冬季焊接316L不锈钢如何防止晶间腐蚀和热裂纹

冬季焊接316L不锈钢如何防止晶间腐蚀和热裂纹

薛海雁1, 魏力韬2, 周国旺3, 郭家麟4, 陈彦强5

甘肃省白银市银光聚银化工有限公司保运中心  甘肃省白银市  730900

摘要：针对不锈钢材料特别是316L不锈钢材料在焊接时易出现的问题进行分析，并提出预防措施，以提高316L不锈钢的焊接质量，延长设备使用寿命。

关键词：316L不锈钢；晶间腐蚀；热裂纹

σ相脆化区：

316L是一种进口不锈钢材料，其成分与国内的00Cr17Ni14Mo2相当，属超低碳含钼不锈钢，W（C）max≤0.03%，耐腐蚀性能优于304不锈钢，尤其具有良好的耐氯化物侵蚀的性能，银光聚银公司TDI厂400单元装置的部分设备和管线就采用了这种材料，该材料在焊接过程中最容易产生的缺陷就是晶间腐蚀和热裂纹。

一、316L不锈钢产生晶间腐蚀的原因分析

（1）晶间腐蚀的概念：在腐蚀介质作用下，起源于金属表面的晶界，沿晶粒边界深入金属内部，产生在晶粒之间的一种腐蚀，称为晶间腐蚀。晶间腐蚀导致晶粒间的结合力丧失，强度几乎完全消失，受到应力作用时，即会沿晶界断裂，是不锈钢最危险的一种破坏形式。

（2）产生晶间腐蚀的原因是不锈钢316L焊缝晶粒边界的铬的质量分数降至12%以下，在晶间形成了质量分数小于12%的贫铬区，因此晶间在腐蚀介质作用下发生了腐蚀。产生晶间贫铬的原因是奥氏体不锈钢加热到450-850℃温度范围时，晶粒中过饱和固溶的碳（碳在奥氏体中的溶解度约为0.02%-0.03%）向晶粒边界扩散比铬的扩散速度快，扩散到晶界的碳与晶界的铬化合，形成了Cr23C6，使晶界铬的质量分数大大减小，变成铬的质量分数小于12%的贫铬区。

（3）σ相析出引起的晶间腐蚀

奥氏体不锈钢的焊接热影响区可以分为过热区，σ相脆化区，和敏化区三个区域。铁素体不锈钢的焊接热影响区可分为过热区，σ相脆化区和475℃脆性区三个区域。σ相脆化区，敏化区和475℃脆性区只是在一定的焊接热循环条件下才会出现。316L不锈钢在400-500℃之间停留时间过长，晶界会析出σ相，试验证明，在65%的沸腾硝酸中可发现σ相的析出引起的晶间腐蚀。

二、热裂纹的产生和防止措施

奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生热裂纹。奥氏体不锈钢焊接时产生热裂纹的原因：一是单相奥氏体焊缝易形成方向性强的柱状晶组织，硫、磷、镍、碳等元素形成的低熔点共晶杂质偏析比较严重，形成晶间液态夹层；不锈钢的液相线与固相线距离较大，结晶时间较长，也使低熔点杂质偏析比较严重；二是不锈钢导热系数大，导致焊接应力比较大（一般是焊缝和热影响区受拉应力）。

三、由于316L不锈钢含碳量非常低，焊接时即使在极冷的情况下也不会出现淬硬的组织，所以在焊接316L不锈钢时出现的裂纹只能是热裂纹。而低熔点共晶体的存在和焊接时凝缩应力是产生热裂纹的两大原因，316L不锈钢中Cr、Ni、Mo等合金元素的含量较高，它由液态变为固态时的凝固温度是一个区间，而且这个区间范围比较宽，所以导致在凝固的过程中低熔点共晶体的量比较多；同时316L不锈钢的线胀系数比碳钢大约50%,热导率为碳钢的1/2左右，所以它由液态变为固态时产生的凝缩应力比碳钢要大2倍以上。因此可见，316L不锈钢在焊接时产生热裂纹的倾向极大。

防止热裂纹的措施：

1，严格限制焊缝中硫、磷杂质元素的质量分数，以减少低熔点共晶杂质，选用碱性焊条和焊剂，以降低焊缝中的杂质含量，改善偏析程度。控制焊接电流和电弧电压大小，适当提高焊缝形状系数：采用多层多道焊，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹。采用小线能量、小电流快速不摆动焊，可减小焊接应力。

2，选用双相组织的焊条，使焊缝形成奥氏体和少量铁素体的双相组织，以细化晶粒，打乱柱状晶方向，减小偏析严重程度。铁素体的质量分数控制在3-8%（5%左右）。过多的铁素体会使焊缝变脆，对于镍的质量分数大于15%的奥氏体不锈钢，不能采用奥氏体和铁素体双相组织来防止热裂纹。因为铁素体在高温（>650℃）下长期使用，会析出σ相，使焊缝脆化，可采用奥氏体和碳化物的双相组织焊缝，亦有较高的抗热裂纹能力。

3,316L不锈钢属于超低碳高合金钢，在焊接过程中，不可避免存在着低熔点的共晶体，所以要防止它在焊接时产生裂纹，只能从降低它的凝缩应力来考虑。所谓凝缩应力是指熔池金属由液态变为固态的过程中熔池周围的冷金属对液态熔池金属体积的收缩所形成的拉应力，由此可见要降低凝缩应力，就要延长液态熔池金属存在的时间，也就是降低熔池的冷却速度，在讨论防止产生晶间腐蚀时曾谈到，为了不产生晶间腐蚀，希望冷却速度越快越好，而在这里却希望降低冷却速度，这是因为加快冷却速度是指在650-850℃这个区间加快冷却速度，而降低冷却速度是指在1000℃以上降低它的冷却速度，所以它们并不矛盾。可通过加大工艺参数来延长熔池的存在时间。

316L管道设备在生产实际中的焊接：

根据实际工作经验，我认为焊接公径小于DN100以下时尽可能采用全氩弧焊接，而在公径大于DN100以上时可采用氩电联焊，这样做节省时间和材料。

具体措施：

1，焊接时管道内部进行充氩，并且确保打底焊时氩气浓度达到95%以上，将管道内的空气置换出来，在填充盖面焊接时也必须充氩保护，防止焊缝金属在高温时进行氧化反应，产生晶间腐蚀。

2，对于长输管道在没有充氩条件下可以采用药芯焊丝进行打底

焊和盖面焊经过X探伤和生产实际运行证明这两种方法是可行的。

3，氩电联焊焊接大管径316L管道和设备

在实际生产中采用纯氩弧焊焊接大管径316L和设备存在一定的困难，例如工作量大，工作效率低等，为了保证管道和设备的焊接质量，保障生产的连续稳定运行，在焊接大管径316L材质管道和设备维修时采用氩弧打底，电焊填充盖面的措施，氩弧打底可采用药芯焊丝。

4，采用多层焊接方式

由于316L不锈钢焊接存在危险温度区间（450-850℃），在焊接过程中尽量采用多层焊接，每层的熔敷金属尽量薄，每根焊条尽可能一次焊完，少接头熄弧要衰减，快速焊接，焊条不作摆动，这样焊缝冷却速度快，在危险温度区间停留时间短，有利于防止晶间腐蚀。

结论：在TDI生产线K460至W410光气回流管线检修过程，焊接316L不锈钢采用了全氩弧焊接，采用工艺参数：I=100A，U=20V左右，V=180mm/min，焊接第一道焊缝时出现了微裂纹，而其它各道则没有发现裂纹。通过分析，确定这些微裂纹是热裂纹，产生的原因是由于焊接电流太小，冷却速度太快而导致液态熔池金属存在时间太短造成的，由此我改变了措施，增大了焊接工艺参数：I=120A，U=20V左右，V=140mm/min，结果没有发现微裂纹，为了验证该措施是否正确，采用相同的焊接材料对316L不锈钢做了焊接工艺评定：I=120A，U=20V左右，V=140mm/min焊接φ89*4的316L材质的管材，焊后马上水冷，无损检测没有发现裂纹，力学性能试验，晶间腐蚀试验全部合格，从2006年至今没有发生焊缝因晶间腐蚀和热裂纹而引起的爆裂事故，保证了生产平稳运行，说明这种措施是有效的，也说明冬季焊接316L不锈钢也要严格执行焊接工艺参数。

参考文献：【1】中国机械工程学会  焊接学会编   焊接手册第2卷【M】   北京机械出版社

【2】国家职业资格培训教程   焊工（初级、中级、高级技能）编审委员会

劳动和社会保障部中国就业培训技术指导中心组织编写

北京:中国劳动社会保障出版社2002