耐熱鋼的焊接1

1、 耐熱鋼的焊接作 者： 系 別： 專 業(yè)： 焊接技術(shù)及自動化 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2011 年 5 月1目 錄內(nèi)容摘要1一、耐熱鋼的類型和性能2（一）耐熱鋼的類型2（二）耐熱鋼的性能2二、低、中合金耐熱鋼的焊接3（一）低、中合金耐熱鋼的成分與性能特點(diǎn)3（二）低、中合金耐熱鋼的焊接性4（三）低、中合金耐熱鋼的焊接工藝要點(diǎn)4三、鍋爐過熱管、聯(lián)箱和主汽管道焊接實(shí)例（以12Cr1MoV為例）6（一）12Cr1MoV鋼焊接性分析6（二）12Cr1MoV鋼焊接工藝7四、結(jié)論9致 謝10參考文獻(xiàn)11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

2、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)動機(jī)、核能動力裝置等高溫裝置。中國自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600620，此外、還發(fā)展出一些新的低鉻鎳抗氧化鋼種。本文簡單介紹了耐熱鋼的種類，以及各類耐熱鋼的性能。重點(diǎn)對低、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)；

3、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

4、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)動機(jī)、核能動力裝置等高溫裝置。（一）耐熱鋼的類型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

5、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。（二）耐熱鋼的性能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

6、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. 對耐熱鋼焊接接頭性能的基本要求對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（一）低、中合金耐熱鋼的成分與性能特點(diǎn)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0.512.5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以下工作的動力、石油

7、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、i、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。表

8、1常用低合金耐熱鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）鋼號CMnSiCrMoVW其他12CrMo0.150.40.70.20.40.40.70.40.55-12Cr5Mo0.150.60.54.06.00.50.6-12Cr9Mo10.150.30.60.51.08.010.00.91.1-12Cr1MoV0.080.150.40.70.170.370.91.20.250.350.150.30-表2常用低合金耐熱鋼的力學(xué)性能鋼牌號熱處理狀態(tài)抗拉強(qiáng)度b/MPa屈服點(diǎn)s/MPa伸長率5/%沖擊吸收功k/J·-212CrMo900930正火，680730回火（緩冷至300空冷）4102652413512

9、Cr5Mo900正火，540570回火980-10-12Cr9Mo19001000空冷或油冷淬火730750空冷回火5907353922078.512Cr1MoV10001020正火，740回火470255215917CrMo1V9801000正火或油淬710730回火7356401659（二）低、中合金耐熱鋼的焊接性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

10、消除應(yīng)力處理或高溫下長期使用時(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500700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)的存在對室溫性能沒有什么不利的影響，但在高溫長期靜載拉伸條件下，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

11、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。（三）低、中合金耐熱鋼的焊接工藝要點(diǎn)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

12、、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：對于所有厚度的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。對于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，則焊接接頭在長期高溫條件下工作時(shí)，會因成分不均勻而導(dǎo)致合金元素?cái)U(kuò)散，使焊接接頭的高溫性能不穩(wěn)

13、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<0.12，但不得低于0.07，否則會造成焊縫金屬的沖擊韌度、熱強(qiáng)性等降低。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。表3 常用耐熱鋼焊條和焊劑的烘干溫度焊條與焊劑烘干溫度/烘干時(shí)間/h保持溫度/型號牌號E5003-A1E5503-B1E5503-B2R102R202R302150200125080E5015-A

14、1E5515-B1E5515-B2E6015-B3E5515-B2-VR107R207R307R407R31735040012127150表3 常用耐熱鋼焊條和焊劑的烘干溫度（續(xù)）焊條與焊劑烘干溫度/烘干時(shí)間/h保持溫度/型號牌號E5515-B3-VWBR34735040012127150HJ350,HJ250,HJ38040045023120150SJ101,SJ301,SJ60130035023120150（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80150，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)

15、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。回火溫度的范圍在580760。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

16、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鋼是我國使用廣泛的珠光體耐熱鋼之一，主要用于制造管壁溫度

17、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（159mm×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。表4 12Cr1MoV珠光體耐熱鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能化學(xué)成分/%力學(xué)性能CMnSiCiMoVSPb/MPas/ MPa5/%0.120.600.351.100.310.190.013

18、0.02243621722注：表中數(shù)據(jù)為焊接試件母材復(fù)驗(yàn)結(jié)果由表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。（二）12Cr1MoV鋼焊接工藝1. 焊接方法選擇在蒸汽管道的管子對接時(shí)，對打底焊縫的質(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

19、（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）焊接材料選擇手工鎢極氬弧焊（TIG）選用:TIC-R31焊絲，焊絲直徑為2.5mm。手工電弧焊（SMAW）選用:R307（E5515-B2）焊條，直徑為3.2mm、4mm。（3）焊前準(zhǔn)備1）焊前應(yīng)把坡口兩側(cè)管子內(nèi)外各2030mm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）氬弧焊用焊絲表面不得有油脂、鐵銹等污物。電弧焊的焊條，在焊前須經(jīng)350400烘干12h，且在120保溫筒存放，隨用隨取。3）采用34塊鍥形塊（材料與母材相同或接近）均為分布定

20、位焊在坡口上，對接口必須平齊，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200300，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

21、表5。表5 焊接參數(shù)焊接方法層次焊材牌號焊絲（條）直徑/mm極性電流I/A電壓U/V氬氣流量Q（L.min-1）TIG1TIC-R312.5直接正接1051251012810SMAW2R307(E5515-B2)3.2直流反接1101302022-SMAW3-4R307(E5515-B2)4.0直流反接1601802224-4、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，有利于氬氣對焊接熔池的保護(hù)。焊槍和焊絲可稍作橫向擺動，保證坡口兩側(cè)熔透。

22、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。若采用長弧焊接，不僅會出現(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0.51S,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

23、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13mm，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鋼的焊接接頭，焊后需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，以消除或減少影響區(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12h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。表6 接頭力學(xué)性能和金相組織接頭力學(xué)性能金相組織b/MPas/ MPa斷裂部位90º面彎90º背彎焊縫熱影響區(qū)母材536388母材完好完好鐵素體+回火索氏體少量魏