不銹鋼按其組織機構分為五大類,這樣隨著它們化學成分和組織機構的不同,它們的焊接性是有很大差別的。為此獲得高質量的焊接接頭難易程度和注意事項也截然不同。
不銹鋼焊縫中的鐵素體含量對其性能起著極其重要的作用,特別是應用最多的奧氏體不銹鋼和新開發的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的焊縫組織更是如此。奧氏體不銹鋼焊縫中,常常需要形成一定量的鐵素體(通常是4%~12%),以防止焊縫產生凝固裂紋。雙相不銹鋼中的鐵素體對提高耐蝕性,特別是耐應力腐蝕裂紋和耐孔蝕是至關重要的。在雙相不銹鋼焊縫中又必須限制過多的鐵素體,以保持焊縫金屬具有足夠的塑性、韌性和耐蝕性。因此,在這兩種情況下,必須嚴格控制焊縫中的鐵素體量。而某些在低溫環境及特殊腐蝕介質中使用的奧氏體鋼焊縫中的鐵素體又要求盡可能地降低。現在已經把焊接時快速冷卻形成的不銹鋼的焊縫組織與合金元素的鉻當量[Cr]和鎳當量[Ni]值的關系圖[(Schaeffer圖)、Delong圖和WRC圖],作為不同情況下對焊材的選擇、焊縫組織的預測和根據焊縫化學成分分析的結果,評定焊縫質量的重要依據。
Schaeffer 圖、Delong圖和WRC圖的鉻當量[Cr]和鎳當量[Ni]計算公式,見表6-1。
1. Schaeffer圖
Schaeffer圖是最早的焊縫組織圖,它適用于常規的不銹鋼焊后自然狀態的焊縫,其精確度為±4%.借助于薛夫勒(Schaeffer)圖,可以預控制焊縫金屬相的組成,可達到滿足使用要求的目的,見圖6-1。圖6-1中的鐵素體數FN是由磁性測定儀測定的,近似于用金相測定所得出鐵素體含量的平均值。
為了使薛夫勒圖能針對不同成分的母材與填充金屬在混合之后,對可能出現的熱裂紋或其冶金缺陷做出預評價,德國人A.沙賴特等繪制出經細化了的、專用于焊縫金屬的薛夫勒圖,見圖6-2。
圖6-2把焊縫金屬成分分成幾個區,如區域1、2、3及4.例如;當成分為A與成分為B相互焊合,使用的填充材料成分為C,混合后計算出的焊縫成分為D,其結果表明鐵素體含量在5%~10%之間,具有良好的抗熱裂性能與韌性。
2. Delong圖
Delong圖(見圖6-3)是在Schaeffer 圖的基礎上加以改進的,并在此圖中加人了奧氏體形成元素。N的作用,更適合于氣體保護焊及含氮或控氮不銹鋼的焊縫組織。Delong圖還進一步提高了估算鐵素體含量的精確度(2%),特別是對含有比正常氮含量高的熔敷金屬。Delong圖以鐵素體序數(FN)標示焊縫的鐵素體量,但FN最大到18FN,不能滿足不斷發展的要求,特別是不能滿足高鐵素體的雙相鋼及其焊縫組織的要求。
3. WRC圖
WRC圖(見圖6-4)以鐵素體序數(FN)標示焊縫中的鐵素體量,該圖把FN擴大到100FN(相當于80%的鐵素體),被認為適合于判斷300系列奧氏體和雙相不銹鋼焊縫組織中的鐵素體含量。
Schaeffer 圖、Delong圖、WRC圖是歷年來根據焊縫的奧氏體形成元素C、N、Mn、Ni,以及鐵素體形成元素Cr、Mo、Si、Nb等對鐵素體的作用,計算鉻、鎳當量,繪制成的組織圖。這些圖是在不同時期考慮不同化學元素的影響繪制的,所以各有其特點,使用時應加以注意。
鐵素體含量的預測,只有當焊縫成分包括在ISO-FN線(0~100FN)范圍內才會準確(此線繪制在圖6-4里),該圖的極限決定于已有數據的范圍,延長線族將會得出錯誤的預測。
1992年美國推出WRC圖(見圖6-4),該圖能夠更精確地預測不銹鋼焊縫金屬中的鐵素體含量。圖6-4中,縱坐標Ni當量中考慮了N與Cu的因素。許多研究者研究了鐵素體-奧氏體混合不銹鋼中Cu(通常含Cu~2%)的影響,一致認為Cu對鐵素體含量有顯著影響。加人Cu后,可避免出現對焊縫中EN值評估過大。
為了使焊縫金屬型號、成分與其金相組織之間有一目了然的對應關系,又繪制了專用于焊縫金屬的薛夫勒(Schaeffer)圖,如路6-5所示。在圖6-5中還包括了奧氏體不銹鋼以外的其他不銹鋼。