HR3C钢与T91钢的焊接.docx

内蒙古工业大学本科科研训练论文学校代码： 10128学 号：201000412005 本科科研训练论文（题 目：HR3C钢与T91钢的焊接和其焊接接头力学性能姓 名：白 七 宝学 院：材料科学与工程系 别：材料成型及控制工程专 业：焊接技术与工程班 级：焊民10指导教师：董俊慧 教授二 一 四 年 十 二 月目录引言11 HR3C钢21.1 HR3C钢简介22 P91钢42.1 P91钢的简介42.2 P91钢的焊接性83 HR3C钢与T91钢的焊接接头力学性能103.1 HR3C 与T91 异种钢的焊接性分析103.2 HR3C 与T91 异种钢的焊接接头力学性能分析11参考文献14引言 在超超临界火电机组中。一些新型奥氏体耐热钢管，如Super304H、HR3C等用于锅炉受热面管的高温段，在过渡部位与四l、T92等马氏体钢管连接，形成了较多的马氏体奥氏体(MA)类异种钢接头有关这类异种钢接头性能及失效行式研究较少。本文对某机组T91HR3C异种钢接头进行了分析。异种钢焊接概述及其焊接特点：两种牌号不同的钢之间的焊接称之为异种钢焊接，它是属于异种金属焊接中应用最为广泛的一类接头。对于异种钢焊接接头又可分为两种情况，第一类为同类异种钢组成的接头，这类接头的两侧母材虽然化学成分不同，但都属于铁素体类钢或都属于奥氏体类钢；第二类接头为异类异种钢组成，即接头两侧的母材不属于同一类钢，例如一侧为铁素体类钢，另一侧为奥氏体类钢(如奥氏体不锈钢)。对于母材都属于铁素体类钢，其焊缝采用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条焊接的接头，也属于第二类接头。 由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、化学性能上都存在着差异，因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多。1 HR3C钢1.1 HR3C钢简介 HR3C钢主要用于超超临界机组锅炉高温段受热面管子。HR3C钢是日本住友公司在TP310基础上通过复合添加Nb,N合金元素研制出来的一种新型奥氏体耐热钢。利用钢中析出微细的CrNb化合物和Nb的碳氮化合物以及M32C6来对钢进行强化，使钢具有较高的高温强度，综合性能较其他TP300系列奥氏体耐热钢优良。由于铬含量高，因此HR3C钢的抗氧化和抗高温腐蚀性能优于18-8型耐热钢，与具有相同含量的310耐热钢类似，是超超临界参数锅炉和高硫燃煤锅炉的首选材料之一。超超临界锅炉的过热器管的工作状况更加恶劣，要求具有更高的抗腐蚀性能的部位，一般选用SA-213TP310H不锈钢。SA-213TP310H不锈钢，高Cr, Ni含量，抗高温腐蚀性能良好，但是其高温蠕变强度不理想，其高温许用应力只等于或小于普通的SA-213TP304H不锈钢。而且普通SA-213TP310H钢还存在相析出后产生的脆性问题。为提高SA-213TP310H钢的高温性能，日本住友公司在对SA-213TP304H研究中发现，在基体中析出的细小的NbCrN氮化物，对TP310H钢强化同样很有效。因此在TP310H不锈钢中添加N、Nb元素开发了HR3C钢。HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）钢与普通的SA-213TP310H钢化学成分区别仅在于添加了0.200.60%的Nb和0.150.35%的N，使新钢种的高温性能却大大提高。其蠕变断裂强度的提高主要是在钢时效过程中析出了NbCrN。NbCrN氮化物非常细小而且特别稳定，即使长时间时效，组织也很稳定，大大提高了蠕变断裂强度。同时加入微量的N对抑制相的形成，改善韧性有效。HR3C钢高温抗腐蚀性能(抗蒸汽氧化性能)良好，其许用应力比普通的SA-213TP310H钢有很大提高。1.2 HR3C钢的焊接性 20世纪40年代以后，人们从经验教训中认识到，韧度是反映材料抵抗脆性破坏的力学性能指标。对结构用钢材来说，除了要有足够的强度外，还应该具有充分的塑性和韧度。尽管设计时采用的仍然是强度准则，但对于重要结构，还必须考核使用于该结构的材料的韧度。对于s350MPa 的材料，最初要求在使用温度下的V形缺口夏比冲击功不得低于20.3J。但是后来又发现，20.3J这个界限不能适用于所有强度等级的钢和不同的结构。随着材料强度的提高，由于冲击功中弹性功的比例增大，对遏止脆性破坏起重要作用的塑性变形功和撕裂功必然减小，因此必须要求材料在强度提高的同时，其韧度也有相应的提高。此外，除了强度等级外，在设计时还需要根据结构重要性的增加和结构尺寸的增大与增厚，对材料的韧度要求作相应地提高。可是传统工艺生产的钢，往往随着材料强度的提高， 材料的塑性和韧度总是有所降低的。于是在1960年前后提出了发展高强度高韧度的强韧化结构钢的要求。经过十多年的努力，冶金工作者成功地开发出了一系列适用于450以下工作的结构用高强度钢材和0以下低温工作构件用的高强度钢材。这些材料不仅强度高，而且韧度也被大幅度地提高。它们已经成功地在相应的领域中使用，取得了很好的效益。管线钢X60、X70就是一个突出的例子，通常把这一类钢称为强韧化。火力发电厂锅炉用铁素体耐热钢的发展大致经历了类似认识过程。 蒸汽温度为650、压力为34MPa的300MW机组早在1960年2月就已在美国Philadelphia电力公司开始商业运行。高的蒸汽参数获得了很高的热效率，但这是以大量使用高Ni、Cr合金的奥氏体材料为代价的。该机组的主蒸汽管道和联箱都采用了AISI316钢，其尺寸分别为508184.15mm和228.6X 63.5mm。虽然Ni-Cr奥氏体材料的高温强度稳定，可是由于具有导热差、线胀系数大、热应力大以及对应力腐蚀敏感等缺点，机组运行不到20年，该机组的主蒸汽管道和联箱出现许多裂纹而泄漏。其中直径较小、壁厚较薄的集箱仅在运行2.5万小时、启停77次后内表面就开始开裂，不得不在20世纪80年代初就大量更换管道。可见，采用奥氏体钢做大厚壁大直径构件的设计是不成功的。这就是为什么在没有出现相应的铁素体耐热钢以前，再也没有更多家电力公司来效仿制造这样参数的机组的缘故。 1960年以后，许多国家都投入了很大的人力和物力研究和开发能够在蒸汽温 度小于等于600的条件下工作的铁素体耐热钢。长期以来，对用于高温承压部件钢管的要求是:(1)足够的高温蠕变断裂强度和持久塑性。(2)良好的高温组织稳定性。(3)良好的高温抗氧化性。(4)良好的加工工艺性。而对常温韧性没有明确要求。在这种观念下，研究和开发电站用铁素体耐热钢的工作大多都是沿着固溶强化、析出强化、位错强化的思路进行的，研制出的铁素体耐热钢都随着高温强度的提高，而其常温塑性和韧度却明显降低。这样的材料在相当程度上制约了20世纪60年代以后电站锅炉蒸汽参数的发展和提高。在这个时期开发出了一系列高温强度较高的铁素体耐热钢。2 P91钢2.1 P91钢的简介1. T91/P91钢属于改良型的9Cr-1Mo高强度马氏体钢。该钢是由美国橡树岭国家实验室ORNL首先研制的。其中钢管已纳入美国ASTM A213 T91,ASTM A335 O91 和 ASME SA213 T91，ASME SA335 P91标准，板材和锻件已分别纳入 ASME SA387 GR91 和 ASME SA335 标准。我国也研制出该钢种，并纳入 GB 5310-2008 标准。T91 代表锅炉用小管子，P91 代表大直径钢管，F91 代表锻钢。2. 该钢是在T9 的基础上，通过降低含碳量，添加合金元素 V Nb ，控制 N 和 Al 含量，使钢不仅具有高的抗氧化性和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高且稳定持久塑性及热强性能。在使用温度低于620度时，该钢的须用应力高于奥氏体耐热钢，特别是与奥氏体耐热钢的异种钢焊接接头，其热强性能可达到本身同种钢管焊接接头的性能水平。该钢还具有优良的导热系数和较小的线膨胀系数。3. SA213T91/SA335P91钢管以正火+回火处理状态供货，其规范为：正火1050度，空冷；回火760度，空冷。4. T91/P91钢主要用于亚临界，超临界参数锅炉壁温不高于625度的高温过热器和壁温不高于650度的高温再热器受热面管子，以及壁温不高于600度的高温集箱和蒸汽管道；也可用于核电设备热交换器及石油裂化装置炉管等。5. T91钢是美国国立像树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的新型马氏体耐热钢。它是在9Cr1MoV钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化。6. T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能，具体分析如下。 碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对T91这类马氏体钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。T91钢与12Cr1MoV钢相比，含碳量降低20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。 T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下氮在钢中的溶解度很小，T91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，T91钢中还含有少量A1，氮能与其形成A1N，A1N在1 100以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。 加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600开始剧烈氧化，而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05 mm/a，600时性能开始变差，腐蚀深度为0.13 mm/a。T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650，主要措施就是使基体中溶有更多的铬。 钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。 加入钼主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。7. 热处理工艺 T91的最终热处理为正火+高温回火，正火温度为1040，保温时间不少于10 min，回火温度为730780，保温时间不少于1h，最终热处理后的组织为回火马氏体。8. 机械性能 T91钢的常温抗拉强度585 MPa，常温屈服强度415 MPa，硬度250 HB，伸长率(50 mm标距的标准圆形试样)20%，许用应力值650=30 MPa。9. 焊接性能 按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得T91的碳当量为 2.17%10. 热影响区淬硬组织的产生 T91的临界冷却速度低，奥氏体稳定性很大，冷却时不易发生正常的珠光体转变，从而冷却到较低温度时发生了马氏体转变。正由于此，T91的淬硬和冷裂倾向很大。11. T91钢的连续冷却曲线 由于热影响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式，在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩；另一方面，由于焊接加热具有不均匀和温度高的特点，故而T91焊接接头内部应力很大。对于T91，奥氏体十分稳定，要冷却到较低温度(约400)才能变为马氏体。粗大的马氏体组织脆而硬，接头又处在复杂应力状态下。同时，焊缝冷却过程中氢由焊缝向近缝区扩散，氢的存在促使了马氏体脆化，其综合作用的结果，很容易在淬硬区产生冷裂纹。12. 热影响区晶粒长大 焊接热循环对焊接头热影响区的晶粒长大有重大的影响，特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；冷却速度大时，由于产生了粗大的马氏体组织，也会使焊接接头塑性下降。13. 软化层的产生 T91钢在调质状态下焊接，热影响区产生软化层不可避免，而且比珠光体耐热钢的软化更为严重。当用加热和冷却速度均较缓慢的规范时，软化程度较大。另外，软化层的宽度和它离熔合线的距离，不仅与焊接的加热条件及特点有关，还与预热、焊后热处理等有关。哈尔滨锅炉厂曾做过试验得出T91焊接热影响区硬度曲线。14. T91焊接热影响区硬度曲线 730回火；750回火，T91钢焊缝热影响区产生的软化现象比较严重，而且接头的回火温度越高，软化程度越严重，接头强度利用系数大大下降。15. 应力腐蚀裂纹 T91钢在焊后热处理之前，冷却温度一般不低于100，如果在室温下冷却，而环境又比较潮湿时，容易出现应力腐蚀裂纹。德国规定：在焊后热处理之前必须冷却至150以下。在工件较厚、有角焊缝存在及几何尺寸不好的情况下，冷却温度不低于100。如果在室温下冷却，严禁潮湿，否则容易产生应力腐蚀裂纹。T91钢的Ms点约为400，预热温度一般选在200250。预热温度不能太高，否则接头冷却速度降低，可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素体组织，从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性。预热温度的下限从哈尔滨锅炉厂所做过的插销试验可得到很好的说明。插销试棒采用T91钢，直径8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo钢，厚20 mm，试验在不预热、预热150、预热200、预热250条件下进行。焊条采用J707。焊接电流为165170 A，电弧电压为21267 V，在不预热条件下，T91钢焊接接头的临界应力为176.4 MPa；预热150时，临界应力为354.8 MPa，为T91钢常温屈服极限415 MPa的85.4%；预热200以上时，临界应力大于460 MPa，超过了T91钢常温屈服极限。由此，为避免T91钢焊接时产生冷裂纹，预热温度必须不低于200，德国规定预热温度为180250，美国CE公司规定预热温度为120205。16. 层间温度的选择层间温度不得低于预热温度下限，但如同预热温度的选取一样，层间温度也不能过高。T91焊接时层间温度一般控制在200300。法国规定：层间温度不超过300。美国规定：层间温度可位于170230之间。17. 焊后热处理起始温度的选择 T91要求焊后冷却到低于Ms点以下并保持一定时间再进行回火处理，焊后冷却速度为80100/h。如果未经保温，接头的奥氏体组织可能没有完全转变，回火加热会促使碳化物沿奥氏体晶界沉淀，这样的组织很脆。但是T91焊后也不允许冷却到室温再进行回火，因为其焊接接头冷却到室温时就有产生冷裂纹的危险。对于T91来说，最佳起始温度为100150，并保温1h，可基本确保组织转变完毕。18. 回火温度、恒温时间、回火冷却速度的选择 T91钢冷裂倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须在焊后24 h内进行回火处理。T91焊后状态的组织为板条状马氏体，经过回火可变为回火马氏体，其性能较板条状马氏体优越。回火温度偏低时，回火效果不明显，焊缝金属容易时效而脆化；回火温度过高(超过AC1线)，接头又可能再次奥氏体化，并在随后的冷却过程中重新淬硬。同时，如本文在前面所述，回火温度的确定还要考虑接头软化层的影响。一般而言，T91回火温度为730780。T91焊后回火恒温时间不少于1 h，才能保证其组织完全转变为回火马氏体。为了降低T91钢焊接接头的残余应力，必须控制其冷却速度小于5 /min。T91钢的焊接工艺可用图3表示。19. 钢焊接工艺 热200250 ；焊接，层间温度200300 ；焊后冷却，速度为 80100 /h；100150 保温1 h；730780 回火1 h；以不大于5 /min速度冷却2.2 P91钢的焊接性 焊接裂纹敏感性:新型铁素体耐热钢的焊接冷裂纹敏感性，都比传统的T22焊接裂纹敏感性低。人们已经习惯以碳当量或裂纹敏感指数来判断钢的冷裂纹敏感性，但它们只适用于低合金钢，不适合于新型铁素体耐热钢。P91的碳当量值为0.78，温度达到400度才能防止焊接冷裂纹的产生。但实际实验中200度就可以防止焊接冷裂纹。实际生产当中提高50度。焊接热裂纹敏感性由于新型铁素体耐热钢的碳和杂质S和P等的含量很低，虽然含有一定量能够提高焊接热裂纹敏感性的Nb，但与传统铁索体耐热钢比，其焊接热裂纹敏感性还足较低的。 新型铁素体耐热钢焊缝金属的韧性：P91钢焊缝金属热模拟焊接热循环时不同冷却时间时的组织，很显然，随冷却时间的增大，晶粒明显粗大一因此，焊接时应尽量提高冷却速度，采用小热输入；在防止产生裂纹的前提下，还要尽量采用较低的预热温度和层间温度。另外还可看出，若进行第二次热循环，冲击韧度将进一步下降。这说明多层焊时其焊缝金属的冲击韧度将进一步下降。上述这种现象又是相互矛盾的，因为采用小热输成的快速焊接，必然使采用多层焊的几率增多。但是，就多层焊而言，应该减薄焊道厚度，将焊道厚度控制在3mm以内，以减低因二次加热发生的脆化温度( 500 -900)的前道焊道的厚度。这个要求也正是对此类钢的焊接的要求，即采用小热输入的焊接参数，并且尽量降低预热温度和层间温度。 影响焊缝金属冲击韧度的因素：P91钢不同焊后热处理程度和不同保温时间财焊缝金属冲击吸收功的影响。从图中可以看出，在试验温度范范围，焊后热处理温度的升高，随焊缝金属的冲击韧度增大。且随着保温时间的延长，焊缝金属的冲击吸收功也升高。P91钢焊后热处理温度和保温时间对焊缝金属硬度的影响。与对焊缝金属冲击吸收功的影响相反，在试验温度范围内，随焊后热处理温度的升高，焊缝金属的硬度降低；且随保温时间的延长，焊缝金属的硬度也下降。然而，为了提高焊缝金属的冲击韧度，就应当降低含最，并提高Ni和Mn含量。但是，Ni和Mn却是降低加，温度的元素。这样，若过多地增加Ni和Mn的含量，过大地降低了。如的温度，将会限制焊后热处理温度的提高，对采用焊后热处理的方法提高焊Ni金Mn冲击韧度受到限制。因此，为了防止焊缝淦属的加，温度降得过低，应当对焊缝金属中Ni和Mn的总含以限制，使之不得大于1. 50%。 新型铁素体耐热钢的时效倾向：在这些新型铁素体耐热钢中，除T24钢外，都具有一定的时效倾向，尤其是P92钢及P122钢最为明显。P92钢的时效倾向。从图中可以看出，时效发生在550-650度的温度范围内，在这个温度范围内时效，使P92钢的冲击韧度大大降低，从大约220J/cm2唪低到60J/cm2左右而这正是这类钢的工作温度范围。在这个温度范围内，温度越高，冲击韧度降低越快，经过约3000h的时效，都降低到个相同的水平。P122钢经时效后，冲击韧度也由大约80J/cm2降低到40J/cm2左右。与母材成分相近的焊缝金属也有类似的倾向。新型铁素体体耐热钢的时效是不可避使时效引起的韧性的下降仍然能够满足使用要求。有两种可供采取的金属的冲击韧度，使时效后的冲击韧度仍然能够满足使用要求；其二前者已如前述，可以采取从焊缝金属的化学成分及选用合理的焊接者，则应当降低Laves相的析出，这一点用降低焊缝金属的Si含量被证明是有效的。 新型马氏体耐热钢焊接接头的蠕变断裂强度：与传统耐热钢一样，新型马氏体耐热钢焊接接头也存在一个蠕变断裂强度降低的区域。P91钢850。1150的区域为蝙变断裂强度降低的区域，而降低得最大的是9001000度的温度区。焊接接头的这种蠕变断裂现象成为IV型蠕变损伤断裂。防止型蠕变损伤裂纹形成的措施1)采用小热输入的快速焊，尽量降低预热温度和层间温度，以减少细晶区的宽度。 2)焊前对母材进行正火，消除母材原奥氏体晶界上分布的碳化物。3)利用硼元素对晶界析出物的稳定作用和其对蠕变孑L洞的形成及长大的抑制作用，开发新的高B低N的9Cr新型马氏体耐热钢。目前在P91钢的基础上，正在开发蠕变断裂强度更高、抗高温腐蚀及抗氧化能力更强的钢。为此，把Cr的质量分数提高到12%。3 HR3C钢与T91钢的焊接接头力学性能3.1 HR3C 与T91 异种钢的焊接性分析 蠕变断裂强度的差别总是存在的，要减小这种差别，延长焊接接头的寿命可以采用加过渡段或在一侧堆焊过渡层的方法，但并不适合所有的接头形式和材料。对于小径管马氏体耐热钢与奥氏体不锈钢的焊接，可采用直接用镍基材料全氩弧焊工艺。对于大管道可采用在马氏体钢侧提前堆焊镍基合金，处理、检验合格后形成焊接坡口，然后与奥氏体钢进行焊接，这样可以大大减少焊接材料成本，又能达到抑制碳扩散的目的。 焊接出现冷裂纹是在焊接马氏体材料时要特别注意的。马氏体材料在焊后空冷条件下产生淬硬组织，脆性极大，在氢及应力的作用下极易形成氢致延迟裂纹，因此需要用最低的预热温度，保证焊后不发生冷裂。同时还要考虑马氏体钢与奥氏体钢同属高合金钢，为避免脆化还要限制最高温度，一般预热温度为150200度，层间温度不超过250为佳。 焊接接头的热裂纹问题在马氏体材料和奥氏体材料中都能出现，除了保证小线能量、薄层焊、限制最高温度外还要把好焊接材料关和注意清理焊接坡口，以保证焊接材料化学成分符合要求，焊材及坡口表面干净。茌焊接操作上，采用短弧焊，收弧时注意填满弧坑，最好采用脉冲氩弧焊焊接。根部氧化是所有高合金材料焊接的共同问题，内部充氩是保证根部不被氧化的最好办法，也可以采用背面涂防氧化剂的方法，但前提是保证所涂的防氧化剂对焊接接头的化学成分、组织、性能没有影响。焊后热处理是马氏体钢和奥氏体钢焊接中一个比较难解决的问题。马氏体钢要求焊后进行热处理，否则组织较脆，应力很大，易出现裂纹；而奥氏体钢一般不要求焊后热处理，即使进行焊后热处理，也是采用固溶处理。两种热处理工艺相差较远为保证较好的服役性能，建议采用如下处理办法： 对于壁厚较小（5mm以下）的炉内管，采用镍基脉冲氩弧焊，焊前预热，焊后保温缓冷，能保证焊接接头运行前不受冲击载荷，这时焊后可以不进行热处理，其他情况应进行焊后热处理，大厚壁管在堆焊完成后，先进行焊后热处理，然后与奥氏体材料对接焊时，不再进行焊后热处理，薄壁管采用镍基填充金属焊接时，采用与马氏体钢相适应的热处理工艺进行焊后热处理。3.2 HR3C 与T91 异种钢的焊接接头力学性能分析 异种钢焊接概述及其焊接特点：两种牌号不同的钢之间的焊接称之为异种钢焊接，它是属于异种金属焊接中应用最为广泛的一类接头。对于异种钢焊接接头又可分为两种情况，第一类为同类异种钢组成的接头，这类接头的两侧母材虽然化学成分不同，但都属于铁素体类钢或都属于奥氏体类钢；第二类接头为异类异种钢组成，即接头两侧的母材不属于同一类钢，例如一侧为铁素体类钢，另一侧为奥氏体类钢(如奥氏体不锈钢)。对于母材都属于铁素体类钢，其焊缝采用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条焊接的接头，也属于第二类接头。 由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、化学性能上都存在着差异，因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多。 异种钢焊接时存在以下焊接特点： 接头中存在着化学成分的不均匀性异种钢焊接接头的化学成分不均匀性及由此而导致的组织和力学性能不均匀性问题极为突出，特别是对于第二类异种钢接头更是如此。不仅焊缝与母材的成分往往不同，就连焊缝本身的成分也是不均匀的，这主要是由于焊接时稀释率的存在所造成的。这种化学成分的不均匀性对接头的整体性能影响较大。 接头熔合区组织和性能的不稳定性 在母材与焊缝金属之间的熔合区由于存在着明显的宏观化学成分不均匀性，因此就引起组织极大的不均匀性，给接头的物理化学性能、力学性能带来很大影响。比如用奥氏体不锈钢焊条焊接低合金钢与奥氏体不锈钢之间的异种钢接头，在熔合区就存在着“碳迁移”现象，使熔合区靠焊缝一侧形成增碳层，而低合金钢一侧形成脱碳层，在此区域内硬度变化剧烈，同时力学性能下降，甚至引起开裂。 焊后热处理是较难处理的问题 异种钢接头的焊后热处理是一个比较难处置的问题，如果处置不当，会严重损坏异种钢接头的力学性能，甚至造成开裂。例如对于同类异种钢接头，一侧母材强度较低，要求的焊后热处理温度也较低，而另一侧母材强度及合金元素含量较高，要求的焊后热处理温度较高，此时如果PWHT温度选择不当，会使强度低的一侧母材强度下降过度。异种钢焊接工艺要点 1. 焊材选择 正确地选用焊材是焊接异种钢的关键，焊接接头的质量和使用性能与所选用的焊材密切相关。 异种钢接头的焊缝和熔合区，由于合金元素被稀释及碳的迁移等原因存在一个过渡区，过渡区中不但化学成分、金相组织不均匀，而且物理性能、力学性能等通常也有很大差异可能会引起焊接缺陷(如裂纹等)或严重降低性能。为此必须按照母材的成分、性能、接头形式和使用要求等来正确选用焊材。其焊材选用的基本原则有以下几点： 在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，若焊缝金属的强度和塑性不能兼顾时，则应选用塑性和韧性较好的焊材。 焊缝金属性能只需要符合两种母材中的一种，即可认为满足使用技术要求。一般情况下，选用焊材使焊缝金属的力学性能及其他性能不低于母材中性能较低一侧的指标，即认为满足了技术要求。但在某些情况下还应从焊接工艺性能(如抗裂性等)方面来考虑。 结构钢的异种钢号焊接时，对相同强度等级的结构钢焊条，一般应选用抗裂性能好的低氢焊条。对于金相组织差别比较大的异种钢接头，如珠光体奥氏体异种钢接头，则必须充分考虑填充金属受到稀释后焊接接头性能仍然得到保障。 在满足性能要求的条件下，选用工艺性能好、价低、易得的焊材。 对于异类异种钢接头，一般均选用高铬镍奥氏体不锈钢焊条或镍基合金焊条。对于工作条件苛刻的重要接头，首推选用镍基合金焊条，因为虽然它价格较贵，但可以减少或避免碳迁移，且其焊缝金属的线膨胀系数介于铁素体钢和奥氏体钢之间，对接头的组织及力学性能都有好处。 2. 焊接预热要求预热温度的确定，一般按预热要求高的一侧来确定焊接预热温度，但对于异类异种钢接头，可以适当降低预热温度，必要时经试验后确定。 3. 焊接规范的确定 对于异类异种钢接头，在选择焊接规范时，因设法降低熔合比。为此，应选择小直径焊条或焊丝，尽量选用小电流快速焊。 4. 采用预堆边焊的方法进行焊接 有时为了解决异种钢接头预热和焊后热处理难的问题，往往采用预堆边焊的方法进行焊接。 其工艺顺序为：在需要热处理的一侧母材坡口先预堆边焊1 2层与焊缝同种钢的焊条此侧进行PWHT冷态焊接整个焊缝，然后接头不再进行PWHT。 这种做法，可减少熔合区成分不均匀所带来的一些问题，也给接头的热处理带来方便，但切记此时预堆边焊层的厚度一定要保证大于或等于4mm，以起到隔离层的作用。 5. 焊后热处理温度的确定 一般是按照热处理温度要求高的一侧母材来选定异种钢接头的PWHT温度，此 时一定要事先做焊接工艺评定，以防使强度低的一侧母材强度严重下降，出现强度不合格。 三、 复合钢板的焊接 复合钢板是由不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板为复层，珠光体钢为基层，以爆炸焊、复合轧制、堆焊等方法制成的双金属板材。复合钢板的基层应满足接头强度和刚度的要求，复层应满足耐蚀等要求。 为了保证复合钢板不失去原有的综合性能，对基层和复层必须分别进行焊接，其焊接性、焊材选择、焊接工艺等由基层、复层材料决定。 基层和复层交界处的焊接属异种钢焊接，其焊接性主要取决于基层和复层的物理性能、化学成分、接头形式、填充金属成分。凡是异种钢焊接存在的问题在复合钢板焊接时同样存在，为此本节只阐述复合钢板焊接时应注意的一些问题。目前应用较多的是奥氏体不锈钢为复层、珠光体为基层的复合钢板，其次是铁素体钢为复层、珠光体为基层的复合钢板。 1. 焊接方法 根据复合钢板材质、接头厚度、坡口尺寸及施焊条件等确定焊接方法，通常有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、CO2气体保护焊及等离子弧焊等。目前常用钨极氩弧焊或焊条电弧焊焊接复层，用埋弧焊或焊条电弧焊焊接基层。 2. 坡口形式 对接接头坡口形式见JB/T 4709钢制压力容器焊接规程图A1。可采用V形、X形、V和U联合形坡口。也可以在接头背面一小段距离内进行机械加工，去掉复层金属，以确保焊基层焊道时不使基层焊肉焊到复层上。一般尽可能采用X形坡口双面焊，先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层。以保证焊接接头具有较好的耐腐蚀性。同时考虑过渡层的焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接工作量。角接接头坡口形式见JB/T 4709钢制压力容器焊接规程。无论复层位于内侧或外侧，均先焊接基层。复层位于内侧时，在焊复层以前应从内侧对基层焊根进行清根。复层位于外侧时，应对基层最后焊道进行修磨光。焊复层时，先焊过渡层，再焊复层。当复层金属的熔化温度高于基层钢的熔化温度，而且两种金属在冶金上不相容时，复层金属必须采用衬垫以保持复层的完整性。在基层焊完后，用角焊缝将衬垫与复层焊接起来。 3. 填充金属选择基层采用适宜的填充金属进行焊接，使接头具有预期使用所需要的力学性能。在大多数情况下，选用合适的中间填充金属作为钢的过渡层，从而控制复层金属最终焊道的含铁量，避免复层和基层处焊道产生脆化、裂纹等，保证复层焊道的耐蚀、耐磨等特殊性能。4. 焊接顺序及焊材选用 通常先焊基层，第一道基层(碳钢、低合金钢)焊缝不应熔透到复层金属，以防焊缝金属发生脆化或产生裂纹。措施是采用合适的接头设计，限制钢焊缝金属熔透；从接头背面去除复层，这当然也增加了焊复层的工作量，提高了焊接成本。 焊(堆焊)复层一侧时，必须考虑稀释的影响。无论哪一种堆焊方法，第一层堆焊的焊缝金属都是由堆焊材料的熔敷金属和熔入的母材金属熔合而成的。由于母材的合金元素含量很低，所以它对第一层焊缝金属的合金成分具有稀释作用。因此，可能使焊缝金属中奥氏体和铁素体形成元素含量不足，结果堆焊金属可能出现大量的马氏体组织，并可能产生裂纹，同时导致堆焊层韧性降低。下面以手工电焊条为例说明。手工电焊条的熔合比一般是20左右。如用308型焊条(Cr18、Ni 8)型的电焊条，经母材稀释以后，堆焊的焊缝金属成分将变成15-7型，这样焊缝中可能是奥氏体+马氏体组织。若在实际操作中熔合比控制较大时，就有可能在焊缝中产生大量的脆硬马氏体，这样的堆焊层无论力学性能、耐蚀性能，还是抗裂性能都很差。由于稀释作用，焊缝中的Ni含量较低，在熔合线附近产生较宽的马氏体过渡层。同样的堆焊方法，若选用309型的堆焊材料，经母材稀释后，堆焊的焊缝金属成分是19-9或18-8型，这样第一层就基本达到堆焊成分的要求，而且焊缝组织是奥氏体+铁素体组织，这样焊缝金属就具有较高的抗热裂性能和抗腐蚀性能。 所以在焊接复合板的复层时，应选择合适的填充金属先堆焊一层或多层过渡层，然后再焊复层。过渡层的填充金属必须能容许基层钢的稀释。以压力容器常见的16MnR+304复合板为例，焊接复层时通常采用309型焊材先堆焊一层，然后用308型焊材焊盖面层。 根部可用碳弧气刨、铲削或磨削法进行清根。在堆焊过渡层前，必须清除清根坡口中的任何残余物。 要焊后热处理以消除焊接残余应力，选择热处理温度时应考虑：基层和复层的热处理规范的差异；对复层耐蚀性的影响；基层和复层界面的元素扩散是否会产生脆性相，导致钢板性能恶化；由于基层和复层的物理性能差异，热处理冷却过