珠光体耐热钢焊接工艺讨论_珠光体耐热钢焊接工艺
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珠光体耐热钢焊接工艺讨论
摘要：主要介绍了珠光体耐热钢的焊接方法、焊接材料的选择、焊前预热温度、焊后热处理及其焊接性能等方面的内容材料的工艺评定、焊接工艺参数以及焊后热处理工艺等。
关键字： 珠光体耐热钢；工艺评定；焊接方法
一、珠光体耐热钢焊接特点及工艺要点（1）焊接特点
珠光体耐热钢属于低合金钢，主要合金元素是铬、钼，还含有少量钨、钒、铌等元素，加热后在空气中冷却具有明显的淬硬倾向，焊接时在焊缝及热影响区易产生硬脆的马氏体组织，这不仅影响焊接接头的力学性能，还会产生很大的内应力，常导致焊缝和热影响区出现冷裂纹。硬化倾向还与下列因素有关：钢中碳、铬含量，构件厚度、刚性及焊件拘束度等。焊接时预热是防止冷裂纹的有效措施，焊件未预热或预热温度太低，工件冷却速度加快都会加重焊缝及热影响区硬化。（2）工艺要点及焊料选择
① 焊接过程中，应保持焊件温度不低于预热温度（包括多层焊时的层间温度）。焊接过程中尽量避免中断，不得已中断时，应保证焊件缓慢冷却，重新施焊前仍需预热。
② 焊件厚度较大时，可采用短道焊,使被焊的这一段焊缝在较短时间内重复加热，目的是为了使焊缝及热影响区缓慢冷却。③ 焊缝正面的余高不宜太高。
④ 保持在自由状态下焊接。由于铬钼耐热钢裂纹倾向比较大，故在焊接时应严格遵守焊接程序，收缩量大的焊缝先焊，尽量减少拘束度。
⑤ 焊后缓冷。焊后缓冷是必须遵守原则，一般是焊后立即用石板布等保温材料覆盖在焊缝及近缝区，覆盖务必严实，确保缓冷。
⑥ 焊后热处理,防止延迟裂纹，消除应力，改善组织。对于厚壁容器及管道，焊后常进行高温回火。
⑦ 焊条选择，摘自钢制压力容器焊接规程JB/T 4709－92、工业金属管道施工规范GB 50236－1997
二、典型珠光体耐热钢的显微组织观察
本实验所采用的珠光体耐热钢为2.25Cr-1Mo、12CrMoV（C=0.15%,M=0.6%,Cr=1.2%,Mo=0.3%,V=0.3%）等。显微组织观察是研究材料内部组织最重要的方法，用光学显微镜观察研究任何材料的显微组织，一般要分三个步骤进行：抛光所截取试样的截面，采用适当的腐蚀剂显示显微组织，用显微镜观察和分析试样的显微组织。
采用气割或机械加工方法切下大块试样，取下的试样还要去除不必要的部分，之后进行试样的平整、磨光、抛光、浸蚀等一系列加工。试样用砂纸磨制后，除表面磨痕外还有一层变形的损伤层，最表层部分经受相当于冷轧量大于90%塑性变形，试样表面变形是不均匀的。因此，试样磨光时，每一道工序必须去除前一道工序造成的损伤层，同时，该道工序本身应造成最少的损伤，使下道工序易于进行。对磨光后的试样进行抛光处理，抛光的目的是要尽快把磨光工序留下来的损伤层除去，使抛光产生的损伤层不影响显微组织的观察。抛光最好分二步进行，先是粗抛，目的在于以最大抛光速率除去磨光时的损伤层;其次是精抛，目的是去粗抛所产生的表面损伤，抛光损伤减到最小程度。焊接接头进行抛光后，光滑的接头表面经过显示组织才能被清楚的看到，所以显示方法是制样过程中相当重要的一步，显示焊接金相的试样组织的方法有两种:一种是化学试剂显示法;另一种是用电解浸蚀剂显示。我们采用第一种方法。化学浸蚀的原理是:位于晶界上的原子排列的规律性较差，具有较高的自由能，所以晶界处受浸蚀深而成凹沟，金属原子的溶解大多是沿着原子排列最密的晶面进行，由于抛光面上每颗晶粒的原子排列的位相不同，所以每个晶粒的溶解速度不同，浸蚀后每个晶粒都以原子排列最密的面为表面，有些晶粒就相对与原来的抛光面倾斜了一定的角度，在垂直光线照射下，则显示出明暗不一的晶粒，由于晶粒与晶粒之间、晶粒与晶界之间溶解速度不同，所以组织就显示出来了。化学浸蚀前必须将试样冲洗干净，以防污垢、油膜存在，妨碍浸蚀作用，然后用夹子夹住试样，浸入浸蚀剂中，必须使磨面各部位同时地浸入浸蚀剂中，并不时摇动试样，以保证试样均匀浸蚀，或者用蘸有浸蚀剂的脱脂棉来擦拭试样的抛光面。完成了以上两个步骤后，就可以进入显微分析的第三步，即显微组织的观察。本试验中的显微组织观察是在光学金相显微镜上进行的。
（1）12CrMoV插撬+J507或J607焊接（图1 图2 图3）
2.25Cr-1Mo堆焊两层过渡区A307盖面层A002N6（图4 图5 图6）对其焊缝组织以及母材、过渡区的显微组织观察图（如下）：
图1 图2 图3
图4 图5 图6
三、珠光体耐热钢焊接工艺分析
由于珠光体耐热钢中含有一定量的Cr、Mo和其它一些合金元素，所以热影响区会产生硬脆的马氏体组织，低温焊接或焊接刚性较大的结构时，易形成冷裂纹。因此在焊接时应采取以下几项工艺措施：
1、预热预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施。为了确保焊接质量，不论在定位焊或正式施焊过程中，焊件都应预热并保持为80～150℃用氩弧焊打底和CO2气体保护焊时，可以降低预热温度或不预热。
2、焊后缓冷焊后应立即用石棉布覆盖焊缝及热影响区，使其缓慢冷却。
3、焊后热处理焊后应立即进行高温回火，防止产生延迟裂纹、消除应力和改善组织。焊后热处理温度应避免在350～500℃温度区间内进行，因珠光体耐热钢在该温度区间内有强烈的加火脆性现象。
四、珠光体耐热钢焊接再热裂纹的防治 4.1 焊缝成形
由于焊缝成形影响应力集中的大小，再热裂纹易产生于应力集中的热影响区粗晶区，因而也影响再热裂纹的产生。焊缝与母材过渡不圆滑，焊缝余高过高或存在咬肉、未熔合、未焊透等缺陷，在焊后再热过程中均能诱发再热裂纹。因此焊接过程中应尽可能的控制焊缝成形，对成形不理想或存在缺陷的部位进行修补，以达到降低焊接应力的作用，从而控制再热裂纹的产生。4.2 组装应力
组装时采用强力组对等，都会使得焊缝处存在大的组装应力。焊后再热过程中，容易引发再热裂纹，因此组装珠光体耐热钢时要避免强力组装，以减少组装应力。4.3 预热
为防止再热裂纹的产生，焊前预热是十分有效的。预热可以降低残余应力，形成对裂纹不敏感的组织等。日本的焊接专家认为，预热可以提高热影响区粗晶区的强度。珠光体耐热钢焊前按要求进行预热，在很大程度上可以防止再热裂纹的产生。
4.4 焊后后热
实验证明，珠光体耐热钢焊后进行150～200℃的后热处理，可以有效地消除焊缝中的扩散氢，从而减少焊缝中残存的空穴，有利于防止再热裂纹的产生。同时焊后后热可以使得焊缝晶界的有害杂质S、P等进行一步弥散，减少因S、P等杂质偏析而导致的再热裂纹。焊后在不太高的温度下进行等温处理，也可以产生类似预热的效果，这样还可以降低焊前的预热温度。4.5 焊接线能量
焊接线能量对再热裂纹的影响有两个方面。首先大的线能量可以有利于降低拘束应力，降低粗晶区的硬度，使得晶内的沉淀增多，减弱焊后加热时析出的强化程度，有利于减少再热裂纹的倾向。但另一方面，大的焊接线能量却使过热区的晶粒更加粗大，晶界结合力更加脆弱，从而增加了再热裂纹的倾向。因此，在焊接珠光体耐热钢时，对焊接线能量的选择，应考虑线能量对晶粒长大的敏感程度，对某些晶粒长大敏感的钢种，焊接时应选较小的线能量，反之，可适当选择较大的焊接线能量。4.6 晶粒度
焊接热影响区粗晶区的晶粒大小对再热裂纹的敏感性也有影响。晶粒度大，裂纹敏感性大；晶粒度小，晶界所占的面积就大，在其它条件均相同的情况下，晶界所能承受的蠕变变形量相对大，产生再热裂纹的倾向也就相应变小。
焊接材料的选择通常有两种原则：一为“等成分原则”即选用焊接材料在化学成分上与母材相同；二为“等强度原则”即选用的焊接材料在化学成分上与母材成分相近，主要保证焊接接头的强度与母材相同。在进行珠光体耐热钢焊接时，一般采用“等强度原则”，甚至在使用条件允许的情况下，可以适当降低焊接接头的强度。实验证明，通过适当降低焊缝金属的强度，提高其塑性变形能力，从而降低焊接接头的应力集中程度，以降低再热裂纹的敏感性。仅仅焊缝表层采用低强度高塑性的焊接材料来盖面也是比较有效的。4.8 合金元素的影响
(1)碳 由于碳化物的形成，碳在热裂纹中有着重要的作用。在Cr-Mo钢中，当含碳量由0.05%增至0.20%时，裂纹倾向明显增加。在含V量高的钢种中，碳的影响更大。
(2)铬 Cr的影响是两个方面的。当钢中的含Cr量＜1.5%时，随着含Cr量的增加，裂纹倾向增大；当含Cr量＞2.0%时，随含Cr量的增加，裂纹倾向逐渐减小。当然，Cr对再热裂纹的影响在很大程度上还取决于钢种中Mo与V的含量。
(3)钼 Mo能够降低蠕变塑性，增加裂纹。其作用是通过对相变特性的影响及碳化钼的析出而实现的。模拟热循环试样缺口应力试验，当Mo的含量为0.21%时，627℃断裂的时间为1300min，而Mo的含量为0.54%时，断裂时间降为2min，说明Mo含量的增加，提高了钢的再热裂纹的敏感性。
(4)钒 V通常与Cr、Mo等元素同时加入，在同时含有其它元素时，增加V是极其有害的。V含量为0.73%，钢材应力—断裂塑性最低。当V含量＜0.15%时，随其含量的增加裂纹率明显增大。如V含量由0增至0.08%时，Y型坡口拘束试样的裂纹率由0增至95%。V的影响主要是形成V4C3的析出，使应力松驰率下降。
(5)微量杂质元素 从金属材料主要元素成分含量相同，而再热裂纹倾向相差很大的事实来看，微量杂质元素起着很大的作用。这是因为这些杂质元素在晶界偏析，促使晶界空穴形成，大大降低金属的蠕变性能。如降低断裂应力和断裂塑性。
4.9 重熔焊道
在再热裂纹的预防上，焊后利用TIG对焊缝表面进行一次重熔，可以减少焊接接头的残余应力，因而也有利于减少再热裂纹的产生。
参考文献：周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性.北京：机械工业出版社，1988 2 周振丰.金属熔焊原理及工艺.北京：机械工业出版社，1987 3 周顺深.低合金耐热钢.上海人民出版社，1976 4 美国焊接学会编，黄静文等译.焊接手册 第二册.北京：机械工业出版社，1988 5 美国焊接学会编，韩鸿硕等译.焊接新技术.宇航出版社，1987 6 王健安.金属学与热处理下册.北京：机械工业出版社，1987 7 丁启湛.钢的焊接脆化.北京：机械工业出版社，1992
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