材料焊接性-第3章-特殊用途鋼的焊接-A課件

1、 3.4 中碳調質鋼的焊接中碳調質鋼中的碳和其他合金元素含量較高，通過調質處理（淬火+回火）可獲得較高的強度性能。中碳調質鋼合金元素的加入主要是起保證淬透性和提高抗回火性能的作用，而其強度性能主要還是取決于含碳量。隨著碳含量的提高，鋼的焊接性明顯變差，焊接難度增大。 3.4.1 中碳調質鋼的成分和性能屈服強度達8801176MPa以上，含碳量較高（0.25%0.5%），加入Mn、Si、Cr、Ni、B及Mo、W、V、Ti等，以保證鋼的淬透性，消除回火脆性，通過調質處理獲得綜合性能較好的高強鋼。中碳調質鋼的主要特點: 高的比強度和高硬度（例如可用作火箭外殼和裝甲鋼等），中碳調質鋼的淬硬性比低碳調質

2、鋼高很多，熱處理后達到很高的強度和硬度，但韌性相對較低，給焊接帶來了很大的困難。 典型鋼種Cr-Mn-Si系 30CrMnSiA 前蘇聯王牌鋼，不含貴重的Ni元素，在我國 得到廣泛的應用。 C 0.25-0.45%, Cr、Mo均0.8-1.1%, Si 0.9-1.2% 880油淬，530回火，組織是回火索氏體 b1100MPa，低溫回火b1600MPa 主要用于坦克、裝甲車外殼、飛機起落架、汽車主軸等 30CrMnSiNi2A 加Ni，提高淬透性、強度，焊接性差 40CrMnSiMoVA 加Mo、V，提高強度，但焊接性差 Cr-Ni-Mo系 美國4340（相當于40CrNi2Mo） s 1

3、330MPa 綜合性能良好，強度高、韌性好、高負荷、抗沖擊。 主要用于坦克、飛機、火箭外殼、航天 40CrNiMoA、34CrNi3MoA 由于加入3%Ni和Mo，提高了淬透性和抗回火軟化的能力，對改善鋼的韌性有好處，具有良好的綜合性能，如強度高、韌性好等。主要用于高負荷、大截面的軸類以及承受沖擊載荷的構件，如汽輪機、噴氣渦輪機軸以及飛機起落架和火箭發(fā)動機外殼等。 Cr-Mo系 美國H-11，超高強鋼，極高的強度且有較高的耐熱性 成分相當于35Cr5MoSiV 真空冶煉，1000空淬，500回火，s 2000MPa S、P0.01%，強化相Mo2C、V4C3，彌散分布 主要用于：超音速噴氣式飛

4、機 40Cr 一種廣泛應用的含Cr中碳調質鋼 （b 1000MPa，AKV47J）40Cr鋼具有良好的綜合力學性能、較高的淬透性和較高的疲勞強度，用于制造較重要的在交變載荷下工作的機器零件，如用于制造齒輪、軸類等。鋼中加入Cr1.5%時能有效的提高鋼的淬透性，繼續(xù)增加Cr含量無實際意義。Cr約1%時對鋼的塑性、韌性略有提高，超過2%時對塑性影響不大，但略使沖擊韌性下降。Cr能增加低溫或高溫的回火穩(wěn)定性，但40Cr鋼有回火脆性。 3.4.2 中碳調質鋼的焊接性分析 1. 焊縫中的熱裂紋 2. 淬硬性和冷裂紋 3. 熱影響區(qū)的脆化和軟化 1焊縫中的熱裂紋 （1）產生原因：(C高、合金元素總量高、成

5、分偏析)中碳調質鋼含碳量及合金元素總量較高，焊縫凝固結晶時，固-液相溫度區(qū)間大，結晶偏析傾向嚴重，焊接時易產生結晶裂紋，具有較大的熱裂紋敏感性。例如30CrMnSi由于C、Si含量較高，熱裂傾向較大。為了防止產生熱裂紋，要求采用低碳低硅焊絲（焊絲中C0.15%，最高不超過0.25%），嚴格限制母材及焊絲中的S、P含量（S+P0.03%0.035%）。對于重要產品的鋼材和焊絲，要求采用真空熔煉或電渣精煉，將S、P總量限制在0.025%以下。 （2）防止熱裂紋的措施焊接中碳調質鋼時，應考慮到可能出現熱裂紋問題，盡可能選用低碳、低Si以及含S、P雜質少的焊材。采用堿性焊條。在焊接工藝上應注意填滿弧坑

6、和保證良好的焊縫成形。因為熱裂紋容易出現在未填滿的弧坑處，特別是多層焊時第一層焊道的弧坑中以及焊縫的凹陷部位?？刂坪附訜彷斎?。 2淬硬性和冷裂紋中碳調質鋼的淬硬傾向十分明顯，HAZ容易出現硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭區(qū)的冷裂紋傾向。母材C含量越高，淬硬性越大，焊接冷裂紋傾向越大。中碳調質鋼對冷裂紋的敏感性之所以比低碳調質鋼大，除了淬硬傾向大外，還由于Ms點較低，在低溫下形成的馬氏體難以產生“自回火”效應。由于馬氏體中的碳含量較高，有很大的過飽和度，點陣畸變更嚴重，因而硬度和脆性更大，冷裂紋敏感性也更突出。 （1）冷裂原因分析屈服強度590980MPa的中碳調質鋼的Ceq一般超過0.5%，多

7、數超過0.6%，屬于高淬硬傾向的鋼。從Ceq看，中碳調質鋼與低碳調質鋼的差別不顯著，但二者的焊接性卻差別很大。中碳調質鋼的冷裂傾向比低碳調質鋼更嚴重，原因主要在馬氏體的類型和性能上。低碳馬氏體有“自回火”作用，冷裂紋傾向小。分析各種鋼的冷裂敏感性時，不僅要看焊接區(qū)的馬氏體形成的傾向，還必須考慮到馬氏體的類型和性能。 （2）防止冷裂紋的措施焊接中碳調質鋼時，應盡量降低焊接接頭的含氫量，除采取焊前預熱措施外，焊后須及時進行回火處理。中碳調質超高強鋼具有應力腐蝕開裂敏感性。應力腐蝕開裂常發(fā)生在水或高濕度空氣等弱腐蝕性介質中。為了降低焊接接頭的應力腐蝕開裂傾向，應采用熱量集中的焊接方法和較小的焊接熱輸

8、入，避免焊件表面的焊接缺陷和劃傷。 3熱影響區(qū)的脆化和軟化 (1) 熱影響區(qū)脆化 中碳調質鋼由于碳含量較高（C=0.25%0.45%），合金元素較多，有相當大的淬硬傾向。馬氏體起始轉變溫度Ms一般低于400，無“自回火”過程。在焊接HAZ易產生大量脆硬的馬氏體組織（尤其是高碳、粗大的馬氏體），導致熱影響區(qū)脆化。生成的高碳馬氏體越多，脆化越嚴重。馬氏體的硬度500HV，這樣高硬度的馬氏體組織必然導致較低的韌性。 防止HAZ脆化的措施從減小淬硬出發(fā)，應采用大熱輸入才有利，但由于這種鋼的淬硬性強，僅通過增大熱輸入難以避免馬氏體的形成，相反卻增大了奧氏體過熱，促使形成粗大的馬氏體，反而使HAZ過熱區(qū)的

9、脆化更為嚴重。防止HAZ脆化的工藝措施主要是采用小熱輸入，同時采取預熱、緩冷、后熱等措施。因為采用小熱輸入減少了高溫停留時間，避免奧氏體晶粒的過熱，同時采取預熱和緩冷等措施來降低冷卻速度，這對改善HAZ性能也是有利的。 (2) 熱影響區(qū)軟化 焊前為調質狀態(tài)的鋼材，被加熱到該鋼調質處理的回火溫度以上時，焊接HAZ將出現強度、硬度低于母材的軟化區(qū)。如果焊后不再進行調質處理，該軟化區(qū)可能成為接頭區(qū)的薄弱區(qū)。中碳調質鋼的強度級別越高時，軟化問題越突出。因此，在調質狀態(tài)下焊接時應考慮HAZ軟化問題。母材焊前所處的熱處理狀態(tài)不同，軟化區(qū)的溫度范圍和軟化程度有很大差別。低溫回火的鋼材，HAZ軟化區(qū)的溫度范圍

10、越大，軟化程度也越大。從韌性方面出發(fā)，過熱區(qū)是接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)；而從強度方面考慮，軟化區(qū)是接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)。 (a) 焊條電弧焊 (b) 氣焊 圖3-32 調質狀態(tài)的30CrMnSi鋼焊接接頭的強度分布 其中在AC1附近失強最大 中碳調質鋼HAZ軟化最明顯的部位，是溫度處于Ac1Ac3之間的區(qū)段，這與該區(qū)段的不完全淬火過程有密切關系。因為不完全淬火區(qū)的奧氏體成分遠未達到平衡濃度，鐵素體和碳化物均未充分溶解，冷卻時奧氏體易發(fā)生分解，造成這個區(qū)段的強度和硬度都較低。 3.4.3 中碳調質鋼的焊接工藝特點中碳調質鋼的淬透性很大，因此焊接性較差，焊后的淬火組織是硬脆的高碳馬氏體，不僅冷裂紋敏感性大

11、，而且焊后若不經熱處理時，HAZ性能達不到原來基體金屬的性能。中碳調質鋼焊前母材所處的狀態(tài)非常重要，它決定了焊接時出現的問題性質和采取的工藝措施，而且對焊接工藝的要求和工藝參數的控制非常嚴格。 1. 退火或正火狀態(tài)下焊接 工藝特點中碳調質鋼最好在退火（或正火）狀態(tài)下焊接，焊后通過整體調質處理獲得滿足性能要求的焊接接頭，這是焊接中碳調質鋼的一種比較合理的工藝方案。這時焊接中所要解決的主要是裂紋問題，HAZ和焊縫的性能通過焊后的調質處理來保證。 焊接方法這種情況下對選擇焊接方法幾乎沒有限制，常用的一些焊接方法：SMAW、SAW、TIG/MIG、PAW都能采用。在焊后調質的情況下，焊接參數的確定主要

12、是保證在調質處理前不出現裂紋，接頭性能由焊后熱處理來保證。 焊材選用1）除要求保證不產生冷、熱裂紋外，還有一些特殊要求，即要求焊縫金屬與母材在同一熱處理工藝下調質處理，能獲得相同性能的焊接接頭。2）焊縫金屬的主要合金組成應與母材相似，對能引起焊縫熱裂傾向和促使金屬脆化的元素（如C、Si、S、P等）應加以嚴格控制。 預熱和焊后處理1）可采用很高的預熱溫度（200350）和層間溫度。局部預熱時，預熱溫度范圍離焊縫兩側應不小于100mm，焊后若不能及時調質處理應進行680回火處理。2）很多情況下焊后來不及立即進行調質處理，為了保證焊接接頭冷卻到室溫后在調質處理前不產生延遲裂紋，須在焊后及時進行一次中

13、間熱處理。一般是在焊后預熱溫度下保持一段時間，目的一是起擴散除氫的作用；二是使組織轉變?yōu)閷淞鸭y敏感性低的組織。3）當焊后處理溫度高時，還有消除應力的作用。 產品結構復雜和有許多條焊縫時，焊完一定數量的焊縫后應及時進行中間回火處理，這樣能避免等到最后處理時，先焊接部位已出現延遲裂紋的問題。中間回火的次數，要根據焊縫的多少和產品結構的復雜程度來決定。 焊接實例1）在退火狀態(tài)下焊接厚度30mm的30CrMnSiA時，為了防止冷裂紋應將工件預熱到250350，并在整個焊接過程中保持該溫度。2）對于淬硬傾向更大的30CrMnSiNi2A，為了防止冷裂紋的產生，焊后須立即（焊縫處的金屬不能冷到低于250

14、）將工件入爐加熱到（65010）或680回火，然后進行調質處理。 2. 調質狀態(tài)下焊接 工藝特點如果必須在調質狀態(tài)下焊接，而且焊后不能再進行調質處理的焊接結構件，這時的主要問題是防止焊接裂紋和避免HAZ軟化。除了裂紋外，HAZ主要問題是：高碳M引起的硬化和脆化，以及高溫回火區(qū)軟化引起的強度降低。高碳M引起的硬化和脆化可以通過焊后回火處理來解決。但高溫回火區(qū)軟化引起的強度下降，在焊后不能調質處理的情況下是無法彌補的。由于焊后不再進行調質處理，焊縫金屬成分可與母材有差別。為了防止焊接冷裂紋，也可以選用塑韌性好的奧氏體焊條。對于必須在調質狀態(tài)下焊接，且焊后不能再進行調質處理的焊接結構，這時HAZ性能

15、下降是很難解決的。因此應采用盡可能小的焊接熱輸入。 為了消除HAZ淬硬組織和防止延遲裂紋的產生，必須適當采用預熱、層間溫度控制、中間熱處理，并應焊后及時進行回火處理。上述工藝過程的溫度控制應比母材淬火后的回火溫度至少低50。 焊接方法為了減少HAZ軟化，從焊接方法考慮，應該是采用熱量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接熱輸入越小越好。氣焊在這種情況下是最不合適的，氣體保護焊比較好，特別是TIG，它的熱量容易控制，焊接質量容易保證。PC-TIG、PAW、EBW用于這類鋼的焊接是很有前途的。從經濟性和方便性考慮，焊接這類鋼時SMAW用得最為普遍。 由于焊后不再進行調質處理，選擇焊接材料時不必

16、考慮成分和熱處理規(guī)范與母材相匹配的問題。 焊材選用從防止焊接冷裂紋的要求出發(fā)，可以采用塑韌性好的奧氏體焊條或鎳基焊條。這時在工藝上應注意到異種鋼焊接時的一些特點。例如在調質狀態(tài)下焊接30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A時采用奧氏體焊條，焊后采用2502h或更長時間的低溫回火處理。焊接30CrMnSiNi2A淬硬傾向很大的鋼材時，除了焊后低溫回火外，還要采取一定的預熱措施，預熱溫度應低于母材淬火后的回火溫度，一般采用的預熱和層間溫度為200250。 3. 焊接方法及焊接材料 （中碳調質鋼） （1）焊接方法SMAW、TIG、MIG/MAG、SAW。熱量集中的PC-TIG、PAW、EBW等方

17、法，有利于減小焊接HAZ，獲得細晶組織，提高焊接接頭力學性能。薄板焊接多采用MIG/MAG、TIG和微束PAW等。凸輪軸電子束焊（2）焊接材料：根據焊縫受力條件、性能要求及焊后熱處理情況選 擇。采用低碳合金系，降低焊縫的S、P含量，提高焊縫金屬的抗裂 性。焊后需要熱處理的構件，焊縫金屬的化學成分應與母材相近。 表3-28 中碳調質鋼焊接材料的選用（3）焊接參數 應采用盡可能小的焊接熱輸入，這樣可以降低HAZ 淬火區(qū)的脆化，同時采用預熱、后熱等措施，提高抗冷裂性能，改 善淬火區(qū)的組織性能，采用小熱輸入還有利于減小軟化區(qū)，降低軟 化程度。 表3-27 中碳調質鋼的焊接參數舉例 在確定中碳調質鋼焊接

18、參數時，主要應從防止冷裂紋和避免HAZ軟化出發(fā)。采用較高的預熱溫度200350和層間溫度、焊后立即進行熱處理等，以達到防止裂紋的目的。 4. 預熱及焊后熱處理預熱和焊后熱處理是中碳調質鋼的重要工藝措施，是否預熱以及預熱溫度的高低根據焊件結構和生產條件而定。除了拘束度小，構造簡單的薄壁殼體或焊件不用預熱外，中碳調質鋼焊接時一般要采取預熱或及時后熱的措施，預熱溫度一般為200350。 表3-29 常用中碳調質鋼焊接的預熱溫度 如果焊接結構件焊后不能及時進行調質處理，須及時進行中間熱處理，即在預熱溫度下保溫一定時間的熱處理，如低溫回火或650680高溫回火。若焊件焊前為調質狀態(tài)時，預熱溫度、層間溫度

19、及熱處理溫度應比母材淬火后的回火溫度低50。進行局部預熱時，應在焊縫兩側100mm內均勻加熱。 表3-30 常見中碳調質鋼的焊后熱處理 中碳調質鋼的焊接應用主要用于汽車（拖拉機、機車）主軸、曲軸，坦克、裝甲車外殼、飛機起落架、機床主軸、齒輪、汽輪機、噴氣渦輪機軸、火箭外殼、航空航天等，承受 高負荷、沖擊載荷的結構件?；疖囘B接環(huán)車橋軸EBW 3.5 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，加入合金元素Cr、Mo、V，有時還加入少量W、Ti、Nb、B等，合金元素總的質量分數小于10%。低、中合金珠光體耐熱鋼具有很好的抗氧化性和熱強性，工作溫度可高達600，廣泛用于

20、制造蒸汽動力發(fā)電設備。這類鋼還具有良好的抗硫和氫腐蝕的能力，在石油、化工、電力等工業(yè)部門得到了廣泛的應用。 3.5.1 珠光體耐熱鋼的成分及性能珠光體耐熱鋼的Cr含量0.5%9%，Mo含量一般為0.5%或1%。隨著Cr、Mo含量增加，鋼的抗氧化性、高溫強度和抗硫化物腐蝕性能也都增加。在Cr-Mo鋼中加入少量的V、W、Nb、Ti等元素，可進一步提高鋼的熱強性。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-Mo-V-Ti-B等。 組織性能特點珠光體耐熱鋼的室溫強度不太高，通常是在退火狀態(tài)或正火+回火狀態(tài)供貨，在正火+回火或淬火+回火狀

21、態(tài)下使用。合金元素總量3%時，為B+F（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，又比較經濟，是電力、石油、化工部門用于高溫條件的主要結構材料，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行中會出現碳化物聚集長大等現象。 表3-33 珠光體耐熱鋼的熱處理制度1）厚度不超過30mm的Mo鋼和Mn-Mo鋼可以在熱軋狀態(tài)供貨或使用，其他的耐熱鋼應以熱處理狀態(tài)供貨。 2）熱處理的目的是使鋼材獲得所要求的組織、晶粒尺寸和力學性能。 耐熱鋼的強化途徑(1) 基體固溶強化 加入合金元素強化F基體，常用的Cr、Mo、W、Nb元素能顯著提高熱強性。其中Mo、W的固溶強化

22、作用最顯著；Cr=1%的強化作用已很顯著，繼續(xù)增加Cr的強化效果不顯著，但可提高持久強度。(2) 第二相沉淀強化 在F為基體的耐熱鋼中，強化相主要是合金碳化物（V4C3或VC、NbC、TiC等）。沉淀強化作用可維持到0.7Tm（Tm為熔點），固溶強化效果在0.6Tm以上顯著減弱。但碳化物種類、形態(tài)及彌散度對熱強性影響很大。其中V4C3、NbC、TiC等最有效；Mo2C在溫度低于520時有沉淀強化作用；Cr7C3及Cr23C6在540左右已不穩(wěn)定而易于聚集。(3) 晶界強化 加入微量元素（RE、B、Ti+B等）能吸附于晶界，延緩合金元素沿晶界的擴散，從而強化晶界。 耐熱鋼的焊接應用在電站、核動力

23、裝置、石化加氫裂化裝置、合成化工容器及其他高溫加工設備中，耐熱鋼應用普遍。耐熱鋼焊接對高溫高壓設備長期工作的可靠性有重要意義。要求抗氧化和高溫強度的運行條件下，各種耐熱鋼的極限工作溫度的限制。 圖3-33 各種耐熱鋼的極限工作溫度 表3-34 不同運行條件下耐熱鋼允許的最高工作溫度 圖3-34 高壓氫介質中各種Cr-Mo鋼的適用溫度范圍 3.5.2 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質鋼相近，焊接中存在的主要問題是冷裂紋、HAZ硬化、軟化，以及焊后熱處理或高溫長期使用中的再熱裂紋（SR裂紋）。焊接材料選擇不當，焊縫中還有可能產生熱裂紋。 1. 熱影響區(qū)硬化及冷裂紋珠光體耐熱鋼

24、中的Cr、Mo顯著提高鋼的淬硬性，這些合金元素推遲冷卻過程中的組織轉變，提高過冷A的穩(wěn)定性。成分一定的耐熱鋼，最高硬度取決于A的冷卻速度。焊接熱輸入小時，HAZ易出現淬硬組織；焊接熱輸入過大時，HAZ晶粒明顯粗化。淬硬性大的珠光體耐熱鋼焊接中可能出現冷裂紋，裂紋傾向隨著Cr、Mo含量的提高而增大。當焊縫中H含量過高、焊接熱輸入較小時，由于淬硬組織和H的作用，珠光體耐熱鋼焊接接頭中出現冷裂紋?？刹捎玫蜌浜笚l和控制焊接熱輸入在合適的范圍，加上適當的預熱、后熱措施，避免產生焊接冷裂紋。 2. 消除應力裂紋（SR裂紋）SR裂紋取決于鋼中碳化物形成元素（Mo、V等）含量。SR裂紋出現在HAZ粗晶區(qū)，與焊

25、接工藝及應力有關。一般在500700的敏感溫度范圍形成，裂紋傾向還取決于熱處理制度。采用大熱輸入焊接方法時，如多絲或帶極SAW，在接頭處高拘束應力作用下，焊層間或堆焊層下的過熱區(qū)易出現SR裂紋。Mo增多時，Cr對SR裂紋的影響也增大。Mo從0.5%增至1.0%時，SR裂紋敏感性最大的Cr從1.0%降至0.5%。鋼中有0.1%的V時，即使Mo=0.5%，SR裂紋傾向也很大。 防止再熱裂紋的措施：1）采用高溫塑性高于母材的焊接材料，限制母材和焊材的合金成分，特別是嚴格限制V、Ti、Nb等含量到最低的程度；2）將預熱溫度提高到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HA

26、Z過熱區(qū)寬度，細化晶粒；4）選擇合適的熱處理制度、避免在敏感溫度區(qū)停留較長時間。 3. 回火脆性 耐熱鋼及其焊接接頭在350500溫度區(qū)間長期運行過程中 發(fā)生脆變的現象產生回火脆性的主要原因：在回火脆化溫度范圍內長期加熱后，P、Sb、Sn等雜質元素在奧氏體晶界偏析而引起的晶界脆化；與促進回火脆化的元素Mn、Si也有關。對于基體金屬來說，嚴格控制有害雜質元素的含量，有回火脆性的焊縫金屬須嚴格控制P 、Sb、Sn含量，降低Si、Mn含量，是解決回火脆性的有效措施。Si和P在晶界上形成Si-P復合物，促使晶界脆化，因此控制P0.015%，焊縫中Si3%時，焊縫背面應通氬氣保護，以改善成形，防止焊縫表

27、面氧化。TIG有超低氫特點，焊接時可降低預熱溫度。這種焊接方法的缺點是焊接效率低，生產中多采用TIG焊根部焊道，填充層采用其他高效率的焊接方法，以提高生產率。耐熱鋼管件和棒材可采用電阻壓力焊、感應加熱壓力焊。壓力焊的優(yōu)點是無需填充金屬，但須控制焊接參數，才能獲得優(yōu)質焊接接頭。焊接合金含量較高的耐熱鋼時，須向焊接區(qū)送Ar等保護氣體，以保證接頭的致密性。焊接工藝要點 2. 焊接材料的選用為了保證焊縫性能與母材匹配，具有必要的熱強性，珠光體耐熱鋼的焊縫成分應與母材相近，這與其他合金結構鋼不同。為了防止焊縫有較大的熱裂傾向，焊縫中C要求比母材低（一般不低于0.07%）。若焊接材料選擇適當，焊縫的性能可

28、以和母材匹配。焊接材料的選擇原則：焊縫金屬的合金成分及使用溫度下的強度性能應與母材的指標一致，或達到技術條件提出的最低性能指標。焊件如焊后經退火、正火或熱成形等熱處理或熱加工，應選擇合金成分或強度級別較高的焊接材料。 表3-35 珠光體耐熱鋼焊接材料的選用 當需要將珠光體耐熱鋼和普通碳鋼焊在一起時，一般選用珠光體耐熱鋼焊條或焊絲進行焊接。 控制焊接材料的含水量是防止焊接裂紋的主要措施之一，而珠光體耐熱鋼所用的焊條和焊劑都容易吸潮。在焊接工藝要求中應規(guī)定焊條和焊劑的保存和烘干制度。 表3-36 常用珠光體耐熱鋼焊條和焊劑的烘干制度 注意事項焊接在回火脆性溫度區(qū)間長期工作的2.25Cr-1Mo耐熱

29、鋼，應選擇具有低回火脆化傾向的焊接材料。焊補缺陷或焊后不能進行熱處理時，為了防止產生冷裂紋可采用A焊條（如E309-16、E309Mo-16等）。采用A焊條時，焊前預熱，焊后一般不進行回火處理。奧氏體焊縫與母材線膨脹系數不同以及在高溫下長期工作時有碳的擴散遷移，在交變溫度下工作時易導致熔合區(qū)的開裂。長期高溫工作還可能引起焊縫中的相脆化。這些問題是采用A焊條時所要考慮的。 3. 坡口加工、預熱及焊后熱處理耐熱鋼的坡口加工可采用火焰切割，但切割邊緣的淬硬層會成為后續(xù)加工的開裂源。為了防止切割邊緣開裂，厚度15mm以上的Cr-Mo耐熱鋼，切割前應預熱到150。切割邊緣應機械加工并用磁粉探傷檢查是否存

30、在表面裂紋；厚度15mm以下的耐熱鋼，切割前不必預熱，切割邊緣進行機械加工。為了防止冷裂紋和消除HAZ硬化現象，需正確選定焊前預熱溫度和焊后回火溫度。生產中須結合具體條件，通過試驗來確定預熱及焊后熱處理溫度。預熱溫度的確定是依據鋼的合金成分、接頭拘束度和焊縫金屬氫含量。母材Ceq0.45%、最高硬度大于350HV時，應考慮焊前預熱。 表3-37 珠光體耐熱鋼的預熱溫度和焊后熱處理后熱去氫處理是防止冷裂紋的措施之一。氫在珠光體中的擴散速度較慢，焊后加熱到250以上，保溫一定時間，可以促使氫加速逸出，降低冷裂紋敏感性。采用后熱處理可以降低預熱溫度約50100。耐熱鋼焊后熱處理的目的不僅是消除焊接應

31、力，更重要的是改善焊接區(qū)組織和提高接頭的綜合力學性能，包括提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性，降低焊縫及HAZ硬度等。 3.6 低溫鋼的焊接通常把-10 -196的溫度范圍稱為 “低溫”（我國從 -40算起），低于-196（直到-273）時稱為“超低溫”。低溫鋼主要是為了適應能源、石油化工等產業(yè)部門的需要而迅速發(fā)展起來的一種專用鋼。低溫鋼要求在低溫工作條件下具有足夠的強度、塑性和韌性，具有良好的加工性能，用于制造-20 -253低溫下工作的焊接結構，如貯存和運輸各類液化氣體的容器等。 3.6.1 低溫鋼的分類、成分及性能 1. 低溫鋼的分類1）按使用溫度等級分類 分為-10-40、-50-90

32、、 -100-120和-196-273等級的低溫鋼。2）按合金含量和組織分類 分為低合金鐵素體低溫鋼、中 合金低溫鋼和高合金奧氏體低溫鋼。3）按有無Ni、Cr元素分類 分為無Ni、Cr低溫鋼和含Ni、Cr低溫鋼。4）按熱處理方法分類 分為非調質低溫鋼和調質低溫鋼。 圖3-38 低溫鋼類型及使用的溫度范圍 低溫鋼包括的鋼種很廣泛，從低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低合金高強鋼、低Ni鋼，一直到含Ni 9的高Ni鋼。 溫度-46的液化石油氣儲罐最初是采用2.25Ni鋼制作，后來采用調質鋁鎮(zhèn)靜鋼；溫度-104的乙烯儲罐采用中壓半冷藏儲藏方式，儲罐最初采用低溫用低碳調質鋼，隨后采用3.5Ni鋼制作；溫度-162的液化天

33、然氣儲罐采用9Ni鋼制作。 2. 低溫鋼的成分和組織 (1) 低合金低溫鋼（無Ni低溫鋼） 鋁鎮(zhèn)靜Mn-Si低溫鋼 先用Mn、Si脫氧，再用Al進行強烈脫氧。為了提高韌性，從成分上采取降C和提高Mn/C比（Mn/C11）的措施。該鋼正火處理或淬火+回火處理可細化晶粒，提高低溫韌性，用于-40以上的結構。 低合金F低溫鋼 在Mn-Si鋼基礎上，加入少量合金元素（如Nb、V、Ti、Al、Cu、RE等）得到的低溫鋼（s440MPa），組織為F+少量P。其中Mn、Ni以及能促使晶粒細化的微量元素有利于提高低溫韌性。為了保證良好的綜合力學性能和焊接性，要求低C和低S、P。這種鋼具有高的塑、韌性，用于-5

34、0以上的結構，如Q345、09MnTiCuRE、06AlCuNbN等。 (2) 中合金低溫鋼（含Ni低溫鋼）合金元素總量5%10%，其組織與熱處理工藝有關。其中5Ni鋼、9Ni鋼是典型的中合金低溫鋼。 Ni是發(fā)展低溫鋼的重要元素。為了提高鋼的低溫性能，可加入Ni，形成含Ni的F低溫鋼，如1.5Ni鋼、2.5Ni鋼、3.5Ni鋼以及5Ni鋼等。在提高Ni的同時，應降低C含量和限制S、P及N、H、O含量，防止產生時效脆性和回火脆性等。這類鋼的熱處理條件為正火、正火+回火和淬火+回火等。 5Ni和9Ni鋼的特點5Ni鋼通過化學成分和熱處理控制組織，在 -162 -196低溫下具有良好的韌性。若加入0

35、.25%Mo，可增加奧氏體量并使之穩(wěn)定化，可起到細化晶粒的作用。采用淬火、回火和回復退火的熱處理來控制組織，使5Ni鋼具有高強度、塑性和低溫韌性。9Ni鋼具有一定的回火脆性敏感性，并隨著P的增加而增大，應嚴格控制9Ni鋼中的P含量。9Ni低溫鋼由于Ni高，具有很高的低溫韌性，用于-196，比奧氏體不銹鋼有更高的強度，適于制造貯存液化氣的大型容器，如球罐等。 3. 低溫鋼的力學性能這類鋼須具備的最重要的性能是抗低溫脆化。一些重要結構上，為了防止意外事故的發(fā)生，還要求材料具有抗脆性裂紋擴展的止裂性能，即一旦出現脆性破壞后可以停止繼續(xù)破壞。從安全角度考慮，希望低溫鋼的屈強比（s/b）不要太高，因為屈

36、強比是衡量低溫韌性的指標之一。屈強比越大，表明塑性變形能力的儲備越小，在應力集中部位的應力再分配能力越低，從而易于促使脆性斷裂。 表3-39 常用低溫鋼的力學性能對于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，最低使用溫度下的V形缺口沖擊吸收功（縱向取樣）保證值規(guī)定為20.5J；對于屈強比較高的低溫鋼，要提高到34.5J；對屈強比更高的調質鋼，提高到47J。無論是無Ni或含Ni的低溫鋼，在沖擊韌性上都可以滿足規(guī)定低溫下的使用要求，但是無Ni低溫鋼的屈強比不如含Ni低溫鋼的屈強比高。 對于有一定時效脆性和回火脆性的低溫鋼，須正確選擇加工方法和工藝參數，控制冷卷、冷壓及其他冷加工時的變形量，防止變形量過大造成低溫韌性下降。具有

37、一定回火脆性的鋼種，回火后低溫韌性明顯下降，如06AlCuNbN鋼經550650回火后，在-100時的V形缺口沖擊吸收功從152J急劇下降到17.69.8J。應合理地選擇回火溫度和回火時間。 3.6.2 低溫鋼的焊接性分析 1. 無Ni低溫鋼的焊接性特點不含Ni的F低溫鋼C含量0.06%0.20%，合金元素總量5%，Ceq 0.27%0.57%，焊接性良好。由于Ceq不高，淬硬傾向較小，室溫焊接不易形成冷裂紋；鋼中S、P較低，也不易產生熱裂紋。這類鋼用Al脫氧時形成了穩(wěn)定的AlN，阻止了接頭區(qū)脆化。F低溫鋼通過加入細化晶粒的元素（Ti、Al、Nb等）以及正火處理提高低溫韌性，韌性指標能得到保證

38、。 無Ni低溫鋼焊接性分析時應注意的問題1）嚴格控制焊接熱輸入和層間溫度，使接頭不受過熱的影響，避免HAZ晶粒長大和降低韌性。2）控制焊后熱處理溫度，避免產生回火脆性。板厚15mm時，焊后采用消除應力熱處理。含有V、Ti、Nb、Cu、N的鋼種，當消除應力熱處理溫度處于回火脆性溫度區(qū)時會析出脆性相，使低溫韌性下降。3）含N的F低溫鋼對焊接熱循環(huán)敏感，對焊接應力應變循環(huán)也很敏感，接頭區(qū)會發(fā)生熱應變脆化，使塑、韌性下降。熱應變區(qū)的溫度范圍為200600。采用小的焊接熱輸入可以減小HAZ的熱塑性應變量，有利于減輕熱應變脆化。 焊接無Ni低溫鋼時，通常板厚25mm或焊接拘束度較大時，應考慮預熱，以防止產

39、生焊接裂紋。預熱溫度過高會使HAZ晶粒長大，在晶界處可能析出氧化物和碳化物而降低韌性，預熱溫度100150，最高不超過200。 2. 含Ni低溫鋼的焊接性特點含Ni低的2.5Ni和3.5Ni低溫鋼，Ni的加入提高了鋼的淬透性，但由于C含量低，冷裂紋傾向不嚴重，薄板焊接時不預熱，厚板焊接時需進行100預熱。含Ni高的9Ni鋼，淬硬性很大，超過臨界點的焊接HAZ得到的是淬火組織。但由于C含量很低，并采用了奧氏體焊接材料，冷裂紋傾向并不大。 9Ni鋼焊接性分析時應注意的問題1）正確選擇焊接材料 9Ni鋼線脹系數大，選擇焊材時，須使焊縫與母材的線脹系數相近，以防止因線脹系數差異太大而引起焊接裂紋。2）

40、避免磁偏吹 9Ni鋼是一種強磁性材料，采用直流電源時易產生磁偏吹現象，影響焊接質量。一般做法是焊前避免接觸磁場，選用適于交流電源焊接的焊條（如鎳基合金焊條）。3）控制焊接熱輸入和層間溫度，焊前不預熱 可避免接頭過熱和晶粒長大，保證焊接接頭的低溫韌性。 焊接厚度2.5%以后，焊縫中會出現粗大的板條貝氏體或馬氏體，在這種情況下，C高焊縫韌性下降越明顯。為了改善3.5Ni鋼焊縫的韌性，除降低C、S、P、O等，應對焊縫中Si、Mn加以限制。因Si、Mn高時形成條狀組織，韌性差。Si、Mn太低，會導致焊縫含氧量增加。在3.5Ni焊絲中加微量Ti可細化晶粒，改善焊縫的低溫韌性。當焊縫Ni增加時，回火脆性也

41、會增加，加入少量Mo有利于減小回火脆性。采用奧氏體焊接材料時，熱裂紋傾向隨著焊縫中Ni含量提高而增大。熱裂紋主要產生在焊縫起始部和弧坑處。應采取一些工藝措施防止弧坑裂紋，如收弧時要注意填滿弧坑等。焊接9Ni鋼時，為了保證接頭的低溫韌性，熱輸入控制在1035kJ/cm。焊接坡口兩側1020mm范圍的水、油、銹、氧化皮等須清理干凈。裝配好的工件應及時焊接。焊接環(huán)境溫度不得在小于-5或-10溫度下施焊。雨天或天氣十分潮濕（相對濕度在90%以上），遇有強風或風速在10m/s以上時，不得現場施焊，除非采取適當的防護措施，如升溫、防潮、防風等。 低溫鋼焊接方法SMAW和TIG/MIG應用較廣，SAW應用受

42、到限制，一般不采用氣焊和ESW。為使焊接接頭具有良好的低溫韌性，焊接熱輸入不能過大。通常采用快速多道焊，并通過多層焊的再熱作用細化晶粒，如焊接06MnNbDR低溫鋼時，層間溫度不大于300。 1. 低溫鋼的焊條電弧焊（SMAW） 焊接工藝要點采用較小的焊接熱輸入，選用的焊條直徑一般不大于4mm。對于開坡口的對接焊縫、丁字焊縫和角接焊縫，為獲得良好的熔透和背面成形，封底焊時應選用小直徑焊條，一般不超過3.2mm。盡量用較小的焊接電流，以減小焊接熱輸入，保證接頭有足夠的低溫韌性。 表3-40 幾種常用低溫鋼焊接材料的選用 焊接b490MPa低溫鋼球罐時，焊條中Ni 1.72%、Mo 0.16%；焊

43、接b588MPa的低溫鋼所用的焊條中除了含Ni、Mo外，還含有少量的Cr。 低溫鋼SMAW橫焊、立焊、仰焊時，焊接電流應比平焊時小10%。多層多道焊時，每一焊道采用快速不擺動的操作方法。在坡口內擦劃引弧，不允許工件表面有電弧擦傷。采用快速直線焊，避免采用慢速大幅度擺動的操作方法。在橫焊、立焊、仰焊時，為保證良好的焊縫成形并與母材充分熔合，可作必要的擺動，采用“之”字形運條方法，控制坡口兩側停留的時間。收弧時要將熔池填滿，避免產生較深的弧坑。 表3-41 低溫鋼焊條電弧焊平焊時的焊接參數 2. 低溫鋼的埋弧焊（SAW） (1) 焊材（焊絲和焊劑）的選擇所用焊絲應嚴格控制C、S、P含量。燒結焊劑+Mn-Mo或含Ni焊絲?；?C-Mn焊絲 + 堿性非熔煉焊劑，通過焊劑向焊縫過渡微量Ti、B合金元素，可細化鐵素體晶粒。 堿性焊劑焊縫的含氧量低，可得到高韌性的焊縫，以保證焊縫金屬的低溫韌性。也可采用中性熔煉焊劑 + 含Mo的C-Mn焊絲 或 堿性熔煉焊劑 + 含Ni焊絲。 對于2.5Ni鋼、3.5Ni鋼，選用Ni=2.5%焊絲和Ni=3.5%焊絲。9Ni鋼選用鎳基焊絲，如Ni-Cr-Nb-Ti、Ni-Cr-Mo-Nb、Ni-Fe-Cr-Mo等。低溫鋼埋弧焊常采用堿性焊劑或中性焊劑，以使焊縫金屬具有良好的低溫韌性。在保證焊縫低溫韌性的前提下，還要考慮強度要求。