珠光体耐热钢的焊接

第四节珠光体耐热刚的焊接 一 耐热刚的概念 定义 具有足够的高温强度和较好的抗高温氧化性能的钢 称为耐热钢 一 耐热钢的分类按正火组织 供货状态下的组织 可分为珠光体钢 马氏体钢 铁素体钢和奥氏体钢等 二 珠光体耐热刚的特性 珠光体耐热钢是以铬 钼为主要合金元素的低合金耐热钢 其供货状态 正火或正火加回火 组织是珠光体 或珠光体加铁素体 故称珠光体耐热钢 珠光体耐热钢的特性通常用高温强度和高温抗氧化性两种指标来表示 1 高温强度 抗热性 衡量高温强度的指标有蠕变强度和持久强度两个 1 蠕变强度 蠕变是指在高温下钢的强度较低 当受到一定应力的作用时 会发生变形量随时间而逐渐增大的现象 蠕变强度是钢在一定温度下 在规定的时间内产生一定的微量变形时的应力 2 持久强度 钢在一定温度下 经规定的时间发生断裂的应力 称为持久强度 将Mo W V Ti Nb B等合金元素加入钢中 能提高钢的室温和高温强度 2 高温抗氧化性提高钢抗氧化性能的最有效途径是加入Cr Si Al等合金元素 生成非常致密的Cr2O3 SiO2 Al2O3保护膜 以防止内部金属氧化 Cr和Mo是珠光体耐热钢的主要合金元素 如12CrMo 15CrMo等 影响珠光体耐热钢的各种合金元素 Cr 能提高钢的高温抗氧化性能 还有利于提高高温强度 Mo 形成碳化物的能力比Cr弱 Mo优先溶于固溶体 强化固溶体 Mo的熔点高达2625度 固溶后提高钢的再结晶温度 有效地提高钢的高温强度和抗蠕变能力 Mo可以减少钢的热脆性 提高钢的抗腐蚀能力 V 形成细小弥散的碳化物和氮化物 分布在晶内和晶界 阻碍碳化物聚集长大 提高蠕变强度 另外V与C亲和力比Cr和Mo大 可阻碍Cr和Mo形成碳化物 促进Cr和Mo的固溶强化作用 V含量过高时 形成的 碳化物在高温下聚集长大 造成钢的热强性下降 或使钢材脆化 W W的作用与Mo相似 能强化固溶体 提高蠕变强度 Ti 是碳化物形成元素 可以析出弥散的金属间化合物 提高高温强度 抗晶间腐蚀能力和抗氧化能力 并可提高蠕变强度 改善钢的焊接性 提高钢的蠕变强度 但 增大 钢的塑性 焊接性 耐蚀性及抗氧化能力下降 珠光体耐热钢的焊接性主要存在两个问题 淬硬倾向较大 易产生冷裂纹珠光体耐热钢中含有一定量的铬和钼及其他合金元素 因此在焊接热影响区有较大的淬硬倾向 焊接热输入过小时 热影响区易出现硬脆的马氏体组织 焊接热输入过大时 热影响区晶粒明显粗化 在低温焊接或焊接刚性较大的结构时 易产生冷裂纹 三 珠光体耐热刚的焊接性 焊后热处理过程中易产生再热裂纹 消除应力裂纹珠光体耐热钢含有Cr Mo V Ti Nb等强烈的碳化物形成元素 从而使焊接接头过热区在焊后热处理 高温回火 或称消除应力退火 过程中易产生再热裂纹 或称消除应力处理裂纹 珠光体耐热钢消除应力裂纹取决于钢中碳化物形成元素的特性及其含量 消除应力裂纹出现在焊接热影响区的粗晶区 珠光体耐热钢中的Mo含量增多时 Cr对消除应力裂纹的影响也增大 随着钢中V含量增加 碳的影响也增加 防止消除应力裂纹的措施如下 采用高温塑性高于母材的焊接材料 限制母材和焊接材料的合金成分 将预热温度提高到250 以上 层间温度控制在300 左右 采用小的热输入的焊接工艺 减小焊接过热区的温度 细化晶粒 选择合适的热处理制度 避免在敏感温度区间停留较长时间 2 回火脆性当某些珠光体耐热钢及其焊接接头存在一定量的残余元素时 在350 500 温度区间长期运行过程中 会产生剧烈脆化现象 称回火脆性 一 焊条的选择珠光体耐热钢在进行焊条电弧焊前选择焊条是根据母材的化学成分 而不是根据母材的力学性能 选用的钼和铬钼珠光体耐热钢焊条的Cr Mo等合金元素应与母材相当或略高于母材 珠光体耐热钢焊条选用示例见表4 4 1 此外 可选用奥氏体不锈钢焊条 焊后一般可不做热处理 四 珠光体耐热刚的焊接工艺要点 表4 4 1常用珠光体耐热钢的焊接材料 二 焊前预热由于铬钼珠光体耐热钢的淬硬冷裂倾向较大 因此 预热是焊接铬钼珠光体耐热钢的重要工艺措施 在珠光体耐热钢焊接过程中 一般都要求焊前预热 应保持焊件温度略高于预热温度的层间温度 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 对于铬钼珠光体耐热钢的焊接 为了防止冷裂纹的产生 规定较高的预热温度是必要的 但预热温度并非越高越好 用钨 极氩弧焊打底和CO2气体保护焊时 可以降低预热温度或不预热 预热温度的确定主要是依据钢的合金成分 接头的拘束度和焊缝金属的氢含量 预热温度见表4 4 2 表4 4 2铬钼珠光体耐热钢的焊前预热和焊后热处理 三 焊后保温及缓冷焊后缓冷是焊接铬钼耐热钢必须遵循的原则 即焊后立即用石棉布覆盖焊缝及热影响区保温 使其缓慢冷却 防止接头裂纹的简单而可靠地措施是 将接头按层间温度 预热温度上限 保温2 3h的低温后热处理 可基本上消除焊缝中的扩散氢 四 焊后热处理焊后热处理是指焊件焊后 为了改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力而进行的热处理 焊后热处理的主要作用是 1 可消除或者减少在热影响区出现的脆硬组织 2 降低热影响区硬度 提高塑性和韧性 3 促进扩散氢的逸出 4 有效减少焊接残余应力 增加焊件的尺寸稳定 珠光体耐热钢焊后热处理的方法有以下几种 1 回火把经过淬火的钢重新加热至低于Ac1点以下的某一温度 经过一定时间的保温后 然后冷却室温的热处理工艺称为回火处理 2 正火将钢加热到Ac3或Accm以上30 50 保温适当时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火 3 退火把钢加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢 一般随炉冷却 而均匀冷却的热处理工艺称为退火 当铬钼珠光体耐热钢焊后应立即进行高温回火 以防止产生延迟裂纹 消除焊接残余应力和改善接头组织与性能 铬钼珠光体耐热钢焊接时 控制热输入 采用较小的热输入 有利于减小焊接应力 细化晶粒 改善组织 提高冲击韧度 常用的焊接方法有埋弧焊 焊条电弧焊 钨极氩弧焊 电渣焊 熔化极气体保护焊等 1 埋弧焊埋弧焊不能用于全位置焊 对小直径管和薄壁构件也不适用 常用的珠光体耐热钢的埋弧焊材料见表4 4 1 2 焊条电弧焊 五 珠光体耐热刚的焊接方法 其仅次于埋弧焊的一种焊接方法 在珠光体焊接时 选用低氢型药皮碱性焊条是防止焊接冷裂纹的主要措施之一 但碱性焊条药皮容易吸潮 而焊条药皮和焊剂中的水分是氢的主要来源 因此 焊条 焊剂在使用前要严格按规范烘干 随用随取 还必须清除坡口及两侧的锈 水 油污 3 钨极氩弧焊可以用作打底焊 也可以用于整个焊缝的焊接钨极氩弧焊打底焊时的坡口不留间 隙 焊接时可以填充焊丝 也可以不用填充焊丝 钨极氩弧焊 TIG 打底焊的工艺参数见表4 4 3 表4 4 3TIG打底焊的工艺参数