珠光體耐熱鋼的焊接

1、珠光體耐熱鋼的焊接珠光體耐熱鋼以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金鋼為主，加人合金元素 Cr、 Mo V,有時(shí)還加人少量 W Ti、Nb> B等，合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 10% 低、中合金珠光體耐熱鋼具有很好的抗氧化性和熱強(qiáng)性，工作溫度可高達(dá)仗舊C, 廣泛用于制造蒸汽動(dòng)力發(fā)電設(shè)備。這類鋼還具有良好的抗硫和氫腐蝕的能力，在石 油、化工、電力和其他工業(yè)部門也得到了廣泛的應(yīng)用。珠光體耐熱鋼Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.50.9%, Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.5%iE 1%隨著Cr、Mo含量的增加，鋼的抗氧化性、高溫強(qiáng)度和抗硫化物腐蝕性能也都 增加。在Cr-Mo鋼中加入少量的 W Ti、Nb>

2、V等元素后，可進(jìn)一步提高鋼的熱強(qiáng) 性。珠光體耐熱鋼的合金系基本上是：Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-W-V、Cr-Mo-W-V-B、Cr-Ma-V-Ti-B 等。合金元素Cr能形成致密的氧化膜，提高鋼的抗氧化性能。當(dāng)鋼中碳含量小于 1.5%時(shí)，隨Cr的增加鋼的蠕變強(qiáng)度也增加；大于 1.5%后，鋼的蠕變強(qiáng)度隨含銘量 的增加而降低。M冊(cè)耐熱鋼中的強(qiáng)化元素，形成碳化物的能力比Cr弱，Mo優(yōu)先溶人固溶體，強(qiáng)化固溶體。Mo的熔點(diǎn)高達(dá)2625 C,固溶后可提高鋼的再結(jié)晶溫度， 有效地提高鋼的高溫強(qiáng)度和抗蠕變能力。Mo可以減小鋼材的熱脆性，還可以提高 鋼材的抗腐蝕能力。鋼中的V能形成細(xì)小彌散的碳化物

3、和氮化物，分布在晶內(nèi)和晶界，阻礙碳化 物聚集長大，提高蠕變強(qiáng)度。V與C的親和力比Cr和Mo大，可阻礙Cr和Mo形成 碳化物，促進(jìn)Cr和Mo的固溶強(qiáng)化作用。鋼中的 V含量不宜過高，否則V的碳化物 高溫下會(huì)聚集長大，造成鋼的熱強(qiáng)性下降，或使鋼材脆化。鋼中W的作用和Mo相似，能強(qiáng)化固溶體，提高再結(jié)晶溫度，增加回火穩(wěn)定性，提高蠕變強(qiáng)度。鋼中 Nb 和Ti都是碳化物形成元素，可以析出細(xì)小彌散的金屬間化合物，提高鋼材的高溫 強(qiáng)度、抗品間腐蝕能力和抗氧化能力，并可顯著提高蠕變強(qiáng)度，改善鋼的焊接性。鋼中加人B 和稀土元素，可凈化晶界，提高晶界強(qiáng)度，阻止晶粒長大，提高鋼的蠕變強(qiáng)度。珠光體耐熱鋼的室溫強(qiáng)度并不太高

4、，通常是在退火狀態(tài)或正火+回火狀態(tài)供貨，在正火+同火或淬火十回火狀態(tài)下使用。合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.5%時(shí)，鋼的組織為珠光體+鐵素體；合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%時(shí)，為貝氏體十鐵素體（即貝氏體耐熱鋼）。這類鋼在500600具有良好的耐熱性，工藝性能好，又比較經(jīng)濟(jì)，是電力、石油和化工部門用于高溫條件下的主要結(jié)構(gòu)材料，如用于加氫、裂解氫和煤液化的高壓容器等。但這類鋼在 高溫長期運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)碳化物球化及碳化物聚集長大等現(xiàn)象。厚度不超過30mmi勺Moffi和Mn-M硼可以在熱軋狀態(tài)供貨或使用.其他的耐熱鋼應(yīng)以熱處理狀態(tài)供貨。熱處理的目的是使鋼材獲得所要求的組織、晶粒尺寸和力 學(xué)性能。為了提高耐熱鋼的

5、熱強(qiáng)性，可通過以下三種合金化方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化：（1）基體固溶強(qiáng)化加人合金元素強(qiáng)化鐵素體基體，常用的 Cr、Mo W Nb元 素能顯著提高熱強(qiáng)性。其中，Mo W的固溶強(qiáng)化作用最顯著；Cr在1%左右的強(qiáng)化 作用已很顯著，繼續(xù)增加Cr 含量的強(qiáng)化效果不顯著，但可提高持久強(qiáng)度。（ 2）第二相沉淀強(qiáng)化在鐵素休為基體的耐熱鋼中，強(qiáng)化相主要是合金碳化物。沉淀強(qiáng)化作用可維持到0.7TM （TM為熔點(diǎn)），固溶強(qiáng)化效果在 0.6TM以上顯著減弱。但碳化物種類、形態(tài)及其彌散度對(duì)熱強(qiáng)性影響很大，其中體心立方晶系的碳 化物最為有效。（ 3）晶界強(qiáng)化加人微量元素（RE、 B、 Ti + B 等）能吸附于晶界，延緩合金元素沿晶

6、界的擴(kuò)散，從而強(qiáng)化晶界。在能形成穩(wěn)定合金碳化物的前提下，提高含碳量對(duì)熱強(qiáng)性是有利的。碳和強(qiáng)碳化物形成元素的含量要有適宜的配合。若鋼中不存在強(qiáng)碳化物形成元素時(shí)，例如Mo鋼或低Cr-Mo鋼，提高含碳量不利于提高熱強(qiáng)性。在低合金耐熱鋼中，Cr對(duì)熱強(qiáng)性的影響比較復(fù)雜。最佳 CR含量同鋼中其他成分有關(guān)，也與試驗(yàn)溫度有關(guān)。珠光體耐熱鋼的焊接性分析珠光體耐熱鋼的焊接性與低碳調(diào)質(zhì)鋼相近，焊接中存在的主要間題是冷裂紋、熱影響區(qū)的硬化、軟化，以及焊后熱處理或高溫長期使用中的消除應(yīng)力裂紋（SRH紋）。如果焊接材料選擇不當(dāng)，焊縫中還有可能產(chǎn)生熱裂紋。1. 熱影響區(qū)硬化及冷裂紋珠光體耐熱鋼中的Cr、Mo元素能顯著提高鋼

7、的淬硬性，這些合金元素推遲了冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性。對(duì)于成分一定的耐熱鋼，最高硬度取決于奧氏體相的冷卻速度。在焊接熱輸人過小時(shí)，熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬組織；焊接熱輸人過大時(shí)，熱影響區(qū)晶粒明顯粗化。淬硬性大的珠光體耐熱鋼焊接中可能出現(xiàn)冷裂紋，裂紋傾向一般隨著鋼材中Cr、Mg量的提高而增大。當(dāng)焊縫中擴(kuò)散氫含量過高、焊接熱輸人較小時(shí)，由于淬硬組織和擴(kuò)散氫的作用，常在珠光體耐熱鋼的焊接接頭中出現(xiàn)冷裂紋。可采用低氫焊條和控制焊接熱輸入在合適的范圍，加上適當(dāng)?shù)念A(yù)熱、后熱措施，來避免產(chǎn)生焊接冷裂紋。實(shí)際焊接生產(chǎn)中，正確選定預(yù)熱溫度和焊后回火溫度對(duì)防止冷裂紋是非常重要的。2 .消除應(yīng)力裂紋

8、（SR裂紋）珠光體耐熱鋼消除應(yīng)力裂紋取決于鋼中碳化物形成元素（Mo V等）的特性及其含量。消除應(yīng)力裂紋出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，與焊接工藝及焊接殘余應(yīng)力有關(guān)。這種裂紋一般在540700的敏感溫度范圍形成，裂紋傾向還取決于熱處理制度。采用大熱輸入的焊接方法時(shí)，如多絲埋弧焊或帶極埋弧焊，在接頭處高拘 束應(yīng)力作用下，焊層間或堆焊層下的過熱區(qū)易出現(xiàn)消除應(yīng)力裂紋。珠光休耐熱鋼中的Mg量增多時(shí)，Cr對(duì)消除應(yīng)力裂紋白影響也增大。MO勺質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加至1%時(shí)，消除應(yīng)力裂紋敏感性最大的Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.0%降低至0.5%。但鋼中如有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的V元素時(shí)，即使Mo含量在0.5%,消 除應(yīng)力裂

9、紋傾向也很大。鋼中 V含量增加，碳的影響也加劇， V Nb> Ti對(duì)S嚓 紋敏感性的影響中V的影響最顯著。防止消除應(yīng)力裂紋的措施如下：1）采用高溫塑性高于母材的焊接材料，限制母材和焊接材料的合金成分，特別是要嚴(yán)格限制V、 Ti 、 Nb 等合金元素的含量到最低的程度。2）將預(yù)熱溫度提高到250以上，層間溫度控制在300左右。3）采用小熱輸入的焊接工藝，減小焊接過熱區(qū)寬度，細(xì)化晶粒。4）選擇合適的熱處理制度、避免在敏感溫度區(qū)間停留較長時(shí)間。3 . 回火脆性鉻鋁耐熱鋼及其焊接接頭在350500溫度區(qū)間長期運(yùn)行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。產(chǎn)生回火脆性的主要原因，是由于在回火脆化溫度范圍內(nèi)

10、長期加熱后，雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏析而引起的晶界脆化；此外，與促進(jìn)回火脆化的元素 Mn 、 Si 也有關(guān)。因此，對(duì)十基體金屬來說，嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)元素的含量，獲得低回火脆性的焊縫金屬須嚴(yán)格控制F和Si含量，同時(shí)降低Si、Mo含量是解決回火脆性的有效措施。2. 25Cr-1Mo 耐熱鋼是在電力、石油化工行業(yè)廣泛應(yīng)用的鋼種。這種鋼具有良好的抗氫腐蝕、抗回火脆化、抗再熱脆化等性能。2.25G-1 Mo 鋼抗回火脆性的特點(diǎn)如下：1）是否脆化，可用回火前后沖擊試驗(yàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的變化加以比較。2）含有P、Sb、Sn> As等雜質(zhì)元素的低合金鋼，在 375575c溫度區(qū)間長時(shí) 間加熱易發(fā)生脆化。脆化試

11、樣的沖擊斷口是從原奧氏體晶界啟裂的。發(fā)生脆化的鋼加熱到某一溫度以上，韌性可得到恢復(fù)。3）除雜質(zhì)元素外，Mn Si、Cr、Ni也加劇脆化，而Mo W可推遲脆化過 程。4）化學(xué)成分相同的鋼，其脆化程度隨著組織不同依如下順序減?。厚R氏體、貝氏體、珠光體。若奧氏體晶粒粗大，其脆化程度也大。焊縫金屬回火脆化的敏感性比鍛、軋材料更明顯，因?yàn)楹附硬牧现械碾s質(zhì)難以控制。一般認(rèn)為要獲得低回火脆性的焊縫金屬必須嚴(yán)格控制P 和 Si 的含量，通過俄歇電子能譜觀察到P 在晶界上的偏析，而且偏析的濃度與Si 含量有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn) Si 和 P 在晶界上形成Si-P 復(fù)合物，促使晶界脆化，因此除了要嚴(yán)格限制雜質(zhì) P 含量

12、外，焊縫中Si 含量要控制在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%以下。珠光體耐熱鋼的焊接工藝特點(diǎn)珠光體耐熱鋼一般在預(yù)熱狀態(tài)下焊接，焊后大多要進(jìn)行高溫回火處理。珠光體耐熱鋼定位焊和正式施焊前都需預(yù)熱，若焊件剛性大，宜整體預(yù)熱。焊條電弧焊時(shí)應(yīng)盡量減小接頭的拘束度。焊接過程中保持焊件的溫度不低于預(yù)熱溫度（包括多層焊時(shí)的層間溫度），盡量避免中斷，不得已中斷焊接時(shí)，應(yīng)保證焊件緩慢冷卻。重新施焊的焊接件焊前仍須預(yù)熱，焊接完畢應(yīng)將焊件保持在預(yù)熱溫度以上數(shù)小時(shí)，然后再緩慢冷卻。焊縫正面的余高不宜過高。1. 常用焊接方法和焊接材料（ 1）焊接方法焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、電渣焊、鎢極抵弧焊等均可用于珠光體耐熱鋼的焊

13、接。但是，常用的焊接方法以焊條電弧捍為主， 理弧焊和電渣焊也經(jīng)常應(yīng)用，氣體保護(hù)焊和窄間隙焊也正在擴(kuò)大應(yīng)用。鎢極缸弧焊用于管道生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，但當(dāng)母材Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí)，焊縫背面應(yīng)通氛氣保護(hù)，以改善成形，防止焊縫表面氧化。鎢極氫弧焊具有超低氫的特點(diǎn)，焊接時(shí)可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫度。這種焊接方法的缺點(diǎn)是焊接效率低，生產(chǎn)中往往采用鎢極氫弧焊焊接根部焊道，而填充層采用其他高效率的焊接方法，以提高生產(chǎn)率。低合金耐熱鋼的管件和棒材可采用電阻壓力焊、感應(yīng)加熱壓力焊以及電阻感應(yīng)焊。這些焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是無需填充金屬，但須嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，才能獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。在焊接合金含量較高的耐熱鋼時(shí)，必須

14、向焊接區(qū)吹送A:等保護(hù)氣體，以保證接頭的致密性。此外，局部加熱往往導(dǎo)致Cr-Mo鋼焊后產(chǎn)生低塑性組織，而需對(duì)接頭區(qū)作相應(yīng)的熱處理。（ 2）焊接材料的選用為了保證焊縫性能與母材匹配，具有必要的熱強(qiáng)性，珠光體耐熱鋼的焊縫成分應(yīng)與母材相近，這與其他合金結(jié)構(gòu)鋼不同。為了防止焊縫有較大的熱裂傾向，焊縫中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求比母材低一些。實(shí)踐中，若焊接材料選擇適當(dāng)，焊縫的性能是可以和母材匹配的。珠光體耐熱鋼焊接材料的選擇原則是：焊縫金屬的合金成分及使用溫度下的強(qiáng)度性能應(yīng)與母材相應(yīng)的指標(biāo)一致?；驊?yīng)達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)條件提出的最低性能指標(biāo)。焊件如焊后需經(jīng)退火、正火或熱成形等熱處理或熱加工，應(yīng)選擇合金成分或強(qiáng)度級(jí)別較高的焊接材料。珠光體耐熱鋼焊接材料的選用見表3-35 0 當(dāng)需要將珠光體耐熱鋼和普通碳鋼焊在一起時(shí)，一般選用珠光體耐熱鋼焊條或焊絲進(jìn)行焊接?？刂坪附硬牧系暮渴欠乐购附恿鸭y的主要措施之一，而珠光體耐熱鋼所 用的焊條和焊荊都容易吸潮。在焊接工藝要求中應(yīng)規(guī)定焊條和焊劑的保存和烘千制 度。焊