奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種。由于其在高溫、極低溫度（-196℃)下均具有優(yōu)良的塑韌性和冷熱加工性能和耐腐蝕性能，因此大量用于石油、化工、宇航及核工程等重要焊接結(jié)構(gòu)。奧氏體不銹鋼管焊接中的主要問題是焊接接頭熱裂紋和耐蝕性。

 奧氏體不銹鋼管焊接接頭的熱裂紋中最常見的是結(jié)晶（凝固）裂紋、熱影響區(qū)（液化）裂紋和高溫低塑性裂紋。

1. 焊縫凝固裂紋

 在奧氏體不銹鋼管焊接接頭中常常發(fā)現(xiàn)的凝固裂紋有焊縫縱向、橫向及火口裂紋（圖2-1)。這種裂紋是焊縫凝固過程在結(jié)晶后期產(chǎn)生的，所以稱凝固裂紋。凝固裂紋首先與奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大有關(guān)，它使焊縫在結(jié)晶過程產(chǎn)生較大的收縮變形和拉伸應(yīng)力，這是產(chǎn)生凝固裂紋的必要條件。結(jié)晶裂紋的另一個(gè)主要原因是某些容易形成低熔點(diǎn)共晶的元素例如S、P、B、Si、Nb等，在奧氏體基體中的溶解度很低，容易在粗大的方向性很強(qiáng)的柱狀晶、樹枝狀晶體之間偏析和形成低熔點(diǎn)共晶液態(tài)薄膜。當(dāng)在結(jié)晶后期，基體已經(jīng)結(jié)晶之后，低熔點(diǎn)共晶仍然以液態(tài)形式存在，受收縮拉應(yīng)力的作用，發(fā)生沿晶的開裂。圖2-2是00Cr25Ni20Nb奧氏體焊縫的結(jié)晶裂紋及其斷口上柱狀晶的形貌。

 采用國際焊接學(xué)會（IIW)推薦的可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)機(jī)對常用的奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性進(jìn)行了試驗(yàn)，測出表示凝固裂紋敏感程度的BTR(脆性溫度區(qū)間）和Emin(臨界最小應(yīng)變）。BTR越大Emin越小，表明凝固裂紋越敏感，表2-1中以304不銹鋼、321不銹鋼、347不銹鋼、316不銹鋼、310S不銹鋼為序，凝固裂紋敏感性加強(qiáng)。說明不同成分的奧氏體不銹鋼，凝固裂紋的敏感性也是不同的。表中 304不銹鋼、321不銹鋼、347不銹鋼的敏感性相當(dāng)且最小，310S不銹鋼最強(qiáng)，316不銹鋼居中。

 由上述凝固裂紋產(chǎn)生的原因可知防止凝固裂紋的措施之一，即是要盡可能地減少母材、焊材中有害元素的含量。

 奧氏體鋼焊縫中存在少量δ鐵素體（4%以上），對防止凝固裂紋有顯著的效果，表2-1中304不銹鋼、321不銹鋼、347不銹鋼的焊縫凝固裂紋敏感性較小，其主要原因就是即使是本身自熔焊縫中，焊后也會存在少量的δ鐵素體的緣故。所以奧氏體不銹鋼管的配套焊接材料常常在制造時(shí)即已考慮合金元素的含量匹配，使焊縫中形成符合要求的少量鐵素體。鐵素體的有利作用是對硫、磷、硅、鈮等元素溶解度較大，能防止這些元素的偏析和形成低熔點(diǎn)共晶。焊縫中的鐵素體數(shù)量是有控制的，過多的鐵素體相使焊縫塑韌性降低。而且假如在焊后又經(jīng)受熱處理時(shí)，可能發(fā)生δ→σ+γ'的轉(zhuǎn)變引起焊縫脆化，所以通常18-8、18-12-2等鋼的相應(yīng)焊材鐵素體的含量控制在4%~12%之間。

 另一方面在某些腐蝕環(huán)境，即使輕微的鐵素體也可能引起嚴(yán)重的問題，例如在尿素、醋酸等介質(zhì)中，焊縫中的鐵素體會發(fā)生選擇性腐蝕。純奧氏體的焊縫金屬，通過加入Mn、Mo、W、V、Ti可以改善其凝固裂紋敏感性，如尿素級不銹鋼的焊材00Cr25Ni22Mn4Mo2N、00Cr18Ni15Mn5Mo2N 鋼和耐硫酸、磷酸，有機(jī)酸抗孔蝕、應(yīng)力腐蝕用的00Cr20Ni24Mo5Cu等焊縫金屬雖然并不含有鐵素體相，但因Mn、Mo含量較高，仍具有良好的抗熱裂性能，焊接時(shí)不會產(chǎn)生凝固裂紋。Mn在焊縫金屬中可與S結(jié)合生成高熔點(diǎn)的MnS從而防止S的偏析和產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶，而Mo、W可提高熔池的結(jié)晶溫度，縮小結(jié)晶溫度范圍，V、Ti可以縮小脆性溫度區(qū)間BTR(表2-1)。因此均對防止凝固裂紋起良好作用。

2. 熱影響區(qū)（液化）裂紋

 奧氏體不銹鋼管焊接熱影響區(qū)常常可見到緊鄰熔合線處的熱裂紋。這種裂紋與焊縫凝固裂紋形成的原因相同，是由于母材中奧氏體晶界殘存著比基體熔點(diǎn)低的低熔點(diǎn)共晶薄膜，在焊接電弧加熱中發(fā)生熔化，并在隨后冷卻中受收縮拉應(yīng)力的作用而發(fā)生開裂。圖2-3是含硼304鋼熱影響區(qū)的液化裂紋。在多層（多道）焊縫中也會遇到液化裂紋，這種情況往往是先焊的焊道中鐵素體含量少或無鐵素體而存在低熔點(diǎn)共晶薄膜，在隨后的焊道的熱影響下發(fā)生開裂。同樣防止熱影響區(qū)液化裂紋的主要對策是盡可能減少可生成低熔點(diǎn)共晶的有害元素和偏析程度。因此在選用鋼材和焊材時(shí)，特別要注意有害元素的含，焊接時(shí)應(yīng)采用小的線能量的焊接工藝和規(guī)范，防止熱影響區(qū)過熱，以及注意接頭設(shè)計(jì)和焊接程序，盡可能減少焊接殘余應(yīng)力。

3. 高溫低塑性裂紋

  這種裂紋多數(shù)發(fā)生在單相奧氏體鋼及合金的熱影響區(qū)或多層焊縫中先一層（道）焊縫上，其產(chǎn)生的溫度范圍相當(dāng)于再結(jié)晶溫度，因此高溫低塑性裂紋產(chǎn)生在溫度比液化裂紋更低的熱影響區(qū)。對于奧氏體鋼，在低于固相線溫度以下的加熱過程和冷卻過程，其塑性變化是不同的（見圖2-4).在加熱過程中，起初隨溫度升高，塑性（ψ值）略有增加，在達(dá)到溫度t3時(shí)塑性開始降低。到達(dá)tnp時(shí)降至零。在冷卻過程中，塑性開始恢復(fù)，當(dāng)溫度降至t3時(shí)已接近原來加熱時(shí)的水平。但在t2~t1溫度范圍出現(xiàn)塑性降低。此時(shí)如果存在較大的收縮應(yīng)變，就會引起裂紋。表2-1中DTR是用可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)測出的奧氏體不銹鋼產(chǎn)生高溫低塑性裂紋的溫度。從表2-1的高溫低塑性裂紋開始和終了溫度及其范圍可知，310、316鋼分別在1200~840℃和1180~1050℃產(chǎn)生高溫低塑性裂紋，其溫度范圍相應(yīng)為350℃和130℃.而347、321、304三種鋼，既未發(fā)現(xiàn)裂紋也沒有測出產(chǎn)生裂紋的DTR溫度，表明穩(wěn)定型奧氏體鋼具有較大的高溫低塑性裂紋傾向。而亞穩(wěn)奧氏體鋼的敏感性較小，一般焊接過程中不會產(chǎn)生這種裂紋。

  奧氏體鋼及合金冷卻過程中出現(xiàn)塑性降低和產(chǎn)生高溫低塑性裂紋的機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，簡單說與熱影響區(qū)在“再結(jié)晶溫度”二次晶界的形成有關(guān)。二次晶界又與金屬在高溫下點(diǎn)陣缺陷（空位、位錯(cuò)）的運(yùn)動和晶界遷移等擴(kuò)散行為有關(guān)。因此凡是能提高“再結(jié)晶溫度”和增加擴(kuò)散激活能的因素都可以阻礙二次晶界的形成，從而降低高溫低塑性裂紋的敏感性。焊縫中的鐵素體可以有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動，使多層焊縫防止高溫低塑性裂紋。合金元素Mo、W、Ta、Ti等可有效地增加多邊化激活能，提高再結(jié)晶溫度，在鋼和焊縫中添加這些元素，都有利于防止高溫低塑性裂紋。

  奧氏體不銹鋼管的裂紋問題，曾經(jīng)是這類鋼最擔(dān)心的問題。因此也就成為奧氏體鋼管工藝焊接性的指標(biāo)。事實(shí)上，早期不銹鋼管中，熱裂紋是經(jīng)常出現(xiàn)的，相當(dāng)多的焊接結(jié)構(gòu)存在隱患，是“帶病”工作。隨著對奧氏體鋼管焊接裂紋的成因、不銹鋼管及焊接材料中元素對裂紋的影響、焊縫中鐵素體作用的研究以及新型焊接工藝的開發(fā)等，現(xiàn)在奧氏體不銹鋼管的熱裂紋，在實(shí)際焊接產(chǎn)品上已經(jīng)很少發(fā)現(xiàn)，顯著改進(jìn)了焊接性，提高了焊接結(jié)構(gòu)的安全程度，可以說奧氏體不銹鋼管熱裂紋已經(jīng)有辦法避免和清除。