第二章+异种钢的焊接(1)--文献

1、 耐热钢的分类及特点耐热钢的分类及特点 2.1 不锈钢的焊接不锈钢的焊接2.4本章主要内容本章主要内容 不锈钢的分类及特点不锈钢的分类及特点 2.3 耐热钢的焊接耐热钢的焊接2.2v何谓异种金属焊接何谓异种金属焊接? 指各种母材的物理性能和金属组织各不指各种母材的物理性能和金属组织各不相同的金属之间的焊接。相同的金属之间的焊接。 主要包括三种情况主要包括三种情况: :异种钢焊接、异种有异种钢焊接、异种有色金属焊接、钢和有色金属。色金属焊接、钢和有色金属。u 异种金属材料焊接接头特点异种金属材料焊接接头特点 1.1.化学成分的不均匀性化学成分的不均匀性 异种金属焊接接头各区域化学成分的不均匀异种

2、金属焊接接头各区域化学成分的不均匀程度，不仅取决于母材和填充材料各自的原始成程度，不仅取决于母材和填充材料各自的原始成分，同时也随焊接工艺而改变。分，同时也随焊接工艺而改变。 2.2.组织的不均匀性组织的不均匀性 组织不均匀性取决于母材和填充材料的化学组织不均匀性取决于母材和填充材料的化学成分，同时与焊接方法、焊道层次、焊接工艺以成分，同时与焊接方法、焊道层次、焊接工艺以及焊后热处理过程有关。及焊后热处理过程有关。 稀释率（熔合比）：稀释率（熔合比）：=M/(M+T)=(M1+M2)/=M/(M+T)=(M1+M2)/（M1+M2+TM1+M2+T） 3.3.性能的不均匀性性能的不均匀性 各区

3、域化学成分的差异造成了接头性能的不各区域化学成分的差异造成了接头性能的不均匀，接头各区域的强度、硬度、塑性和韧性等均匀，接头各区域的强度、硬度、塑性和韧性等力学性能以及物理化学性能都有很大的差别。力学性能以及物理化学性能都有很大的差别。 4.4.应力场分布不均匀应力场分布不均匀 异种金属焊接接头中焊接残余应力分布不均异种金属焊接接头中焊接残余应力分布不均匀，这是由于接头各部位塑性和材料热导性差异匀，这是由于接头各部位塑性和材料热导性差异所致。所致。v影响稀释率的因素：影响稀释率的因素：1.1.预热（预热温度高，稀释率大）预热（预热温度高，稀释率大）2.2.焊接参数（线能量越大，稀释率越大）焊接

4、参数（线能量越大，稀释率越大）3.3.焊接方法（焊条焊接比埋弧焊稀释率小）焊接方法（焊条焊接比埋弧焊稀释率小）4.4.接头形式、坡口形式、焊接层次接头形式、坡口形式、焊接层次( (坡口角度增大，坡口角度增大，稀释率减小；窄坡口对接稀释率也很小）稀释率减小；窄坡口对接稀释率也很小）u 异种金属焊接接头熔合区特点异种金属焊接接头熔合区特点v 异种金属焊接时，在母材和焊缝之间有一异种金属焊接时，在母材和焊缝之间有一个成分和母材或焊缝都不相同且往往介于两者个成分和母材或焊缝都不相同且往往介于两者之间，实际上形成化学成分的过渡层。之间，实际上形成化学成分的过渡层。v 熔合区实际分为熔合区实际分为未混合区

5、未混合区和和半熔化区半熔化区，焊，焊缝和母材成分差别越大，越并不容易混合，则缝和母材成分差别越大，越并不容易混合，则熔合区越明显，液体金属存在时间越长，或流熔合区越明显，液体金属存在时间越长，或流动性越好，则成分越均匀，熔合区越小。动性越好，则成分越均匀，熔合区越小。u 异种钢焊接方法选择原则异种钢焊接方法选择原则既要满足异种钢焊接质量（尽可能减小熔合既要满足异种钢焊接质量（尽可能减小熔合比防止裂纹产生），又要尽可能考虑效率和经济。比防止裂纹产生），又要尽可能考虑效率和经济。 优先选择焊条电弧焊（焊条种类多，适应性优先选择焊条电弧焊（焊条种类多，适应性强。珠光体钢与高铬马氏体钢焊接可采用二氧化

6、强。珠光体钢与高铬马氏体钢焊接可采用二氧化碳焊；高合金异种钢焊接一般氩弧焊碳焊；高合金异种钢焊接一般氩弧焊; ;简单异种简单异种钢构件可采用扩散焊、钎焊等钢构件可采用扩散焊、钎焊等u异种钢焊接材料选择原则异种钢焊接材料选择原则 要求焊缝金属力学性能及其他性能不低于母材中要求焊缝金属力学性能及其他性能不低于母材中的较低的一侧的指标。的较低的一侧的指标。原则原则: :v1.1.在焊接接头不产生裂纹的前提，如果不能兼顾在焊接接头不产生裂纹的前提，如果不能兼顾焊缝金属的强度和塑性，则应该选用塑性较好的焊缝金属的强度和塑性，则应该选用塑性较好的焊接材料。焊接材料。v2.2.在许多情况下焊缝金属性能只需要

7、符合两种母在许多情况下焊缝金属性能只需要符合两种母材的一种，即认为技术要求。材的一种，即认为技术要求。v3.3.焊接材料应具有良好的工艺性能，焊缝成型美焊接材料应具有良好的工艺性能，焊缝成型美观。观。v4.4.焊接材料应经济、易得。焊接材料应经济、易得。u 异种钢焊接工艺要点异种钢焊接工艺要点 （主要解决熔合线附近的金属韧性下降的问题）（主要解决熔合线附近的金属韧性下降的问题）1.1.异种钢焊接接头的设计，应有助于焊缝稀释率异种钢焊接接头的设计，应有助于焊缝稀释率的减小，应避免在某些焊缝中产生应力集中。的减小，应避免在某些焊缝中产生应力集中。较厚对接时宜用较厚对接时宜用X X形坡口或形坡口或U

8、 U形坡口。形坡口。2.2.焊接电流、焊条直径、焊接速度、焊条摆动方焊接电流、焊条直径、焊接速度、焊条摆动方式及焊接层数的选择，应以减少母材金属的熔式及焊接层数的选择，应以减少母材金属的熔化和提高焊缝的堆积量为主要原则。化和提高焊缝的堆积量为主要原则。3.3.当被焊的两种钢之一是淬硬钢时必须预热，预当被焊的两种钢之一是淬硬钢时必须预热，预热温度应根据焊接性差的一方选择。热温度应根据焊接性差的一方选择。4.4.复杂结构应先分件组装焊接，然后再整体拼装复杂结构应先分件组装焊接，然后再整体拼装焊接比整体组装焊接好焊接比整体组装焊接好第一节第一节 耐热钢的分类及特点耐热钢的分类及特点 高温条件下具有抗

9、氧化性和足够的高温强度以及良好高温条件下具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作的耐热性能的钢称作耐热钢耐热钢(heat-resisting steels)(heat-resisting steels)。 耐热钢和不锈耐酸钢在使用范围上互有交叉，常用于制耐热钢和不锈耐酸钢在使用范围上互有交叉，常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度高温强度和抗高温氧化腐蚀和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有外，根据用途不同还要

10、求有足够的韧性、足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。一、按照高温性能分类一、按照高温性能分类耐热钢分类耐热钢分类抗氧化钢抗氧化钢( (或称高温不起皮钢或称高温不起皮钢) ) 热强钢热强钢一般要求较一般要求较好的化学稳好的化学稳定性，承受定性，承受的载荷较低的载荷较低 要求较高的要求较高的高温强度和高温强度和相应的抗氧相应的抗氧化性化性 v抗氧化钢抗氧化钢( (高温不起皮钢高温不起皮钢) ) 一般钢铁在高温下生成松脆多孔一般钢铁在高温下生成松脆多孔的的FeOFeO，它与基体结合能力薄弱而易剥落。氧原子容易通过，它与基体结合能力薄

11、弱而易剥落。氧原子容易通过FeOFeO进进行扩散，使钢的内部继续进行氧化，最终导致零件破坏。行扩散，使钢的内部继续进行氧化，最终导致零件破坏。抗氧化抗氧化钢中加入合金元素铬、硅、铝等，形成一层致密的、高熔点的并钢中加入合金元素铬、硅、铝等，形成一层致密的、高熔点的并牢固覆盖于钢表面的氧化膜牢固覆盖于钢表面的氧化膜(Cr(Cr2 2O O3 3、SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3) )，可将金属与外，可将金属与外界高温氧化性气体隔绝，从而避免进一步氧化。界高温氧化性气体隔绝，从而避免进一步氧化。实际应用的抗氧化钢，大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上实际应用的抗氧化钢，大多数是在铬

12、钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加硅、铝制成的。添加硅、铝制成的。v热强钢热强钢 金属在高温下的强度有两个特点：一是温度升高，金属原金属在高温下的强度有两个特点：一是温度升高，金属原子间结合力减弱和强度下降；二是在再结晶温度上即使金属受的应子间结合力减弱和强度下降；二是在再结晶温度上即使金属受的应力不超过该温度下的弹性极限，它也会缓慢地发生塑性变形，且变力不超过该温度下的弹性极限，它也会缓慢地发生塑性变形，且变形量随时间的增长而增大，最后导致金属产生蠕变破坏。形量随时间的增长而增大，最后导致金属产生蠕变破坏。常用抗氧化钢及热强钢的成分及性能见表常用抗氧化钢及热强钢的成分及性能见表3-1。 2-1

13、2-1 抗氧化钢及热强钢的成分及性能抗氧化钢及热强钢的成分及性能 根据正火状态组织不同，常用耐热钢分为根据正火状态组织不同，常用耐热钢分为珠光体耐热珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。二、按照组织状态分类二、按照组织状态分类 按照国际惯例，耐热钢分为奥氏体耐热钢和铁素体耐按照国际惯例，耐热钢分为奥氏体耐热钢和铁素体耐热钢两类，其中铁素体耐热钢包括统称的珠光体耐热钢和热钢两类，其中铁素体耐热钢包括统称的珠光体耐热钢和马氏体耐热钢。马氏体耐热钢。珠光体耐热钢珠光体耐热钢 含碳量含碳量0.10.10.4%0.4%，加入，加入CrCr、M

14、oMo、W W、V V 等主要是强化铁素体，防止高温下片状等主要是强化铁素体，防止高温下片状FeFe3 3C C的球的球化和石墨化，提高钢的高温强度。化和石墨化，提高钢的高温强度。典型牌号典型牌号：12CrMo12CrMo、15CrMoV15CrMoV、25Cr2MoVA 25Cr2MoVA 等。等。这类钢在正火状态下的显微组织是这类钢在正火状态下的显微组织是P+FP+F。由于含碳量。由于含碳量较低，合金元素含量少较低，合金元素含量少( (不超过不超过3 35%)5%)，因而热膨胀，因而热膨胀系数小，导热性好，并有良好的冷、热加工性能。系数小，导热性好，并有良好的冷、热加工性能。广泛用于制造工

15、作温度广泛用于制造工作温度350350600600的锅炉及管道、的锅炉及管道、压力容器、汽轮机转子等。压力容器、汽轮机转子等。马氏体耐热钢马氏体耐热钢 这类钢淬透性好，空冷就能得到马氏体，这类钢淬透性好，空冷就能得到马氏体，在小于在小于620620范围内使用。范围内使用。 常用的钢号常用的钢号 1Cr131Cr13、2Cr132Cr13及在其基础上发展的及在其基础上发展的1Cr11Mo1Cr11Mo、 1Cr12WmoV (1Cr12WmoV (在在500500以下具有良好的蠕变抗以下具有良好的蠕变抗力和优良的消震性，最宜于制造汽轮机叶片，故又称叶力和优良的消震性，最宜于制造汽轮机叶片，故又称

16、叶片钢。）片钢。）4Cr9Si24Cr9Si2及及4Cr10Si2Mo4Cr10Si2Mo等铬硅钢是另一类马氏体热强钢，等铬硅钢是另一类马氏体热强钢，他们含碳量为中碳，主要为提高耐磨性，长用作制造内他们含碳量为中碳，主要为提高耐磨性，长用作制造内燃机的气阀，故又称为燃机的气阀，故又称为气阀钢气阀钢。铁素体耐热钢铁素体耐热钢 这类钢抗氧化强，但高温强度低、脆这类钢抗氧化强，但高温强度低、脆性大和焊接性差，多用于受力不大的加热炉部件。性大和焊接性差，多用于受力不大的加热炉部件。成分及性能特点成分及性能特点 在铁素体耐热钢的基础上加入在铁素体耐热钢的基础上加入SiSi、AlAl等合金元素，提高其抗氧

17、化性能。等合金元素，提高其抗氧化性能。典型牌号典型牌号 1Cr13Si31Cr13Si3、1Cr13SiAl1Cr13SiAl、1Cr18Si21Cr18Si2等等。奥氏体耐热钢奥氏体耐热钢 是在奥氏体不锈钢的基础上加入是在奥氏体不锈钢的基础上加入W W、MoMo、V V、TiTi、NbNb、AlAl等元素以强化奥氏体，形成稳定碳化合物和金等元素以强化奥氏体，形成稳定碳化合物和金属间化合物，提高钢的高温强度。不仅有高的抗氧化性属间化合物，提高钢的高温强度。不仅有高的抗氧化性(700(700900)900)，且在，且在600600还有足够的强度。这类钢一般还有足够的强度。这类钢一般在在60060

18、0700700范围内使用。范围内使用。常用的钢号常用的钢号 1Cr18Ni9Ti(18-81Cr18Ni9Ti(18-8型钢型钢) )、 4Cr14Ni14W2Mo4Cr14Ni14W2Mo钢钢(14-14-2(14-14-2型钢型钢) )等。等。 前者常用于高压锅炉的过热器、化前者常用于高压锅炉的过热器、化工高压反应器、喷气发动机尾喷管登。后者是应用最多的工高压反应器、喷气发动机尾喷管登。后者是应用最多的奥氏体热强钢，它的热强性、组织稳定性及抗氧化性均高奥氏体热强钢，它的热强性、组织稳定性及抗氧化性均高于马氏体气阀钢，故常用于制造工作温度于马氏体气阀钢，故常用于制造工作温度650650的内燃

19、的内燃机排气阀。机排气阀。 铁素体耐热钢的最高工作温度为铁素体耐热钢的最高工作温度为580580590 590 ，这，这种钢的热膨胀性较高，对应力腐蚀敏感，异种钢接头寿种钢的热膨胀性较高，对应力腐蚀敏感，异种钢接头寿命短，不适合用于高温、高压汽水锅炉及管道。命短，不适合用于高温、高压汽水锅炉及管道。 三、新一代耐热钢简介三、新一代耐热钢简介 主要介绍两种新型耐热钢：主要介绍两种新型耐热钢： 新型铁素体耐热钢新型铁素体耐热钢 新型细晶奥氏体耐热钢新型细晶奥氏体耐热钢 T91P91钢钢 新型铁素体耐热钢新型铁素体耐热钢T91P91钢是在钢是在9Cr1Mo钢的基础钢的基础上，采用纯净化、细晶化冶金技

20、术，以及微合金化和控轧、控冷等工上，采用纯净化、细晶化冶金技术，以及微合金化和控轧、控冷等工艺，开发出的新一代中合金耐热钢。艺，开发出的新一代中合金耐热钢。 T122/P122钢钢 铁素体耐热钢铁素体耐热钢T122/P122(HCM12A)是改进的是改进的12Cr钢，钢，添加添加2Nb和和1Cu，固溶强化和析出强化的效果都有很大增加，固溶强化和析出强化的效果都有很大增加，600和和650的许用应力分别比的许用应力分别比X20CrMoV121提高提高113和和168，具有更，具有更高的热强性和耐蚀性。高的热强性和耐蚀性。 T23(HCM2S)、T24钢钢 在在T22(2.25Cr-1Mo)钢的基

21、础上吸收了钢钢的基础上吸收了钢102的优点而改进的。它在的优点而改进的。它在600时的强度比时的强度比T22高高93，与钢，与钢102相当。相当。但由于但由于C含量降低，加工性能和焊接性能优于钢含量降低，加工性能和焊接性能优于钢102，在一些情况下，在一些情况下可以焊前不预热可以焊前不预热;当壁厚小于等于当壁厚小于等于8mm时，焊后可不热处理。时，焊后可不热处理。1、新型铁素体耐热钢、新型铁素体耐热钢奥氏体耐热钢奥氏体耐热钢Super304H 是是TP304H的改进型，添加了的改进型，添加了3Cu和和0.4Nb，从而获得了极高的蠕变断裂强度，在，从而获得了极高的蠕变断裂强度，在600650下的

22、许用应力比下的许用应力比TP304H高高30，这一高强度是奥氏体基体中同时产生，这一高强度是奥氏体基体中同时产生NbCrN、Nb、(N、C)、M23C6和细的富铜相沉淀强化的结果。该钢的组织和力学性和细的富铜相沉淀强化的结果。该钢的组织和力学性能稳定，而且价格便宜，是超超临界锅炉过热器、再热器的首选材料。能稳定，而且价格便宜，是超超临界锅炉过热器、再热器的首选材料。此外，近年来还通过特定的热加工和热处理工艺开发了此外，近年来还通过特定的热加工和热处理工艺开发了TP347HFG钢钢和和HR3C(TP310NbN)钢等新型细晶奥氏体耐热钢。具有极好的抗蒸汽钢等新型细晶奥氏体耐热钢。具有极好的抗蒸汽

23、氧化性能和较高的许用应力。氧化性能和较高的许用应力。HR3C通过添加元素铌通过添加元素铌(Nb)和氮和氮(N)，使，使得它的蠕变断裂强度提高到了得它的蠕变断裂强度提高到了181MPa。2、新型细晶奥氏体耐热钢新型细晶奥氏体耐热钢 耐热钢在高温、高压、高速和腐蚀介质中长期工作耐热钢在高温、高压、高速和腐蚀介质中长期工作的条件下，将会发生组织结构和力学性能的变化，以及的条件下，将会发生组织结构和力学性能的变化，以及表面磨损和腐蚀，导致零件失效和造成事故。因此，必表面磨损和腐蚀，导致零件失效和造成事故。因此，必须了解高温高压设备用钢的高温力学性能和抗蚀性能。须了解高温高压设备用钢的高温力学性能和抗蚀

24、性能。四、耐热钢的高温力学性能四、耐热钢的高温力学性能 高温蠕变极限高温蠕变极限和和持久强度持久强度是衡量耐热钢的高温力学性能的重要指标。是衡量耐热钢的高温力学性能的重要指标。金属在一定的温度和规定的持续时间内，产生一定蠕变变形量或金属在一定的温度和规定的持续时间内，产生一定蠕变变形量或引起规定变形速度时的最大应力称为引起规定变形速度时的最大应力称为高温蠕变极限高温蠕变极限。金属产生蠕变的原因是在高温下金属原子扩散能力增大，使那些金属产生蠕变的原因是在高温下金属原子扩散能力增大，使那些在低温下起强化作用的因素逐渐减弱或消失。例如，可促使回复在低温下起强化作用的因素逐渐减弱或消失。例如，可促使回

25、复与再结晶，使加工硬化效果减弱或消失；促使过饱和固溶体与再结晶，使加工硬化效果减弱或消失；促使过饱和固溶体(如马如马氏体氏体)发生分解及弥散的硬化质点聚集，使淬火硬化效果减弱或消发生分解及弥散的硬化质点聚集，使淬火硬化效果减弱或消失等。所有这些过程都导致金属逐渐软化而产生蠕变。失等。所有这些过程都导致金属逐渐软化而产生蠕变。蠕变现象对中、高压锅炉和汽轮机设备有十分重要的意义。蠕变现象对中、高压锅炉和汽轮机设备有十分重要的意义。1、高温蠕变极限高温蠕变极限 蠕变过程中，应力和变形的变化关系是：蠕变过程中，应力和变形的变化关系是： 应力应力常数，变形量常数，变形量(弹弹+塑塑)常数，常数， 即在过

26、程中总变形不断增加。典型的蠕变曲线如图即在过程中总变形不断增加。典型的蠕变曲线如图2-1所示，常用耐所示，常用耐热钢的高温力学性能列于表热钢的高温力学性能列于表2-2。III III0 ab c dTimeCrack图图2-1 典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线a-b: 蠕变不稳定阶段或蠕蠕变不稳定阶段或蠕变减速阶段；变减速阶段；b-c:为蠕变稳定阶段；为蠕变稳定阶段；c-d: 蠕变加速阶段蠕变加速阶段2、高温持久强度高温持久强度表示应力表示应力( )，2/mMN例如例如 表示在表示在500时，持续时间为时，持续时间为 105 h 的持久强度，它表示的持久强度，它表示材料在高温和应力长时期作用下抵抗

27、断裂的能力。材料在高温和应力长时期作用下抵抗断裂的能力。500105t表示试验温度表示试验温度()，表示试验持续时间表示试验持续时间(h)。持久强度是指材料在高温和规定的时间内，发生断裂的最大应持久强度是指材料在高温和规定的时间内，发生断裂的最大应力值。用符号力值。用符号 表示。其中，表示。其中，t表表2-2 常用耐热钢的高温力学性能（常用耐热钢的高温力学性能（YB529-70）6533450105001055452145010150010155140110705050010550105580455501015501015514355010592540105635401015805801056

28、05801015147130120580105001055955801015120956558010620105514012050365801016201015511811010094856558010600106201055582786460444158010160010162010155545580105150540105114540101560114600105601055458860010158010155第二节第二节 耐热钢的焊接耐热钢的焊接一、焊接性分析一、焊接性分析 淬硬性淬硬性 珠光体耐热钢中的主要合金元素铬和钼可显著提高钢的淬硬性，珠光体耐热钢中的主要合金元素铬和钼可显著提高

29、钢的淬硬性，钼的作用比铬约大钼的作用比铬约大50倍。这些合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性。在焊倍。这些合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性。在焊接冷却过程中，焊缝和热影响区很容易产生贝氏体或马氏体组织。接冷却过程中，焊缝和热影响区很容易产生贝氏体或马氏体组织。 从改善钢的焊接性角度出发从改善钢的焊接性角度出发，降低含碳量，钢的淬硬性降低，焊接冷，降低含碳量，钢的淬硬性降低，焊接冷裂敏感性明显减小。但降低含碳量将引起钢的蠕变强度急剧降低，这对于裂敏感性明显减小。但降低含碳量将引起钢的蠕变强度急剧降低，这对于使用温度范围较高的中合金铬使用温度范围较高的中合金铬-钼耐热钢尤为不利。通常，为了兼顾焊接钼耐

30、热钢尤为不利。通常，为了兼顾焊接性和高温力学性能，中合金铬性和高温力学性能，中合金铬-钼钢的含碳量一般控制在钼钢的含碳量一般控制在0.10%0.20%范范围内。而低合金铬围内。而低合金铬-铝钢的含碳量可以更低些。铝钢的含碳量可以更低些。 防止铬防止铬-钼钢钼钢焊接冷裂纹焊接冷裂纹的主要工艺措施的主要工艺措施 选择低氢型焊条、焊前预热和选择低氢型焊条、焊前预热和焊后热处理等。焊后热处理等。 再热裂纹再热裂纹 为防止珠光体耐热钢焊接接头氢致延迟裂纹和改善接头为防止珠光体耐热钢焊接接头氢致延迟裂纹和改善接头性能，这类钢焊后往往需要进行消除应力热处理性能，这类钢焊后往往需要进行消除应力热处理(post

31、-weld heat treating)。在消除应力处理过程中会产生再热裂纹。在消除应力处理过程中会产生再热裂纹。 再热裂纹的倾向主要取决于钢中碳化物形成元素的种类及含量再热裂纹的倾向主要取决于钢中碳化物形成元素的种类及含量，由，由于耐热钢中含有于耐热钢中含有Cr、Mo、Nb、V、Ti等碳化物形成元素，总是在焊接等碳化物形成元素，总是在焊接热影响区的粗晶区产生再热裂纹热影响区的粗晶区产生再热裂纹,一般在一般在500-700范围内形成，与焊接范围内形成，与焊接规范及由此产生的焊接应力有关。规范及由此产生的焊接应力有关。 再热裂纹再热裂纹 再热裂纹的产生与焊接残余应力、应力集中、缺口的存再热裂纹的

32、产生与焊接残余应力、应力集中、缺口的存在、消除应力的条件，特别是钢的成分和组织有密切的关系。在、消除应力的条件，特别是钢的成分和组织有密切的关系。图图2-2示示出了铬含量对铬出了铬含量对铬-钼钢再热裂纹的影响。钼钢再热裂纹的影响。 防止再热裂纹的措施防止再热裂纹的措施 选择塑性好的焊材，严格控制母材和焊材中选择塑性好的焊材，严格控制母材和焊材中钒、铌、钛含量，将预热温度提高至钒、铌、钛含量，将预热温度提高至250以上，采用低线能量和热源以上，采用低线能量和热源集中的焊接方法，以及避免在敏感温度区间长时间停留等。集中的焊接方法，以及避免在敏感温度区间长时间停留等。 图图2-2 铬对铬铬对铬- -

33、钼钢再热裂纹的敏感钼钢再热裂纹的敏感当铬含量低于当铬含量低于1%时，随铬含时，随铬含量的增加，钢的再热裂纹敏感量的增加，钢的再热裂纹敏感性增大性增大当铬含量超过当铬含量超过1%时，随铬含时，随铬含量的增加再热裂纹敏感性反而量的增加再热裂纹敏感性反而减小减小碳和钒碳和钒(以及铌、钛、钼等以及铌、钛、钼等)对对再热裂纹敏感性也有很大影响再热裂纹敏感性也有很大影响 焊接热裂纹焊接热裂纹 珠光体耐热钢焊接热裂纹主要是焊缝结晶裂纹，而珠光体耐热钢焊接热裂纹主要是焊缝结晶裂纹，而且多出现在弧坑处。这类钢焊接热影响区的液化裂纹比较少见。且多出现在弧坑处。这类钢焊接热影响区的液化裂纹比较少见。 碳和镍都可增加

34、其热裂敏感性碳和镍都可增加其热裂敏感性，其中碳的影响最大，是保证耐热钢，其中碳的影响最大，是保证耐热钢热强性的主要元素，因此焊缝含碳量不可能太低。热强性的主要元素，因此焊缝含碳量不可能太低。 用冶金手段降低焊缝金属热裂敏感性的关键，是严格控制焊缝金属用冶金手段降低焊缝金属热裂敏感性的关键，是严格控制焊缝金属中有害杂质硫和磷的含量。中有害杂质硫和磷的含量。 对于厚壁结构的焊接来说，由于焊接结构的拘束度较高，热裂倾向对于厚壁结构的焊接来说，由于焊接结构的拘束度较高，热裂倾向仍然很大，因此在焊接时要采用较低的焊接线能量才能控制焊接热裂仍然很大，因此在焊接时要采用较低的焊接线能量才能控制焊接热裂纹的产

35、生。纹的产生。 图图2-3表示线能量对表示线能量对2.25Cr-1Mo钢和钢和1.25Cr-Mo钢焊接热裂纹的影响。钢焊接热裂纹的影响。 图图2-3 线能量对铬线能量对铬-钼钢焊接热裂纹的影响钼钢焊接热裂纹的影响1-2.25Cr-1Mo钢；钢；2-1.25Cr-Mo钢钢2 焊接热影响区的软化焊接热影响区的软化 珠光体耐热钢焊接热影响区的珠光体耐热钢焊接热影响区的软化软化是个普遍是个普遍问题。问题。 铬铬-钼钢钼钢焊接热影响区软化带在粗视磨片上是焊接热影响区软化带在粗视磨片上是条明显的条明显的“白带白带”；在光学显微镜或电子显微镜下观察时，其组织大部分是铁素体，其余在光学显微镜或电子显微镜下观察

36、时，其组织大部分是铁素体，其余是聚合碳化物和其他相。是聚合碳化物和其他相。 热影响区软化带与焊前的组织状态、焊接规范以及焊后热处理有关。热影响区软化带与焊前的组织状态、焊接规范以及焊后热处理有关。软化带在室温和高温短时静载拉伸时，没有太大的不良影响。但是，软化带在室温和高温短时静载拉伸时，没有太大的不良影响。但是，接头如果在高温下长期工作时，蠕变变形将集中于软化带，最后导致接头如果在高温下长期工作时，蠕变变形将集中于软化带，最后导致这一部位提前断裂失效这一部位提前断裂失效 为了减小软化区及其软化程度，应尽量减少接头在为了减小软化区及其软化程度，应尽量减少接头在Acl温度附近的温度附近的停留时间

37、。此外，由图停留时间。此外，由图2-4可知，焊后正火可知，焊后正火+高温回火，可以基本上消高温回火，可以基本上消除软化带。除软化带。图图2-4 铬钼钒钢热影响区软化铬钼钒钢热影响区软化 (a)15Cr1MoV (b)12Cr1MoV1焊态；焊态；2730回火；回火；3980正火、正火、730回火回火Hardness(HBS)Hardness(HBS)(a)(b) 回火脆性回火脆性 Cr-Mo钢及其焊接接头在钢及其焊接接头在350-500温度区间长期保持过温度区间长期保持过程中发生剧烈脆变现象称为回火脆性。程中发生剧烈脆变现象称为回火脆性。 钢的回火脆性与其钢的回火脆性与其杂质含量杂质含量有密切

38、关系。杂质包括有密切关系。杂质包括P，As，Sb，Sn等残余元素，其综合影响可由脆性指数等残余元素，其综合影响可由脆性指数-X表示，对于焊缝金属可以表表示，对于焊缝金属可以表示为示为:100/sn4b510ASSPX (10-6) 低合金钢焊缝中低合金钢焊缝中C、Si、Mn、O等元素对消除应力处理后的韧性及回火脆等元素对消除应力处理后的韧性及回火脆性也会产生相当重要的影响，引用性也会产生相当重要的影响，引用J指数估计些元素的综合作用。指数估计些元素的综合作用。 J=(Si+Mn)(P+Sn)104(%) (5.2) 对于一些运行条件苛刻的对于一些运行条件苛刻的Cr-Mo钢制重要厚壁容器，技术条

39、件规定母材和钢制重要厚壁容器，技术条件规定母材和焊缝金属的焊缝金属的J指数应小于指数应小于200%，脆性指数，脆性指数 应小于应小于2510-6。X二、珠光体耐热钢的焊接二、珠光体耐热钢的焊接 焊接这类钢常用的焊接方法主要有手弧焊、埋弧自动焊和气体保焊接这类钢常用的焊接方法主要有手弧焊、埋弧自动焊和气体保护电弧焊等。低合金耐热钢对上述焊接方法适应性强；中合金耐热护电弧焊等。低合金耐热钢对上述焊接方法适应性强；中合金耐热钢冷裂敏感性大，而应优先选用含氢量低的焊接方法，如氩弧焊。钢冷裂敏感性大，而应优先选用含氢量低的焊接方法，如氩弧焊。主要内容：主要内容： (1) 焊接材料的选择焊接材料的选择 (

40、2) 焊接线能量焊接线能量 (3) 焊前预热和焊后热处理焊前预热和焊后热处理（1）焊接材料的选择）焊接材料的选择 耐热钢的焊缝金属应该与母材金属具有耐热钢的焊缝金属应该与母材金属具有接近的接近的化学成分化学成分。通常，为了提高焊缝金属的抗裂能力，填充金属的含碳量。通常，为了提高焊缝金属的抗裂能力，填充金属的含碳量应比母材金属低。但是，如果焊件需要淬火应比母材金属低。但是，如果焊件需要淬火+回火或正火回火或正火+回火时，则回火时，则要求填充金属具有与母材相当的含碳量。要求填充金属具有与母材相当的含碳量。 图图2-5表示了含碳量对表示了含碳量对2.25 Cr-1Mo钢焊缝金属室温力学性能影响。可钢

41、焊缝金属室温力学性能影响。可见，过低的含碳量会使钢的蠕变强度急剧降低。含碳量为见，过低的含碳量会使钢的蠕变强度急剧降低。含碳量为0.08%的焊缝的焊缝金属，其冲击韧度不仅高于含碳金属，其冲击韧度不仅高于含碳0.11%的焊缝，而且也高于含碳的焊缝，而且也高于含碳0.05%的焊缝。因此，铬的焊缝。因此，铬-钼钢焊缝金属的含碳量不易过高，也不易过低，最钼钢焊缝金属的含碳量不易过高，也不易过低，最好控制在好控制在0.08%0.10%之间。之间。焊接珠光体耐热钢时焊接材料可参照焊接珠光体耐热钢时焊接材料可参照表表2-3选择。选择。图图2-5 焊缝金属含碳量对焊缝金属含碳量对2.25 Cr-1Mo钢在焊态

42、下钢在焊态下(AW)和和704X1h消除应力消除应力()状态下强度的影响状态下强度的影响b/(N/mm2) 0.040.080.120.16C/% 50010 2030 40 -AW-SRb-SRb-AM379448 517 586655 723 792 861 930 999(Gage length 50.8mm)/%降低含碳量确有助于降低含碳量确有助于提高焊缝的塑性和韧提高焊缝的塑性和韧性，从而提高焊缝金性，从而提高焊缝金属的抗裂能力。从图属的抗裂能力。从图中还可看出，降低含中还可看出，降低含碳量同时也会降低焊碳量同时也会降低焊缝金属的室温强度缝金属的室温强度表表2-3 珠光体耐热钢常用焊

43、接材料珠光体耐热钢常用焊接材料(2) 焊接线能量焊接线能量 从降低冷却速度、防止接头淬硬冷裂角度考虑，应适当提高低中从降低冷却速度、防止接头淬硬冷裂角度考虑，应适当提高低中合金耐热钢的焊接线能量。但是，提高线能量有可能增加这类钢对再合金耐热钢的焊接线能量。但是，提高线能量有可能增加这类钢对再热裂纹的敏感性。图热裂纹的敏感性。图2-6表示了表示了2.25 Cr-1Mo钢焊接区力学性能与焊接钢焊接区力学性能与焊接线能量的关系。可见，在各项力学性能指标中，冲击韧度受焊接线能线能量的关系。可见，在各项力学性能指标中，冲击韧度受焊接线能量的影响最大。在各种电弧焊方法中，线能量较大的埋弧焊，其焊缝量的影响

44、最大。在各种电弧焊方法中，线能量较大的埋弧焊，其焊缝韧性较低。铬韧性较低。铬-钼钢以较低的焊接线能量焊接为好，焊接时如果必须钼钢以较低的焊接线能量焊接为好，焊接时如果必须摆动电弧，摆幅也不应大于摆动电弧，摆幅也不应大于9.5mm或焊丝直径的或焊丝直径的2.5倍，或取二者的倍，或取二者的最小值。最小值。图图2-6 2.25Cr-1Mo钢焊接区力学性能与焊接线能量的关系钢焊接区力学性能与焊接线能量的关系试验条件：板厚试验条件：板厚75，预热温度，预热温度150，焊后热处理（，焊后热处理（69520） (3) 焊前预热和焊后热处理焊前预热和焊后热处理1)焊前预热焊前预热 预热是减缓焊缝金属和焊接热影

45、响区冷却速度的有效预热是减缓焊缝金属和焊接热影响区冷却速度的有效措施措施,从而防止焊接冷裂纹的产生。低中合金耐热钢在多数情况下都从而防止焊接冷裂纹的产生。低中合金耐热钢在多数情况下都要求焊前预热要求焊前预热,但是预热温度并非越高越好。但是预热温度并非越高越好。预热和层间温度均应控制在预热和层间温度均应控制在Mf点以下，则焊接结束后奥氏体将在控点以下，则焊接结束后奥氏体将在控制温度范围内完全转变成马氏体，马氏体随后可以通过焊后回火而改制温度范围内完全转变成马氏体，马氏体随后可以通过焊后回火而改善韧性。善韧性。2)焊后热处理焊后热处理 对于珠光体耐热钢对于珠光体耐热钢(其焊后热处理温度见表其焊后热

46、处理温度见表2-4)来说，焊来说，焊后热处理目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是降低焊接区硬度、后热处理目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是降低焊接区硬度、去氢、稳定组织和提高焊接焊头的综合力学性能去氢、稳定组织和提高焊接焊头的综合力学性能(如高温蠕变强度如高温蠕变强度)。在拟定耐热钢接头的焊后处理工艺时应考虑：在拟定耐热钢接头的焊后处理工艺时应考虑：对某些合金成分较低、厚度较薄的低合金耐热钢接头，焊前经预热，对某些合金成分较低、厚度较薄的低合金耐热钢接头，焊前经预热，使用低碳的焊接材料，则焊件在焊后不必作热处理。使用低碳的焊接材料，则焊件在焊后不必作热处理。消除焊接残余应力是防止耐热钢产

47、生延迟裂纹和再热裂纹的重要措施，消除焊接残余应力是防止耐热钢产生延迟裂纹和再热裂纹的重要措施，热处理加热温度应保证接头残余应力降低到尽可能低的水平。热处理加热温度应保证接头残余应力降低到尽可能低的水平。焊后热处理应尽量避免在回火脆性及裂纹倾向敏感的温度范围内进行；焊后热处理应尽量避免在回火脆性及裂纹倾向敏感的温度范围内进行；在危险温度范围内，应保持较快的加热速度。在危险温度范围内，应保持较快的加热速度。 焊后热处理焊后热处理 可以整体在炉中进行，也可进行局部处理。大型焊件常可以整体在炉中进行，也可进行局部处理。大型焊件常采用局部热处理。采用局部加热时与炉中加热不同，不管保温时间多采用局部热处理

48、。采用局部加热时与炉中加热不同，不管保温时间多长，在整个焊件厚度方向上总是有一个温度梯度，截面越厚，梯度就长，在整个焊件厚度方向上总是有一个温度梯度，截面越厚，梯度就越大，由此而产生的应力也越大。因此，推荐铬越大，由此而产生的应力也越大。因此，推荐铬-钼钢局部热处理加钼钢局部热处理加热带的宽度应是厚度的热带的宽度应是厚度的5倍，且至少不小于倍，且至少不小于150mm，此时可以采用快，此时可以采用快速加热的方法。速加热的方法。表表2-4 珠光体耐热钢焊后热处理温度珠光体耐热钢焊后热处理温度三、马氏体耐热钢的焊接三、马氏体耐热钢的焊接 马氏体耐热钢中的马氏体耐热钢中的C和和Cr的含量较高，还含有的

49、含量较高，还含有Mo、W、V、Ni等合等合金元素，在金元素，在Cr含量为含量为5-13%时，如果时，如果C含量高于含量高于0.10%，在等温热处理状，在等温热处理状态下的组织均为马氏体。马氏体的硬度取决于钢中的碳含量及奥氏体化态下的组织均为马氏体。马氏体的硬度取决于钢中的碳含量及奥氏体化温度。焊接后具有较大的淬硬倾向，非常容易产生焊接冷裂纹。有时要温度。焊接后具有较大的淬硬倾向，非常容易产生焊接冷裂纹。有时要预热到预热到400以上才能焊接，焊后还不能直接冷却到室温，必须在以上才能焊接，焊后还不能直接冷却到室温，必须在100-150保温一段时间，然后立即升温进行热处理。其焊接工艺相当复杂。保温一

50、段时间，然后立即升温进行热处理。其焊接工艺相当复杂。 1、马氏体耐热钢的焊接性马氏体耐热钢的焊接性 为了防止产生焊接冷裂纹，焊接材料中的碳要尽可能低，焊缝中的为了防止产生焊接冷裂纹，焊接材料中的碳要尽可能低，焊缝中的铁素体随碳含量的降低而增加，容易引起焊缝脆化。此外，为了防止焊铁素体随碳含量的降低而增加，容易引起焊缝脆化。此外，为了防止焊接冷裂纹，需要选择较高的预热温度，并采取后热和焊后立即进行消除接冷裂纹，需要选择较高的预热温度，并采取后热和焊后立即进行消除应力处理等措施。应力处理等措施。 马氏体耐热钢焊接接头的近缝区常存在一个软化带，这个软化带对马氏体耐热钢焊接接头的近缝区常存在一个软化带

51、，这个软化带对室温和高温短时抗拉强度并无不良影响，但会降低接头的蠕变强度，引室温和高温短时抗拉强度并无不良影响，但会降低接头的蠕变强度，引起脆性断裂起脆性断裂。2、马氏体耐热钢的焊接工艺马氏体耐热钢的焊接工艺 (1) 焊接方法及材料的选择焊接方法及材料的选择 由于对焊接对焊接冷裂纹具有更高的敏感性，在选择焊接方法时，应优由于对焊接对焊接冷裂纹具有更高的敏感性，在选择焊接方法时，应优先采用低氢的焊接方法，如先采用低氢的焊接方法，如TIG、MIG等。在厚壁焊件中，手工电弧焊和等。在厚壁焊件中，手工电弧焊和埋弧自动焊应用较广泛，但必须采用低氢型焊条和焊剂。目前已经研制出埋弧自动焊应用较广泛，但必须采

52、用低氢型焊条和焊剂。目前已经研制出多种超低氢焊条和工艺性能良好的高碱度烧结焊剂，为焊接优质接头和推多种超低氢焊条和工艺性能良好的高碱度烧结焊剂，为焊接优质接头和推广特别适用于中合金钢的窄间隙焊接技术创造了优良条件。广特别适用于中合金钢的窄间隙焊接技术创造了优良条件。 中合金耐热钢焊接材料选择有两种方案：一种是选用高中合金耐热钢焊接材料选择有两种方案：一种是选用高Cr-Ni奥氏体钢奥氏体钢焊条用焊条用Cr5Mo、Cr6SiMo、1Cr13、2Cr13等马氏体等马氏体-铁素体钢常用于非受铁素体钢常用于非受压构件的焊接；另一种方案是采用与母材成分基本相同的同类焊接材料，压构件的焊接；另一种方案是采用

53、与母材成分基本相同的同类焊接材料，用于锅炉受热面管子或管道的马氏体耐热钢的焊接。用于锅炉受热面管子或管道的马氏体耐热钢的焊接。表表2-5 马氏体耐热钢的焊接工艺及材料马氏体耐热钢的焊接工艺及材料(2) 预热温度预热温度 为防止裂纹，降低接头各区硬度和应力峰值以及提高韧性，中合金为防止裂纹，降低接头各区硬度和应力峰值以及提高韧性，中合金耐热钢焊前应预热到耐热钢焊前应预热到300-400。对于。对于F11、F12、Cr12MoWV钢要注意钢要注意缓冷，或冷到缓冷，或冷到150，保温一段时间后进行热处理。对，保温一段时间后进行热处理。对Cr6SiMo等钢，等钢，可适当降低预热温度。为防止焊缝和热影响

54、区脆化，建议选用较低的预可适当降低预热温度。为防止焊缝和热影响区脆化，建议选用较低的预热温度，而强调及时后热或热处理。预热温度不能太低，为此，各国压热温度，而强调及时后热或热处理。预热温度不能太低，为此，各国压力容器和管道制造法规对中合金耐热钢规定了最低预热温度。力容器和管道制造法规对中合金耐热钢规定了最低预热温度。 (3) 焊后热处理焊后热处理 耐热钢焊后热处理的目的在于改善焊缝金属及其热影响区的组织、耐热钢焊后热处理的目的在于改善焊缝金属及其热影响区的组织、降低接头各区硬度、提高接头韧性及高温持久强度、消除焊接残余应力。降低接头各区硬度、提高接头韧性及高温持久强度、消除焊接残余应力。常用的

55、焊后热处理工艺有完全退火、高温回火或回火常用的焊后热处理工艺有完全退火、高温回火或回火+等温退火等。中等温退火等。中合金耐热钢在现场焊接操作中必须明确规定冷却制度合金耐热钢在现场焊接操作中必须明确规定冷却制度(见表见表2-6)，包括冷，包括冷却过程中允许的最低温度以及焊后热乎处理的时间间隔，这两个工艺参却过程中允许的最低温度以及焊后热乎处理的时间间隔，这两个工艺参数对于保证接头的致密性和韧性是十分重要的。数对于保证接头的致密性和韧性是十分重要的。表表2-6 各国制造法规规定的中合金耐热钢焊后热处理温度各国制造法规规定的中合金耐热钢焊后热处理温度(/) 四、四、T91P91钢的焊接钢的焊接 与与T9钢相比，新型铁素体耐热钢钢相比，新型铁素体耐热钢T9lP9I钢由于降低了碳和杂质元钢由于降低了碳和杂质元素的含量，焊接裂纹的敏感性明显减弱，防止裂纹产生的预热温度随之素的含量，焊接裂纹的敏感性明显减弱，防止裂纹产生的预热温度随之而降。应该说，该钢的焊接性有所改善。但是这并不意味着在所有的情而降。应该说，该钢的焊接性有所改善。但是这并不意味着在所有的情况下都能获得满意的接头性能。研究表明，况下都能获得满意的接头性能。研究表明， T91/P91 钢焊接性的主要问钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热裂纹倾向，同时也不可忽视接头题是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热