碳钢及奥氏体不锈钢以及铬系部锈钢之异材焊接（对接及角焊）。表3所示为碳钢或低合金钢与各种不锈钢焊接匹配适用的焊材。及考虑的方式与耐蚀堆焊一样，其关键还是稀释。即焊接金属的性能还是受稀释来决定，也就是要如何控制影响稀释之焊接参数，但是，决定异材焊接部位质量的要点分别如下述。 2.1奥氏体系不锈钢
碳钢、低合金钢与奥氏体不锈钢的异材焊接，基本上的考虑与上述之耐蚀堆焊的初层是一样的，焊接材料多使用309系。
异材焊接部位的焊接金属组织，与耐蚀堆焊一样使用舍伏勒或德龙组织结构，从使用的母材及焊接的化学成分与稀释率加以推定。图6所示为使用舍伏勒图推定SUS304及SS400异材焊接（单道焊接或角焊）焊接金属的组织的一例。这如图1所示替换成SUS304及SS400母材，从两边的母材以一样熔入比率的情形。从这个图知，焊接金属的组织，受到SS400母材的稀释（Fe的稀释）很大的影响。一旦稀释率大，焊接金属的铁素体量降低易发生高温裂或析出马氏体而造成硬化
的危险性。
特别是开槽（坡口）内的初层或角焊，容易受到碳钢母材稀释影响，须避免使用过大电流之焊接。在厚板之多层焊接，如图7所示因道次关系碳钢的稀释影响大大的不同致焊接金属的成分变动大。在焊接原态使用的情形不致有问题，但在要求PWHT的场合，在稀释少的（铁素体高）道次会有σ相脆化的危险。像在这种情形如图7所示，让焊接金属的成分安定为目的，在碳钢侧希望以309系作涂层焊接的方法。
此外，奥氏体系不锈钢与Cr-Mo钢的异材焊接时，焊材使用309系的情形，
且PWHT的温度接近700℃，会造成焊接金属脆化的问题或使用环境超过300℃的场合，在焊接金属与Cr-Mo钢母材界面的渗、脱碳而发生强度降低等的问题，所以推荐使用高镍系（inconel）焊材焊接。 2.2马氏体系及铁素体系不锈钢
马氏体系及铁素体系不锈钢与碳钢之异材焊接是与奥氏体不锈钢一样，一般使用309系。此外，奥氏体系及同样Cr-Mo钢之焊接，在PWHT条件或使用环境推荐使用高镍系。具体的PWHT在650℃以上之要求或使用环境为超过300℃的场合。
3. 不同不锈钢的焊接
表4所示为不同不锈钢焊接（对接及角焊）依母材匹配及其适用焊接材料的选择。基本上是匹配高合金侧母材作焊材之选用。
马氏体或铁素体系不锈钢及奥氏体系与双相系不锈钢的焊接，基本上选309系，但必须经700℃以上之PWHT处理时，希望选高镍系（inconel系等）焊材。但是，母材为双相系时，因PWHT致母材会脆化须避免作PWHT处理。
在奥氏体不锈钢不同种类钢种匹配→或者与双相系匹配时，无论是选用匹配那一种的焊材，在焊接金属都不致产生龟裂的问题。例如，SUS304及SUS316的匹配，焊材可选用308或者是316都可以得到健全的焊接金属。
但是，匹配低强度母材的焊接金属的场合，焊接金属成低强度，在进行弯曲试验等会在焊接金属造成变形集中致造成龟裂的情形。像要避免这种情形，最好是选择高强度母材相匹配的焊接金属。此外，例如，双相不锈钢及奥氏体不锈钢匹配时，手焊条或包药焊线，在双相不锈钢因添加N致焊渣剥离性差，所以在设计上事先要考虑使用双相系的焊材对作业性有利。
母材的一边是用310系，原则上选310系焊接材料。若母材的一边为超级奥氏体系时则选择高镍系（Ni-Cr-Mo系）焊材。此外，双相系及超级奥氏体系的匹配时，同样的选稿镍系（Ni-Cr-Mo系）焊材。这类的匹配也与奥氏体系一样不需要预热或PWHT。
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注：沃斯田铁=奥氏体 肥粒铁=铁素体 麻田散铁=马氏体 薛佛勒=舍符勒 狄龙=德龙
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