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耐熱鋼的焊接論文
《新型耐熱鋼焊接》是2006年中國(guó)電力出版社出版的圖書，作者是楊富、章應(yīng)霖、任永寧。本書適用于從事火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、焊接和金屬等廣大技術(shù)人員使用。以下是小編幫大家整理的耐熱鋼的焊接，歡迎大家分享。
內(nèi)容摘要 在高溫下工作，并具有一定強(qiáng)度和抗氧化、耐蝕能力的鐵基合金稱之為耐熱鋼。
耐熱鋼廣泛用于石油化工工業(yè)中的高溫管線、反應(yīng)塔和加熱爐、熱電站的鍋爐和汽輪機(jī)、汽車和船舶的內(nèi)燃機(jī)、航空航天工業(yè)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、核能動(dòng)力裝置等高溫裝置。
中國(guó)自1952年開始生產(chǎn)耐熱鋼。以后研制出一些新型的低合金熱強(qiáng)剛，從而使珠光體熱強(qiáng)剛的工作溫度提高到600～620℃，此外、還發(fā)展出一些新的低鉻鎳抗氧化鋼種。
本文簡(jiǎn)單介紹了耐熱鋼的種類，以及各類耐熱鋼的性能。重點(diǎn)對(duì)低、中合金耐熱鋼的成分和性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析，闡述了這兩種耐熱鋼的焊接性，在焊接過程中容易出現(xiàn)的缺陷以及為防止這些焊接缺陷應(yīng)注意的工藝要點(diǎn)。本文還舉出12Cr1MoV鋼在生產(chǎn)中的焊接實(shí)例，具體的才闡述了耐熱鋼在實(shí)際焊接生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題
關(guān)鍵詞：耐熱鋼；焊接性；焊接工藝要點(diǎn)；12Cr1MoV
耐熱鋼的焊接
耐熱鋼因其在高溫下具有較高的強(qiáng)度和良好的化學(xué)性能，而被廣泛應(yīng)用于鍋爐、汽輪機(jī)、動(dòng)力機(jī)械、工業(yè)爐的制造和航空、石油化工等工業(yè)部門中在高溫下工作零部件。這些部件除要求高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化腐蝕外，根據(jù)用途不同還要求有足夠的韌性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的組織穩(wěn)定性。
熱電廠中的主要部件如蒸汽管線、汽包、水冷壁、鍋爐等均采用耐熱鋼制造。眾所周知，通過提高蒸汽的溫度和壓力來提高熱效率是現(xiàn)代熱電廠的發(fā)展方向。
一、耐熱鋼的類型和性能 在高溫下工作，并具有一定強(qiáng)度和抗氧化、耐蝕能力的鐵基合金稱之為耐熱鋼。
耐熱鋼廣泛用于石油化工工業(yè)中的高溫管線、反應(yīng)塔和加熱爐、熱電站的鍋爐和汽輪機(jī)、汽車和船舶的內(nèi)燃機(jī)、航空航天工業(yè)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、核能動(dòng)力裝置等高溫裝置。
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1、按特性分類 按特性不同，耐熱鋼可分為熱穩(wěn)定鋼和熱強(qiáng)鋼。 熱穩(wěn)定鋼是在高溫狀態(tài)下具有抗氧化或耐氣體介質(zhì)腐蝕的一類鋼，如常用的（Cr25Ni20、Cr25Ni20Si2等）和高鉻鋼（Cr17、Cr25Ti等）； 熱強(qiáng)鋼是指在高溫狀態(tài)下既具有抗氧化或耐氣體介質(zhì)腐蝕，又必須具有一定的高溫強(qiáng)度的一類鋼，主要有高鉻鎳鋼（1Cr18Ni9Ti、4Cr25Ni20等）以及多元合金化的以Cr12為基的馬氏體不銹鋼（1Cr12MoWV）等。
2、按合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類
按合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，耐熱鋼可分為低合金耐熱鋼、中合金耐熱鋼和高合金耐熱鋼。
�。�1）低合金耐熱鋼 其合金系有Mo、Cr-Mo、Mo-V、Cr-Mo-V、Mn-Mo-V、Mn- Ni –Mo和Cr-Mo-Ti-B等；
�。�2）中合金耐熱鋼 其合金系有Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-Nb和Cr-Mo-W-V-Nb等；
（3）高合金耐熱鋼 其合金系有Cr-Ni、Cr-Ni-Ti、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Nb、Cr-Ni-Mo-Nb、Cr-Ni-Mo-V-Nb和Cr-Ni-Si等。
3、按組織分類 按組織的不同，耐熱鋼可分為珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、鐵
素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。
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1．耐熱鋼的的性能
耐熱鋼的的性能主要指高溫化學(xué)穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能
高溫化學(xué)穩(wěn)定性主要是指高溫抗氧化性，有時(shí)還要求具有抗氫腐蝕性。高溫力學(xué)性能主要指熱強(qiáng)性。
2. 對(duì)耐熱鋼焊接接頭性能的基本要求
對(duì)耐熱鋼焊接接頭性能的基本要求包括等熱強(qiáng)性、焊接接頭的抗氧化性、焊接接頭組織的穩(wěn)定性，以及焊接接頭的物理均一性等。
二、低、中合金耐熱鋼的焊接
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低、中合金耐熱鋼是以Cr、Mo為主要合金元素的，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5％～12.5％之間，鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％或1％，室溫組織以珠光體為主，因此又稱為珠光體耐熱鋼。
珠光體耐熱鋼具有良好的抗氧化性和熱強(qiáng)性，還具有一定的抗硫和氫腐蝕的能力，同時(shí)具有很好的冷熱加工性能。主要應(yīng)用于在600℃以下工作的動(dòng)力、石油化工等工業(yè)設(shè)備中。按合金化方式可分為以下三類：
1、Mo鋼
Mo鋼是最早使用的低合金耐熱鋼，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％。Mo的主要作用是固溶強(qiáng)化，提高鋼的熱強(qiáng)性。現(xiàn)在應(yīng)用很少。
2、Cr-Mo鋼
為了改善Mo鋼的石墨化問題，提高鋼的組織穩(wěn)定性，進(jìn)而提高熱強(qiáng)性，在Mo鋼中加入一定量的Cr，Cr能使碳化物具有一定的熱穩(wěn)定性，阻止石墨化。Cr-Mo鋼的使用溫度可以提高到550℃。
3、多元復(fù)合合金化的低合金耐熱鋼
除固溶強(qiáng)化外，鋼中加入了Ｖ、Ｔi、Ｂ等微量元素進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化，進(jìn)一步提高鋼的熱強(qiáng)性和高溫組織的穩(wěn)定性。其合金系統(tǒng)有Cr-Mo-V，Cr-Mo-W-V，Cr-Mo-W-V-B，Cr-Mo-V-Ti-B等。
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1．熱影響區(qū)淬硬性及冷裂紋
低合金耐熱鋼的主要合金元素是Cr和Mo，能顯著提高鋼的淬硬性。如果在焊接時(shí)冷卻速度過快，則在焊縫及熱影響區(qū)形成對(duì)冷裂紋敏感的馬氏體和上貝氏體等組織。
2．消除應(yīng)力裂紋傾向
低合金耐熱鋼中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素屬于強(qiáng)碳化物元素，若結(jié)構(gòu)拘束度較大，那么在消除應(yīng)力處理或高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)，在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)容易出現(xiàn)消除應(yīng)力裂紋。
消除應(yīng)力裂紋一般在500～700℃敏感溫度范圍內(nèi)形成，并且出現(xiàn)在殘余應(yīng)力較高的部位，如接頭咬邊、未焊透等應(yīng)力集中處，這些部位在加熱過程中，殘余應(yīng)力釋放，蠕變變形較大，更容易出現(xiàn)裂紋。
3．熱影響區(qū)的軟化
低合金耐熱鋼焊接接頭熱影響區(qū)存在軟化問題，其軟化區(qū)的金相組織特征是鐵素體加上少量碳化物，在粗視磨片上觀察到一條明顯的
“白帶”，其硬度明顯下降。
軟化區(qū)的存在對(duì)室溫性能沒有什么不利的影響，但在高溫長(zhǎng)期靜載拉伸條件下，接頭往往在軟化區(qū)發(fā)生破壞。
4．回火脆性
Cr-Mo耐熱鋼及焊接接頭在350～500℃溫度區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。
焊縫金屬回火脆化的敏感性比母材大，這是因?yàn)楹附硬牧现械碾s質(zhì)難以控制。
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1．低合金耐熱鋼的焊接工藝
低、中合金耐熱鋼一般在預(yù)熱狀態(tài)下焊接（定位焊同樣需要預(yù)熱），焊后大多要進(jìn)行高溫回火處理。多層焊時(shí)應(yīng)保持道間溫度不低于預(yù)熱溫度。焊接過程中盡量避免中斷，不得以中斷焊接時(shí)，應(yīng)采取緩冷措施；重新施焊的焊件仍需預(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。
�。�1）焊接方法
常采用的熔焊方法有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊,但常以焊條電弧焊為主，埋弧焊和氣體保護(hù)焊的應(yīng)用也越來越多。
�。�2）焊前準(zhǔn)備
焊前準(zhǔn)備的內(nèi)容主要包括下料、坡口加工、熱切割邊緣和坡口面的清理以及焊接材料的預(yù)處理。一般的低合金耐熱鋼工件，可以采用各種熱切割下料。
為防止厚板熱切割邊緣的開裂，應(yīng)采取下列工藝措施：
�、賹�(duì)于所有厚度的2.25Cr-Mo、3Cr-1Mo型鋼和15mm以上的1.25Cr-0.5Mo鋼板，熱切割前應(yīng)將割口邊緣預(yù)熱150℃以上。
②對(duì)于15mm以下的2.25Cr-Mo鋼板，熱切割前應(yīng)預(yù)熱100℃以上。熱切割邊緣應(yīng)作機(jī)械加工并用磁粉探傷檢查是否存在表面裂紋。
（3）焊接材料選擇 焊接材料的選擇原則是保證焊縫金屬的合金成分、強(qiáng)度性能與母材基本一致。若二者成分相差很大，則焊接接頭在長(zhǎng)期高溫條件下工作時(shí)，會(huì)因成分不均勻而導(dǎo)致合金元素?cái)U(kuò)散，使焊接接頭的高溫性能不穩(wěn)定；焊縫強(qiáng)度不能選得過高，以免使焊縫塑性變差，甚至產(chǎn)生冷裂紋。
焊接材料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)略低于母材，其wc焊接材料在使用前應(yīng)作適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。埋弧焊絲用光焊絲，表面要清理干凈。鍍銅焊絲應(yīng)將表面積塵和污垢仔細(xì)清理。焊條和焊劑要妥善保管，在使用前，應(yīng)嚴(yán)格按工藝規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行烘干。
表3列出了幾種常用低合金耐鋼的焊條和焊劑烘干溫度。
�。�4）預(yù)熱和焊后熱處理
低合金耐熱鋼預(yù)熱溫度范圍一般80～150℃，
局部預(yù)熱時(shí)，必須保證預(yù)熱寬度大于焊件壁厚的4倍，且不能少于150㎜。
對(duì)于低合金耐熱鋼來說，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應(yīng)力，更重要的是改善組織，提高接頭的綜合性能。
低合金耐熱鋼焊后一般作高溫回火處理，回火參數(shù)主要是加熱溫度和保溫時(shí)間�；鼗饻囟鹊姆秶�580～760℃。
2．中合金耐熱鋼的焊接
�。�1）焊接方法
應(yīng)優(yōu)先選擇低氫的焊接方法。
如鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊等。在厚壁焊件中，可選擇焊條電弧焊、埋弧焊和電渣焊。但必須采用堿性藥皮焊條和焊劑。
�。�2）焊前準(zhǔn)備
切割之前，必須將切割邊緣200mm寬度內(nèi)預(yù)熱到150℃以上。切割面應(yīng)采用磁粉探傷檢查是否存在裂紋，焊接坡口應(yīng)機(jī)械加工，坡口面上的熱切割硬化層應(yīng)清理干凈，必要時(shí)應(yīng)作表面硬度測(cè)定加以鑒別。
接頭坡口形式和尺寸的設(shè)計(jì)原則是盡量減少焊縫的橫截面積。
�。�3）焊接材料
焊接材料選擇原則是在保證焊接接頭具有與母材相當(dāng)?shù)母邷厝渥儤O限和抗氧化性的前提下，改善其焊接性。其方案有兩種：一是選用高鉻鎳奧氏體焊接材料；二是選擇與母材化學(xué)成分相近的中合金耐熱鋼焊接材料。
�。�4）預(yù)熱和焊后熱處理 預(yù)熱和焊后熱處理是焊接過程中不可缺少的重要工序。預(yù)熱是防止裂紋，降低接頭硬度和焊接應(yīng)力；焊后熱處理的目的在于改善焊縫金屬及其熱影響區(qū)的組織，使淬火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火馬氏體，降低接頭區(qū)的硬度，提高其韌性、變形能力和高溫持久強(qiáng)度并消除內(nèi)應(yīng)力。
三、鍋爐過熱管、聯(lián)箱和主汽管道焊接實(shí)例（以12Cr1MoV為例）
（一）12Cr1MoV鋼焊接性分析
12Cr1MoV鋼是我國(guó)使用廣泛的珠光體耐熱鋼之一，主要用于制造管壁溫度小于580℃的鍋爐過熱管、聯(lián)箱和主汽管道。在12t/h雙汽包橫置式沸騰爐制造過程中，鍋爐的蒸汽出口溫度為450℃，最高工作壓力為3.8MPa，按設(shè)計(jì)圖紙要求采用12Cr1MoV珠光體耐熱鋼管（φ159mm×10mm）作為過熱器聯(lián)箱管，以滿足產(chǎn)品的使用要求。12Cr1MoV珠光體耐熱鋼為低合金耐熱鋼，此類鋼的Cr含量較高，在500-550℃時(shí)具有較高的熱強(qiáng)性和持久強(qiáng)度。12Cr1MoV鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表4。
由表4可見，12Cr1MoV鋼的碳及合金元素含量較多，淬硬敏感性較大，易在焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織。在接頭剛性及應(yīng)力較大時(shí)，易產(chǎn)生冷裂紋。由于過熱聯(lián)箱是在較高溫度下工作的受壓元件，焊接時(shí)應(yīng)采取必要的工藝措施，使焊接接頭有足夠的熱強(qiáng)性能，保證過熱聯(lián)箱安全運(yùn)行。
�。ǘ�12Cr1MoV鋼焊接工藝
1. 焊接方法選擇
在蒸汽管道的管子對(duì)接時(shí)，對(duì)打底焊縫的質(zhì)量要求較高，不僅要求焊縫熔透、背面齊平，還要求焊縫背面無渣或少渣，否則會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，采用手工鎢極氬弧焊（TIG）打底，手工電弧焊（SMAW）填充和蓋面的焊接工藝方法。
2、焊前準(zhǔn)備
�。�1）坡口尺寸
選用單面V形坡口，。用機(jī)械方法加工，應(yīng)嚴(yán)格控制根部間隙和坡口鈍邊尺寸，以確保打底焊縫徹底熔透。
（2）焊接材料選擇
�、偈止ゆu極氬弧焊（TIG）選用:TIC-R31焊絲，焊絲直徑為φ2.5mm。
�、谑止る娀『福⊿MAW）選用:R307（E5515-B2）焊條，直徑為φ3.2mm、φ4mm。
�。�3）焊前準(zhǔn)備
1）焊前應(yīng)把坡口兩側(cè)管子內(nèi)外各20～30mm范圍打磨干凈，直至露出金屬光澤，確保無油漬、鐵銹、水份、氧化物或其他有害的物質(zhì)。
2在焊前須經(jīng)350～400℃烘干1～2h，且在120℃保溫筒存放，隨用隨取。
3）采用3～4塊鍥形塊（材料與母材相同或接近）均為分布定位焊在坡口上，對(duì)接口必須平齊，錯(cuò)邊量不得大于0.5mm，定位焊的焊材及焊接參數(shù)與正式施焊相同。并且在預(yù)熱的狀態(tài)下進(jìn)行定位焊。
�。�4）焊前預(yù)熱 預(yù)熱是珠光體耐熱鋼焊接的重要措施。預(yù)熱可以減慢焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度，有利于避免產(chǎn)生淬硬組織，有助于焊接區(qū)的氫的逸出，防止產(chǎn)生焊接裂紋。由于 12Cr1MoV鋼的碳含量及合金元素的含量較高，所以選擇預(yù)熱溫度為200～300℃，預(yù)熱區(qū)域以焊縫為中心，兩側(cè)至少為100mm。在整個(gè)焊接過程中，應(yīng)保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。
3、焊接工藝參數(shù)
焊接12Cr1MoV鋼時(shí)，應(yīng)采用較小的焊接線能量，以減小焊接應(yīng)力，減少焊接過熱區(qū)寬度，細(xì)化品粒，提高焊縫金屬的抗裂性能，焊接參數(shù)見表5。
4、焊接操作要點(diǎn)
12Cr1MoV鋼的焊接，不但要嚴(yán)格控制焊接規(guī)范參數(shù)，而且焊接操作對(duì)焊接接頭質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。
�。�1）氬弧焊打底焊
將管件處于水平轉(zhuǎn)動(dòng)位焊接，焊接時(shí)采用短弧，焊槍盡可能與工件表面垂直，有利于氬氣對(duì)焊接熔池的保護(hù)。焊槍和焊絲可稍作橫向擺動(dòng)，保證坡口兩側(cè)熔透。同時(shí)，要控制好熔池溫度防止產(chǎn)生焊穿和焊瘤缺陷。在接頭部位，要用手提砂輪打磨弧坑，將弧坑處的收弧裂紋和氣孔等焊接缺陷清除，然后繼續(xù)引弧焊接。
�。�2）焊條電弧焊填充焊
應(yīng)采用短弧焊接，且熱輸入量不宜過大。若采用長(zhǎng)弧焊接，不僅會(huì)出現(xiàn)電弧燃燒不穩(wěn)定、熔深淺、熔化金屬飛濺大及合金元素?zé)龘p加劇等問題，而且容易產(chǎn)生咬邊、未焊透等缺陷，同時(shí)空氣中的N2、O2等有害氣體易進(jìn)入熔池，在焊縫中形成氣孔缺陷。焊接時(shí)焊條可作小月牙形運(yùn)條，在坡口兩側(cè)要停留0.5～1S,焊接層間必須徹底清理焊渣,發(fā)現(xiàn)有氣孔等焊接缺陷時(shí),用手提砂輪將焊接缺陷除掉收弧時(shí)必須將弧坑填滿，以免產(chǎn)生弧坑裂紋。各層間的接頭應(yīng)錯(cuò)開，不得有重疊。
（3）焊條電弧焊蓋面焊
焊接電流比填充層稍小些，應(yīng)選擇正確的焊條角度，運(yùn)條要均勻，防止在坡口邊緣產(chǎn)生咬邊缺陷。焊縫余高要控制在1～3mm，避免焊接接頭在使用中產(chǎn)生應(yīng)力集中。
5、焊后熱處理
12Cr1MoV
減少影響區(qū)出現(xiàn)的淬硬組織，增加塑性和韌性，有效地減少焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)有利于擴(kuò)散氫的逸出，從而減少冷裂紋傾向。所以，焊接結(jié)束時(shí)，應(yīng)立即采用保溫材料將焊縫和近縫區(qū)覆蓋保溫,使接頭緩慢冷卻.隨后,再將焊件整體加熱至720-760℃，恒溫1～2h后,隨爐冷卻至室溫。
6、焊接檢驗(yàn)
依照上述焊接工藝進(jìn)行試件焊接，試件經(jīng)外觀檢查、磁粉探傷和X射線探傷合格后，在試件上截取力學(xué)性能試樣、金相檢驗(yàn)試樣進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果見表6。
四、結(jié)論
1、耐熱鋼是一種在高溫下工作，并具有一定強(qiáng)度和抗氧化、耐蝕能力的鐵基合金。在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，已成為不可或缺的一種材料
2、不同種類的耐熱鋼具有不同的性能。
3、耐熱鋼具有較好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能。
4、低、中合金耐熱鋼在焊接時(shí)易出現(xiàn)熱影響區(qū)淬硬性及冷裂紋、消除應(yīng)力裂紋傾向、熱影響區(qū)的軟化、回火脆性等焊接缺陷。
5、為獲得滿意的耐熱鋼焊接接頭，在焊接時(shí)應(yīng)注意其焊接工藝要點(diǎn)低、中合金耐熱鋼一般在預(yù)熱狀態(tài)下焊接（定位焊同樣需要預(yù)熱），焊后大多要進(jìn)行高溫回火處理。多層焊時(shí)應(yīng)保持道間溫度不低于預(yù)熱溫度。焊接過程中盡量避免中斷，不得以中斷焊接時(shí)，應(yīng)采取緩冷措施；重新施焊的焊件仍需預(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。
6、12Cr1MoV珠光體耐熱鋼管采用手工鎢極氬弧焊（TIG）打底，手工電弧焊（SMAW）填充和蓋面的焊接工藝是可行的，焊接接頭能滿足設(shè)備的使用要求。焊接時(shí)必須控制好焊前預(yù)熱、焊接規(guī)范參數(shù)、焊后熱處理等環(huán)節(jié)。
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