合金元素对不锈钢焊管焊缝性能和显微组织的影响

（1）氮的影响由于在奥氏体不锈钢焊管中加入氮可以稳定奥氏体组织，其作用相当于镍的25倍左右（Nieq-Ni%+0.5Mn+30C/%+25N%），氮还可提高强度，提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀性能、点腐蚀性能和耐缝隙腐蚀性能。因此，近年来，以氮代镍的经济型高氮合金不锈钢焊管迅速发展。焊接这类不锈钢焊管时可采取保护气体中添加氮气的方法来提高焊接接头的质量.M.DU TOIT和P.CPISTORIUS2D）研究了母材中氮的含量、表面活性元素和保护气体中氮气的分压对焊缝中氮的影响，并建立了氮的吸收和分解模型。保护气体中氮气的分压比较低时，焊缝中氮的含量随保护气体中氮含量的增加而增加。保护气体中氮气的分压较高时，焊缝中氮的吸收可被氮气的逸出所平衡。这种氮平衡的状态不会被低硫合金的母材影响，但在高硫合金母材中，母材中氮的含量越高，焊缝中氮的含量也越高。随着母材中氮含量的提高，焊缝中的氮饱和值也会增大。因此在高硫合金中，保护气体中氮气的含量很少就可使焊缝中的氮达到饱和。

文献认为，随着氩气中氮气的增加，焊接电压升高，因而在相同的电流和焊速的情况下，热输入增加，峰值温度提高，残余应力增加；因氮是奥氏体形成元素，随氮气含量的增加，铁素体量呈线性下降，也会导致残余应力的增加，因此保护气体中氮气量越高，残余应力越大。当保护气体中氮气的含量不超过20%时，铁素体的含量在低热输入时比高热输入时高，这是由于低热输入时，焊缝冷却速度快，高温相铁素体来不及发生转变而残留在奥氏体中。

氮对奥氏体不锈钢焊管焊接的影响一直存在争议。氮对晶间腐蚀没有明显的影响，但氮对热裂纹则有较大的影响：（1）N可改变奥氏体的结晶模式，随焊缝中氮的增加，焊缝的结晶模式可从AF/FA模式转变到AF模式，A模式，从而提高焊缝的热裂纹敏感性：（2）由于氮可提高焊缝的热输入，Ar气中加入5%的N2后，峰值温度可提高30~50℃，因而焊缝中的氮还有使晶粒粗化的效果。

氮对焊缝热裂纹的影响与钢的纯净度有关。当P+S的水平相对较低（316LN不锈钢焊管含0.031%P，0.001%S）时，氮对热裂纹几乎没有什么影响。随P+S含量的增高，裂纹敏感性增加。硫对含氮焊缝的热裂敏感性尤为严重。

（2）硫、磷的影响硫、磷在焊接奥氏体钢时极易形成低熔点化合物，增加焊接接头的热裂倾向。磷容易在焊缝中形成低熔点磷化物，增加热裂敏感性，而硫则容易在焊接热影响区形成低熔点硫化物而增加热裂敏感性，即硫对结晶裂纹的敏感性低于磷，这是因为在焊缝中硫能形成Mns，并且离散地分布在焊缝中。在HAZ，碗比磷对裂纹敏感性更强，这是因为硫比磷的扩散速度快，更容易在晶界偏析。

（3）硅的影响在过去的20多年里，硅已经作为一种合金元素添加到钢中，形成高硅合金不锈钢焊管，用于高氧化环境如硝酸介质中。Si是铁素体形成元素，焊缝中含硅量大于49%之后，碳的活动能力增加，形成碳化物或碳氮化合物，因此，为了提高抗晶间腐蚀能力，必须使碳含量不超过0.02%。此外，si含量增加，还会导致含硅脆性相析出，δ相区的扩大，以及形成N-Si.Fe-Si.

（3）C-Ni-Si-Fe等低熔点化合物，从而增加热裂敏感性。用扫描电镜可以观察到在高温时，含硅相不仅存在于HAZ区，也存在于焊缝中。高Si不锈钢焊管的焊接性较差，焊接这类钢时，首先应该注意焊缝中和高温时HAZ区脆性相的偏析，其次还应注意在600℃~800℃时HAZ区晶间相的析出。

（4）氢的影响由于氢在奥氏体中的溶解度较大，活动性较强，使得奥氏体钢可用在一些含氢量较高的介质中。目前一些研究证明，在一些环境中，奥氏体中的氢也有一些有害影响，但不如碳钢明显，例如，在单一的奥氏体组织中，室温下氢化奥氏体的显微组织可出现表面延迟裂纹，并且促使奥氏体转变为e-M或a-M，氢还会显著降低簿板材料的延性、降低焊缝的疲劳寿命；在高压氢和塔融盐溶解液中氢可降低焊缝的机械性能。此外，不锈钢焊管充氢后表面会出现裂纹，也会诱发马氏体相变，硬度值提高。硬度值和含氢量有关，含氢量越高，硬度值越大。e-M的形成对硬度值的改变并没有多大的影响，硬度值提高的原因主要与氢溶入奥氏体晶格，使表面承受压应力有关，当氢浓度Co超过临界值Co"（对于304不锈钢焊管来说，Co"=（25~30）×10-6）后，焊缝金属和母材就会出现氢致马氏体M（e+a'），并且随氢浓度的升高而升高。氢致马氏体引起的塑性损失则随马氏体量的升高而线性升高。