低合金耐热钢的焊接

二、低合金耐热钢的焊接

1．焊接性

低合金耐热钢中的合金含量具有不同程度的淬硬倾向，在焊接热循环的作用下，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂纹敏感的显微组织。同时，大多数都含有Cr、Mo、V、Nb和Ti等碳化物形成元素，从而使接头的过热区具有不同程度的再热裂纹敏感性。在实际的结构中，再热裂纹的形成还与焊接热规范、接头的拘束应力以及热处理的制度有关。对于再热裂纹倾向较高的耐热钢，当采用大热输入焊接方法焊接时，如多丝埋弧焊或带极埋弧焊，即使焊后未作消除应力热处理，也会在接头高拘束应力作用下形成焊缝层间或堆焊层下的过热区再热裂纹。

2．焊接材料的选用

选用低合金耐热钢焊接材料的时候，要保证焊缝金属的合金成分与强度性能基本符合母材标准规定的下限值，或应达到产品技术条件规定的最低性能指标。如焊件焊后需要热处理，则应选择合金成分和强度级别较高的焊接材料。为了提高焊缝金属的抗裂性，通常将焊接材料中的碳含量控制在低于母材的碳含量。有时为了免除焊后热处理的工艺措施，需要选用一些特殊用途的焊丝和焊条，焊缝金属的含碳量应控制在0.05%以下。如E8018－B2L和E9018－B3L焊条就能够达到以上要求。

但是，并不是含碳量越低越好，在焊接铬钼钢时，如果碳含量过低，焊缝金属经长时间的焊后热处理会促使铁素体形成，导致韧性下降。故应谨慎使用碳含量过低的焊丝和焊条。对于1.25Cr－0.5Mo钢和2.25Cr－1Mo钢，焊缝金属的最佳含碳量为0.01%左右。在这种碳含量下，焊缝金属具有最高的冲击韧性和与母材相当的高温蠕变强度。常用低合金耐热钢焊接材料的选用可参照表5－18。

表5－18　低合金耐热钢焊接材料选用表

续表

5．预热和焊后热处理

为了防止低合金耐热钢焊接接头冷裂纹和再热裂纹的产生，要采取预热的措施，预热温度主要依据钢的碳当量、接头的拘束度和焊缝金属氢的含量来决定。预热低合金耐热钢时，温度不要太高。对于含Cr量大于2%的铬钼钢，为防止氢致裂纹的产生，一般预热的温度要高些，但不应高于马氏体转变结束点(M_f)的温度，否则当焊件做最终焊后热处理时，会使残余奥氏体转变成马氏体组织，而失去了焊后热处理对马氏体组织的回火作用。

在大型构件的焊接中，从焊接结束到焊后热处理这段时间内容易产生裂纹，因此，经常在接头处做2～3h的低温后热处理，后热处理的温度一般在250～300℃之间。

对于大型焊件的局部预热应注意保证预热区的宽度大于所焊工件壁厚的4倍，至少不小于150mm，且预热区内外表面均应达到规定的预热温度。在厚壁焊件的焊接过程中，应将预热温度基本保持一致，否则会使焊接失败，因此要严格控制预热温度。

对于厚壁容器壳体上插入式接管的环向接头，钢结构部件的十字接头等高拘束度焊件，其预热温度应比表5－19所推荐的预热温度高50℃。

表5－19　压力容器法规规定的最低预热温度

对于某些合金成分较低，壁厚较薄的低合金耐热钢接头，如果焊前采取预热，使用低氢低碳级焊接材料，且经焊接工艺试验证实接头具有足够的塑性和韧性，则焊件允许在焊后不作热处理。焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，而且更重要的是改善金属组织，提高接头的综合力学性能，包括降低焊缝及热影响区的硬度，提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性等。因此，在拟定耐热钢接头的焊后热处理规范时，应综合考虑下列冶金和工艺特点:

①焊后热处理应保证焊缝热影响区，主要是过热区组织的改善;

②加热温度应保证接头的应力降低到尽可能低的水平;

③焊后热处理，包括多次的热处理不应使母材和焊接接头各项力学性能降低到产品技术条件规定的最低值以下;

④焊后热处理应尽量避免在所处理钢材回火脆性敏感的或对再热裂纹敏感的温度范围内进行，并应规定在危险的温度范围内的加热速度。

4．焊接工艺要点

(1)割口边缘处理。

低合金耐热钢焊前准备的内容主要是接缝边缘的切割下料、坡口加工、热切割边缘和坡口面的清理以及焊接材料的预处理。对于一般的低合金耐热钢焊件，可以采用各种热切割法下料。热切割或电弧气刨快速加热和冷却引起的热切割边缘的母材组织变化与焊接热影响区相似，但热收缩应力要低得多。虽然如此，厚度超过50mm的铬钼钢热切割边缘硬度仍可达到HV440以上，如在后续加工之前，对这种高硬度热切割边缘不加处理，很可能成为工件卷制和冲压过程中的开裂源。为防止厚板热切割边缘的开裂，一般要采取相应的工艺措施。

①对于2.25Cr－Mo、3Cr－1Mo型钢和15mm以上的1.25Cr－0.5Mo钢板，在热切割前，应将割口边缘预热到150℃以上，经过热切割后的边缘通常要采用机械加工或磁粉探伤的方法来检验是否存在表面裂纹。

②厚度在15mm以下的1.25Cr－0.5Mo钢板和15mm以上的0.5Mo钢板热切割前应预热到100℃以上，经过热切割后的边缘同样要采用机械加工或磁粉探伤的方法来检验是否存在表面裂纹。

③热切割边缘或坡口面如果直接进行焊接，焊前必须清理干净热切割熔渣和氧化皮。切割面缺口应用砂轮修磨圆滑过渡，机械加工的边缘或坡口面焊前应清除油迹等污物。对焊缝质量要求较高的焊件，焊前最好用丙酮擦净坡口表面。

焊接材料在使用前应作适当的预处理。埋弧焊用光焊丝，应将表面防锈油清除干净。镀铜焊丝亦应将表面积尘和污垢仔细清除。

(2)焊条和焊剂的烘干。

焊条电弧焊的药皮和埋弧焊的焊剂要妥善保管，在使用前，应严格按工艺规程的规定进行烘干。这对于保持焊缝金属的低氢含量至关重要。表5－20列出几种常用低合金耐热钢焊条和焊剂典型烘干制度。其实，各种焊剂和焊条药皮的吸潮特性随制造工艺而变化。因此，最合理的烘干制度应根据焊条和焊剂生产厂的产品说明书来制定。

表5－20　常用耐热钢焊条和焊剂的烘干制度

3．焊接方法

耐热钢焊接结构生产中实际应用的焊接方法主要有焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极氩弧焊、电阻焊和感应加热压力焊等。

(1)焊条电弧焊。

焊条电弧焊操作简单、灵活方便，适合于各种位置的焊接，在低合金耐热钢结构的焊接中应用广泛。各种低合金耐热钢焊条已纳入国家标准。焊条的品种，规格和质量，除个别耐热钢种外，均已能满足工业生产的需要。为确保焊缝金属的韧性，降低裂纹倾向，低合金耐热钢的焊条电弧焊大都采用低氢型碱性焊条，但对于合金含量较低的耐热钢薄板，为改善工艺适应性，亦可采用高纤维素或高氧化钛酸性焊条。对低合金耐热钢而言，焊条电弧焊的缺点是建立低氢的焊接条件较困难，焊接工艺较复杂，且效率低，焊条利用率不高。

(2)埋弧焊。

埋弧焊的熔敷效率高，焊缝质量好，在压力容器、管道、重型机械、钢结构、大型铸件等的焊接中都得到了广泛的应用。目前，已能提供与各种耐热钢匹配的焊丝和焊剂，包括用于特种厚壁容器且要求抗回火脆性的高纯度焊丝及烧结焊剂。

(3)熔化极气体保护焊。

熔化极气体保护焊是一种高效、优质、低成本的焊接方法。目前已能提供品种、规格齐全，质量符合标准要求的低合金耐热钢实心焊丝。熔化极气体保护焊还具有较高的工艺适应性，可采用直径0.8mm、1.0mm的细焊丝实现低电流短路过渡焊接，以完成薄板接头和根部焊道。也可采用1.2mm以上的粗丝实现高熔敷效率的喷射过渡焊接，以完成厚壁接头焊接。药心焊丝气体保护焊与普通的实心焊丝气体保护焊相比具有更高的熔敷效率，且操作性能优良，飞溅小，焊缝成形美观。药心焊丝比实心焊丝更易调整焊缝金属的合金成分，接头的性能和质量能得到可靠的保证。另外，药心焊丝比药皮焊条具有较好的抗潮性，可得到低氢的焊缝金属，这对于低合金耐热钢厚壁焊件尤为重要。因此，药心焊丝气体保护焊在低合金耐热钢焊接结构生产中的应用必将迅速扩大。

(4)钨极氩弧焊。

钨极氩弧焊具有低氢、工艺适应性强、易于实现单面焊双面成形的特点，多半用于低合金耐热钢管道的封底层焊道或小直径薄壁管的焊接。可以采用抗回火脆性能力较强的低硅焊丝，提高焊缝金属的纯度，这对于要求高韧性的耐热钢焊接结构具有重要的意义。

此外，低合金耐热钢管件和棒材也可采用电阻焊、感应压力焊以及电阻感应焊法。这些焊接方法的优点是无须填充金属。但是，必须严格控制焊接规范。在焊接合金含量较高的耐热钢时，必须向焊接区吹送Ar或H₂等保护气体，以保证接头的致密性。