珠光体耐热钢的焊接

珠光体耐热钢的焊接

珠光体耐热钢以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金钢为主，加人合金元素Cr、 Mo、 V，有时还加人少量W、Ti、Nb、B等，合金元素总的质量分数小于10%。低、中合金珠光体耐热钢具有很好的抗氧化性和热强性，工作温度可高达仗旧℃，广泛用于制造蒸汽动力发电设备。这类钢还具有良好的抗硫和氢腐蚀的能力，在石油、化工、电力和其他工业部门也得到了广泛的应用。

珠光体耐热钢Cr的质量分数一般为0.5~0.9%，Mo的质量分数一般为0.5%或1%。随着Cr、Mo含量的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。在Cr-Mo钢中加入少量的W、Ti、Nb、V等元素后，可进一步提高钢的热强性。珠光体耐热钢的合金系基本上是：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，提高钢的抗氧化性能。当钢中碳含量小于 1.5%时，随Cr的增加钢的蠕变强度也增加；大于1.5%后，钢的蠕变强度随含铬量的增加而降低。Mo是耐热钢中的强化元素，形成碳化物的能力比Cr弱，Mo优先溶人固溶体，强化固溶体。Mo的熔点高达2625 ℃，固溶后可提高钢的再结晶温度，有效地提高钢的高温强度和抗蠕变能力。Mo可以减小钢材的热脆性，还可以提高钢材的抗腐蚀能力。

钢中的V能形成细小弥散的碳化物和氮化物，分布在晶内和晶界，阻碍碳化物聚集长大，提高蠕变强度。V与C的亲和力比Cr和Mo大，可阻碍Cr和Mo形成碳化物，促进Cr和Mo的固溶强化作用。钢中的V含量不宜过高，否则V的碳化物高温下会聚集长大，造成钢的热强性下降，或使钢材脆化。钢中W的作用和Mo相似，能强化固溶体，提高再结晶温度，增加回火稳定性，提高蠕变强度。钢中Nb和Ti都是碳化物形成元素，可以析出细小弥散的金属间化合物，提高钢材的高温强度、抗晶间腐蚀能力和抗氧化能力，并可显著提高蠕变强度，改善钢的焊接性。钢中加人B和稀土元素，可净化晶界，提高晶界强度，阻止晶粒长大，提高钢的蠕变强度。

珠光体耐热钢的室温强度并不太高，通常是在退火状态或正火+回火状态供货，在正火+同火或淬火十回火状态下使用。

合金元素的质量分数小于2.5%时，钢的组织为珠光体+铁素体；合金元素的质量分数大于3%时，为贝氏体十铁素体（即贝氏体耐热钢）。这类钢在500~600℃具有良好的耐热性，工艺性能好，又比较经济，是电力、石油和化工部门用于高温条件下的主要结构材料，如用于加氢、裂解氢和煤液化的高压容器等。但这类钢在高温长期运行中会出现碳化物球化及碳化物聚集长大等现象。

厚度不超过30mm的Mo钢和Mn-Mo钢可以在热轧状态供货或使用.其他的耐热钢应以热处理状态供货。热处理的目的是使钢材获得所要求的组织、晶粒尺寸和力学性能。

为了提高耐热钢的热强性，可通过以下三种合金化方式实现强化：

（1）基体固溶强化加人合金元素强化铁素体基体，常用的Cr、Mo、W、Nb元素能显著提高热强性。其中，Mo、W的固溶强化作用最显著；Cr在1%左右的强化作用已很显著，继续增加Cr含量的强化效果不显著，但可提高持久强度。

（2）第二相沉淀强化在铁素休为基体的耐热钢中，强化相主要是合金碳化物。沉淀强化作用可维持到0.7TM（TM为熔点），固溶强化效果在0.6TM以上显著减弱。但碳化物种类、形态及其弥散度对热强性影响很大，其中体心立方晶系的碳化物最为有效。

（3）晶界强化加人微量元素（RE、B、Ti + B等）能吸附于晶界，延缓合金元素沿晶界的扩散，从而强化晶界。

在能形成稳定合金碳化物的前提下，提高含碳量对热强性是有利的。碳和强碳化物形成元素的含量要有适宜的配合。若钢中不存在强碳化物形成元素时，例如Mo钢或低Cr-Mo钢，提高含碳量不利于提高热强性。

在低合金耐热钢中，Cr对热强性的影响比较复杂。最佳CR含量同钢中其他成分有关，也与试验温度有关。

珠光体耐热钢的焊接性分析

珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存在的主要间题是冷裂纹、热影响区的硬化、软化，以及焊后热处理或高温长期使用中的消除应力裂纹（SR裂纹）。如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。

1.热影响区硬化及冷裂纹 珠光体耐热钢中的Cr、 Mo元素能显著提高钢的淬硬性，这些合金元素推迟了冷却过程中的组织转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。对于成分一定的耐热钢，最高硬度取决于奥氏体相的冷却速度。在焊接热输人过小时，热影响区易出现淬硬组织；焊接热输人过大时，热影响区晶粒明显粗化。

淬硬性大的珠光体耐热钢焊接中可能出现冷裂纹，裂纹倾向一般随着钢材中Cr、Mo含量的提高而增大。当焊缝中扩散氢含量过高、焊接热输人较小时，由于淬硬组织和扩散氢的作用，常在珠光体耐热钢的焊接接头中出现冷裂纹。可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围，加上适当的预热、后热措施，来避免产生焊接冷裂纹。实际焊接生产中，正确选定预热温度和焊后回火温度对防止冷裂纹是非常重要的。

2.消除应力裂纹（SR裂纹）

珠光体耐热钢消除应力裂纹取决于钢中碳化物形成元素（Mo、V等）的特性及其含量。消除应力裂纹出现在焊接热影响区的粗晶区，与焊接工艺及焊接残余应力有关。这种裂纹一般在540~700℃的敏感温度范围形成，裂纹倾向还取决于热处理制度。采用大热输入的焊接方法时，如多丝埋弧焊或带极埋弧焊，在接头处高拘束应力作用下，焊层间或堆焊层下的过热区易出现消除应力裂纹。

珠光休耐热钢中的Mo含量增多时，Cr对消除应力裂纹的影响也增大。MO的质量分数从0.5%增加至1%时，消除应力裂纹敏感性最大的Cr的质量分数从1.0%降低至0.5%。但钢中如有质量分数为0.1%的V元素时，即使Mo含量在0.5%，消除应力裂纹倾向也很大。钢中V含量增加，碳的影响也加剧，V、Nb、Ti对SR裂纹敏感性的影响中V的影响最显著。

防止消除应力裂纹的措施如下：

1）采用高温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，特别是要严格限制V、Ti、 Nb等合金元素的含量到最低的程度。

2）将预热温度提高到250℃以上，层间温度控制在300℃左右。 3）采用小热输入的焊接工艺，减小焊接过热区宽度，细化晶粒。 4）选择合适的热处理制度、避免在敏感温度区间停留较长时间。 3.回火脆性

铬铝耐热钢及其焊接接头在350~500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。产生回火脆性的主要原因，是由于在回火脆化温度范围内长期加热后，杂质元素在奥氏体晶界偏析而引起的晶界脆化；此外，与促进回火脆化的元素Mn 、Si也有关。因此，对十基体金属来说，严格控制有害杂质元素的含量，获得低回火脆性的焊缝金属须严格控制F和Si含量，同时降低Si 、 Mo含量是解决回火脆性的有效措施。

2. 25Cr-1Mo耐热钢是在电力、石油化工行业广泛应用的钢种。这种钢具有良好的抗氢腐蚀、抗回火脆化、抗再热脆化等性能。2.25G}-1 Mo钢抗回火脆性的特点如下：

1）是否脆化，可用回火前后冲击试验韧脆转变温度的变化加以比较。

2）含有P、Sb、Sn、As等杂质元素的低合金钢，在375~575℃温度区间长时间加热易发生脆化。脆化试样的冲击断口是从原奥氏体晶界启裂的。发生脆化的钢加热到某一温度以上，韧性可得到恢复。

3）除杂质元素外，Mn、Si、Cr、Ni也加剧脆化，而Mo、W可推迟脆化过程。 4）化学成分相同的钢，其脆化程度随着组织不同依如下顺序减小：马氏体、贝氏体、珠光体。若奥氏体晶粒粗大，其脆化程度也大。

焊缝金属回火脆化的敏感性比锻、轧材料更明显，因为焊接材料中的杂质难以控制。一般认为要获得低回火脆性的焊缝金属必须严格控制P和Si的含量，通过俄歇电子能谱观察到P在晶界上的偏析，而且偏析的浓度与Si含量有关。研究还发现Si和P在晶界上形成Si-P复合物，促使晶界脆化，因此除了要严格限制杂质P含量外，焊缝中Si含量要控制在质量分数为0.15%以下。

珠光体耐热钢的焊接工艺特点

珠光体耐热钢一般在预热状态下焊接，焊后大多要进行高温回火处理。珠光体耐热钢定位焊和正式施焊前都需预热，若焊件刚性大，宜整体预热。焊条电弧焊时应尽量减小接头的拘束度。焊接过程中保持焊件的温度不低于预热温度（包括多层焊时的层间温度），尽量避免中断，不得已中断焊接时，应保证焊件缓慢冷却。重新施焊的焊接件焊前仍须预热，焊接完毕应将焊件保持在预热温度以上数小时，然后再缓慢冷却。焊缝正面的余高不宜过高。

1.常用焊接方法和焊接材料

（1）焊接方法 焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极抵弧焊等均可用于珠光体耐热钢的焊接。但是，常用的焊接方法以焊条电弧捍为主，理弧焊和电渣焊也经常应用，气体保护焊和窄间隙焊也正在扩大应用。

钨极缸弧焊用于管道生产可以实现单面焊双面成形，但当母材Cr的质量分数超过3%时，焊缝背面应通氛气保护，以改善成形，防止焊缝表面氧化。钨极氢弧焊具有超低氢的特点，焊接时可以适当降低预热温度。这种焊接方法的缺点是焊接效率低，生产中往往采用钨极氢弧焊焊接根部焊道，而填充层采用其他高效率的焊接方法，以提高生产率。

低合金耐热钢的管件和棒材可采用电阻压力焊、感应加热压力焊以及电阻感应焊。这些焊接方法的优点是无需填充金属，但须严格控制焊接参数，才能获得优质的焊接接头。在焊接合金含量较高的耐热钢时，必须向焊接区吹送A：等保护气体，以保证接头的致密性。此外，局部加热往往导致Cr-Mo钢焊后产生低塑性组织，而需对接头区作相应的热处理。

（2）焊接材料的选用 为了保证焊缝性能与母材匹配，具有必要的热强性，珠光体耐热钢的焊缝成分应与母材相近，这与其他合金结构钢不同。为了防止焊

缝有较大的热裂倾向，焊缝中碳的质量分数要求比母材低一些。实践中，若焊接材料选择适当，焊缝的性能是可以和母材匹配的。

珠光体耐热钢焊接材料的选择原则是：焊缝金属的合金成分及使用温度下的强度性能应与母材相应的指标一致。或应达到产品技术条件提出的最低性能指标。焊件如焊后需经退火、正火或热成形等热处理或热加工，应选择合金成分或强度级别较高的焊接材料。珠光体耐热钢焊接材料的选用见表3-35 0当需要将珠光体耐热钢和普通碳钢焊在一起时，一般选用珠光体耐热钢焊条或焊丝进行焊接。

控制焊接材料的含水量是防止焊接裂纹的主要措施之一，而珠光体耐热钢所用的焊条和焊荆都容易吸潮。在焊接工艺要求中应规定焊条和焊剂的保存和烘千制度。

焊接在回火脆性温度区间长期工作的2. 25Cr-1 Mo耐热钢时，应选择具有低回火脆化倾向的焊接材料。焊补缺陷或焊后不能进行热处理时，为了防止产生冷裂纹可采用奥氏体焊条（如E309-16、 E309Mo-16}等）。采用奥氏体焊条时，焊前预热，焊后一般不进行回火处理。奥氏体焊缝与母材线膨胀系数不同以及在高温下长期工作时有碳的扩散迁移，在交变温度下工作时易导致熔合区的开裂。另外，长期高温工作还可能引起焊缝中的。相脆化。这些问题是采用奥氏体焊条时所要考虑的。

（3）预热及焊后热处理 耐热钢的坡口加上可以采用火焰切割法，但切割边缘的淬硬层往往成为后续加工的开裂源。为了防止切割边缘开裂，厚度15mm以上的Cr-Mo耐热钢板，切割前应预热150℃以上，切割边缘应机械加工并用磁粉探伤检查是否存在表面裂纹；厚度在15mm以下的耐热钢板，切割前不必预热，切割边缘最好进行机械加工。

珠光体耐热钢焊接时，为了肪止冷裂纹和消除热影响区硬化现象，正确选定预热温度和焊后回火温度是非常重要的。生产中必须结合具体条件，通过试验来确定预热及焊后热处理温度。预热温度的确定主要是依据钢的合金成分、接头的拘束度和焊缝金属的氢含量。母材碳当量大于0.45%、最高硬度大于350 HV时，应考虑焊前预热。

后热去氢处理是防止冷裂纹的重要措施之一。氢在珠光体中的扩散速度较慢，一般焊后加热到250℃以上，保温一定时间，可以促使氢加速逸出，降低冷裂纹的敏感性。采用后热处理可以降低预热温度约50~100℃。耐热钢焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是改善焊接区组织和提高接头的综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬度等。