不锈钢可分为四种类型：奥氏体、马氏体、铁素体和双相不锈钢（表1）。
这是基于不锈钢在室温下的金相组织。 当低碳钢加热到 1550°F 时，其结构从室温下的铁素体相转变为奥氏体相。 冷却时钢材焊接焊条选择，低碳钢的组织再次转变为铁素体。 高温下存在的奥氏体组织是无磁性的，并且比室温下的铁素体组织具有更小的强度和更好的韧性。
当钢中Cr含量大于16%时，室温下的铁素体组织被固定，使钢在所有温度范围内都保持铁素体状态。 因此，称为铁素体不锈钢。 当Cr含量大于17%、Ni含量大于7%时，奥氏体相被固定，使得从低温到接近熔点都保持奥氏体状态。
奥氏体不锈钢通常称为“Cr-Ni”型，马氏体和铁素体不锈钢直接称为“Cr”型。 不锈钢和填充金属中的元素可分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素。 主要奥氏体形成元素为Ni、C、Mn、N，铁素体形成元素为Cr、Si、Mo、Nb。 调整元素含量可以控制焊缝中的铁素体含量。
奥氏体不锈钢比含Ni低于5%的不锈钢更容易焊接，焊接质量也更好。 奥氏体不锈钢的焊接接头非常坚固且坚韧，一般不需要焊前预热和焊后热处理。 在不锈钢焊接领域，奥氏体不锈钢占所有不锈钢消耗量的80%，因此本文的重点是奥氏体不锈钢的焊接。
如何选择正确的不锈钢焊材？
如果母材相同，则第一条规则是“匹配母材”。 例如焊接310或316不锈钢时，选择相应的焊材。
焊接异种材料时，请遵循选择与高合金元素含量相匹配的母材的准则。 例如焊接304、316不锈钢时，选用316型焊材。
但也有很多特殊情况没有遵循“匹配母材”的原则。 这种情况，就需要“查看焊接材料选用表”。 例如，304型不锈钢是最常见的基材，但没有304型焊条。
如果焊接材料需要与母材相匹配，那么如何选择焊接材料来焊接304不锈钢呢？
焊接304不锈钢时，应使用308型焊材，因为308不锈钢中的额外元素可以更好地稳定焊缝区域。
308L也是一个可以接受的选择。 L表示低碳含量，3XXL不锈钢表示碳含量≤0.03%，而标准3XX不锈钢的碳含量最高可达0.08%。
由于L型焊材与非L型焊材属于同一类型分类，因此制造商应特别考虑使用L型焊材，因为其低碳含量可以降低晶间腐蚀的倾向。
使用GMAW焊接方法的制造商也在考虑使用3XXSi型焊材，因为Si可以改善润湿性。 当焊件有较大的鼓包或角焊缝或搭接焊缝的焊趾处熔池连接不良时，使用含硅气体保护焊丝可以润湿焊缝，提高熔敷率。
如果考虑碳化物析出，可选用含有少量Nb元素的347型焊材（最后一个问题）。
不锈钢和碳钢如何焊接？
为了降低成本，有些结构件会在碳钢表面焊接一层耐腐蚀层。 将不含合金元素的母材焊接到含有合金元素的母材时，请使用合金含量较高的焊接材料来平衡焊缝中的稀释率。
当焊接碳钢和304或316不锈钢，以及焊接其他异种不锈钢时（表2），大多数情况下考虑使用309L焊材。 如果想要获得更高的 Cr 含量，请选择 312 型。
需要指出的是，奥氏体不锈钢的热膨胀率比碳钢高50%。 焊接时，热膨胀率的差异会产生内应力，从而导致裂纹。 在这种情况下，就需要选择合适的焊接材料或指定合适的焊接工艺（下图）。
图3 碳钢和不锈钢焊接时，不同热膨胀率引起的翘曲变形需要更大程度的补偿。
什么是适当的焊前清洁操作？
焊接到其他材料时，首先使用不含氯化物的溶剂去除油污、痕迹和灰尘。 另外，焊接不锈钢时首先要注意的是避免被碳钢污染而影响耐腐蚀性能。 一些公司将不锈钢和碳钢分开存放，以避免交叉污染。 清洁斜面周围区域时，请使用专为不锈钢设计的砂轮和刷子。 有时需要对接头进行第二次清洁。 由于焊接不锈钢时的电极补偿操作比焊接碳钢时更困难，因此接头清洁非常重要。
正确的焊后清洁做法是什么？ 不锈钢焊件为什么会生锈？
首先我们回顾一下，不锈钢之所以不生锈，是因为Cr与O反应在材料表面形成致密的氧化层，起到保护作用。 不锈钢生锈的原因是碳化物的析出（见最后一个问题）以及焊接过程中加热导致焊件表面形成氧化铁。 在焊接状态下，完美的焊件也可能在24小时内在焊接热影响区边界的生锈区域产生咬边。
因此，为了再生新的氧化铬，不锈钢焊后需要进行抛光、酸洗、抛光或水洗。 需要强调的是，打磨机和刷子必须专用。
不锈钢焊丝为什么有磁性？
全奥氏体结构的不锈钢是无磁性的。 然而，焊接过程中较高的温度会导致组织中的晶粒长大，并增加焊接后的裂纹敏感性。 为了降低热裂纹敏感性，焊接材料制造商在焊接材料中添加了铁素体形成元素（如下）。 铁素体相使奥氏体晶粒变细，从而提高抗裂性能。
图4 为了避免热裂纹，大多数奥氏体焊接材料都含有少量的铁素体。 图为309L焊材中铁素体相（灰色部分）分布在奥氏体基体上。
磁铁不会吸引奥氏体焊缝金属，但握住磁铁时会感觉到轻微的吸引力。 然而，这也导致一些用户误认为产品贴错标签或使用了错误的焊接材料（特别是当包装上的标签被撕掉时）。
焊接材料中铁素体的含量取决于应用的工作温度。 例如，过多的铁素体会降低低温下的韧性。 因此，LNG管道用308型焊材的铁素体数在3-6之间，而标准308型焊材的铁素体数为8。总之，焊接材料可能看起来很相似，但成分上的微小差异有时会造成不同的结果。巨大差距。
如何更轻松地焊接双相不锈钢？
通常，双相不锈钢组织中奥氏体相和铁素体相各占50%左右。 铁素体相的存在提高了强度和耐应力腐蚀性能，而奥氏体相提高了韧性。 两相的综合作用使双相不锈钢的性能更加出色（图5）。 双相不锈钢种类繁多，最常见的型号是2205：含22% Cr、5% Ni、3% Mo 和0.15% N。
图5双相不锈钢结合了铁素体和奥氏体的优点。图中为双相焊缝组织，奥氏体相（白色部分）分布在铁素体基体上。
焊接双相不锈钢时钢材焊接焊条选择，过多铁素体的存在可能会导致问题（电弧的热量导致铁素体基体中的原子重新排列）。 为此，焊接材料需要提供更多的奥氏体形成元素，通常比母材多2-4%的Ni。 例如，焊接2205不锈钢时使用的药芯焊丝含有8.85%的Ni。
焊接后，焊缝中的铁素体含量在25-55%之间（可能更高）。 注意：焊后冷却速度应足够慢，以重新形成奥氏体，但不能太慢，因为金属间相会沉淀，也不能太快，因为热影响区会产生过多的铁素体。 请务必遵循制造商的焊接程序和耗材选择手册。
为什么焊接不锈钢时需要随时调整参数？
焊工在焊接不锈钢时随时调整焊接参数（电压、电流、弧长、感应系数、脉冲宽度等）的主要原因是焊接材料成分不匹配。 化学成分很重要，批次之间成分的差异可能会导致焊接行为的巨大差异，例如润湿和脱渣不良。 焊接材料直径、表面清洁度、浇注特性和螺旋形状都会影响 GMAW 和 FCAW 期间的焊接行为。
如何控制奥氏体不锈钢中碳化物的析出？
在800-1600°F时，当碳含量超过0.02%时，C将扩散迁移至奥氏体晶界，并与晶界处的Cr反应，形成碳化铬。 如果Cr被大量C元素固定，则耐腐蚀性会下降。 如果此时暴露在腐蚀环境中，就会发生晶间腐蚀，导致晶界被侵蚀（图6）。
图6 在充满腐蚀介质的水箱中，焊接热影响区发生晶间腐蚀。 采用含碳量较低的焊接材料或特殊合金化，可减少碳化物析出倾向，增强耐腐蚀性能。
为了控制碳化物析出，采用含碳量较低的焊接材料，保证焊缝金属中的碳含量尽可能低（最多不超过0.04%）。 C也可以通过添加Nb和Ti元素来固定，它们与C的亲和力比Cr元素更大。 347 型焊接材料就是为此目的而设计的。
选择焊材时要做好哪些准备？
首先，收集焊件最终应用的信息，包括使用环境（特别是使用温度、是否存在腐蚀介质、以及预期的耐腐蚀性程度）和预期的使用寿命。 有关使用条件下所需机械性能的信息也很重要，例如强度、韧性、塑性和疲劳性能。
大多数领先的焊接耗材制造商都提供选择焊接耗材的指导手册。 在此，笔者再次强调：建议参考焊材使用手册或联系其技术专家。 它们将帮助我们更正确地选择不锈钢焊接材料。
