304 和 316 不锈钢的焊接：填充金属、热输入与钝化

填充金属选择

默认原则是向上选用高一等级的填充金属进行焊接：

• 304/304L 使用 308L 填充金属焊接。
• 316/316L 使用 316L 填充金属焊接，该填充金属含有保持抗点蚀性能所需的钼。
• 异种接头（304 与碳钢）使用高合金填充金属，如 309L。

“L”非常重要：填充金属的碳含量保持在 0.03% 或以下，使熔敷金属本身能抵抗敏化。当母材为普通 304 或 316（非 L 级）时，使用 L 级填充金属并控制热输入是焊缝金属的主要防护措施。

热输入与敏化

在约 450 °C 至 850 °C 之间，铬与碳结合，在晶界形成碳化物——即敏化——留下贫铬区，这些区域会优先腐蚀（焊缝腐蚀、刀线腐蚀）。因此不锈钢的工艺与碳钢相反：

• 保持热输入低至中等（通常在 0.5–1.5 kJ/mm 范围内，取决于工艺）。
• 限制层间温度，通常为约 150 °C。
• 使用直焊道而非宽摆焊道，并在焊道之间让接头冷却。

奥氏体不锈钢的导热性也较差，热膨胀比碳钢大约多一半，因此变形控制（平衡焊接顺序、后退焊、足够的工装夹具）是工艺的一部分，而不是事后考虑的问题。

工艺要点

• 气体保护：管道和薄板焊缝的根部侧需要惰性背面气体（氩气吹扫），直至根部被数毫米厚的金属密封；氧化的、呈糖状的根部耐腐蚀性和疲劳性能都很差。
• 清洁度：使用不锈钢专用的刷子和磨具；与碳钢共用工具造成的铁污染会嵌入并生锈。焊接前脱脂。
• 切勿将不锈钢工件用作在附近打磨碳钢的工作台——打磨粉尘污染是出现不明锈斑的常见原因。

焊后：清理与钝化

焊接会留下回火色——一种贫铬氧化膜，其从稻草色到蓝色的颜色表明其下方的耐腐蚀性已降低。对于腐蚀工况，必须去除回火色和贫铬层：

1. 机械清理（不锈钢刷洗、细磨料）适用于轻工况。
2. 使用硝酸/氢氟酸膏或溶液进行酸洗，以完全恢复表面。
3. 在硝酸或柠檬酸中进行钝化（按照 ASTM A967 规程）可在已清洁的表面上重建氧化铬膜。钝化不是清洁剂——它不能去除重回火色或氧化皮。

正确焊接、清理和钝化的 316 接头，其耐腐蚀性能应与母材无区别；跳过焊后步骤通常是其达不到该性能的原因。

常见缺陷及其成因

• 气孔：几乎总是污染所致——接头表面有水分、油脂、油漆或锌，或保护问题（气体覆盖丧失、穿堂风）。不锈钢比碳钢更早显现污染气孔，因为熔池对脏污表面的容忍度更低。
• 糖状根部：背面吹扫不足；根部氧化成粗糙、发黑、易腐蚀的表面，无法从外部修复。
• 开裂：在 304/316 本身中很少见（熔敷金属中含有少量铁素体的奥氏体组织可抵抗凝固开裂），但在异种接头使用错误填充金属或碳污染进入熔池时确实存在风险——这也是使用专用工具和洁净焊丝的又一原因。