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珠光体耐热钢焊接工艺讨论

摘要: 关键介绍了珠光体耐热钢焊接方法、 焊接材料选择、 焊前预热温度、 焊后热处理及其焊接性能等方面内容材料工艺评定、 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关键点
（1）焊接特点
珠光体耐热钢属于低合金钢, 关键合金元素是铬、 钼, 还含有少许钨、 钒、 铌等元素, 加热后在空气中冷却含有显著淬硬倾向, 焊接时在焊缝及热影响区易产生硬脆马氏体组织, 这不仅影响焊接接头力学性能, 还会产生很大内应力, 常造成焊缝和热影响区出现冷裂纹。硬化倾向还与下列原因相关: 钢中碳、 铬含量, 构件厚度、 刚性及焊件拘束度等。焊接时预热是预防冷裂纹有效方法, 焊件未预热或预热温度太低, 工件冷却速度加紧都会加重焊缝及热影响区硬化。
（2）工艺关键点及焊料选择
① 焊接过程中, 应保持焊件温度不低于预热温度（包含多层焊时层间温度）。焊接过程中尽可能避免中止, 不得已中止时, 应确保焊件缓慢冷却, 重新施焊前仍需预热。
② 焊件厚度较大时, 可采取短道焊,使被焊这一段焊缝在较短时间内反复加热, 目是为了使焊缝及热影响区缓慢冷却。
③ 焊缝正面余高不宜太高。
④ 保持在自由状态下焊接。因为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, 收缩量大焊缝先焊, 尽可能降低拘束度。
⑤ 焊后缓冷。焊后缓冷是必需遵守标准, 通常是焊后立刻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,预防延迟裂纹, 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、 经典珠光体耐热钢显微组织观察
本试验所采取珠光体耐热钢为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关键方法 用光学显微镜观察研究任何材料显微组织, 通常要分三个步骤进行: 抛光所截取试样截面, 采取合适腐蚀剂显示显微组织, 用显微镜观察和分析试样显微组织。
采取气割或机械加工方法切下大块试样, 取下试样还要去除无须要部分, 以后进行试样平整、 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。所以, 试样磨光时, 每一道工序必需去除前一道工序造成损伤层, 同时, 该道工序本身应造成最少损伤, 使下道工序易于进行。对磨光后试样进行抛光处理, 抛光目是要立刻把磨光工序留下来损伤层除去, 使抛光产生损伤层不影响显微组织观察。抛光最好分二步进行, 先是粗抛, 目在于以最大抛光速率除去磨光时损伤层;其次是精抛, 目是去粗抛所产生表面损伤, 抛光损伤减到最小程度。焊接接头进行抛光后, 光滑接头表面经过显示组织才能被清楚看到, 所以显示方法是制样过程中相当关键一步, 显示焊接金相试样组织方法有两种:一个是化学试剂显示法;另一个是用电解浸蚀剂显示。我们采取第一个方法。化学浸蚀原理是:位于晶界上原子排列规律性较差, 含有较高自由能, 所以晶界处受浸蚀深而成凹沟, 金属原子溶解大多是沿着原子排列最密晶面进行, 因为抛光面上每颗晶粒原子排列位相不一样, 所以每个晶粒溶解速度不一样, 浸蚀后每个晶粒都以原子排列最密面为表面, 有些晶粒就相对与原来抛光面倾斜了一定角度, 在垂直光线照射下, 则显示出明暗不一晶粒, 因为晶粒与晶粒之间、 晶粒与晶界之间溶解速度不一样, 所以组织就显示出来了。化学浸蚀前必需将试样冲洗洁净, 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, 必需使磨面各部位同时地浸入浸蚀剂中, 并不时摇动试样, 以确保试样均匀浸蚀, 或者用蘸有浸蚀剂脱脂棉来擦拭试样抛光面。完成了以上两个步骤后, 就能够进入显微分析第三步, 即显微组织观察。本试验中显微组织观察是在光学金相显微镜上进行。
（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、 过渡区显微组织观察图（以下）:

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
因为珠光体耐热钢中含有一定量Cr、 Mo和其它部分合金元素, 所以热影响区会产生硬脆马氏体组织, 低温焊接或焊接刚性较大结构时, 易形成冷裂纹。所以在焊接时应采取以下几项工艺方法
1、 预热预热是焊接珠光体耐热钢关键工艺方法。为了确保焊接质量, 不管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, 能够降低预热温度或不预热。
2、 焊后缓冷焊后应立刻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刻进行高温回火, 预防产生延迟裂纹、 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加火脆性现象。
四、 珠光体耐热钢焊接再热裂纹防治
4.1　焊缝成形
　　因为焊缝成形影响应力集中大小, 再热裂纹易产生于应力集中热影响区粗晶区 所以也影响再热裂纹产生。焊缝与母材过渡不圆滑, 焊缝余高过高或存在咬肉、 未熔合、 未焊透等缺点, 在焊后再热过程中均能诱发再热裂纹。所以焊接过程中应尽可能控制焊缝成形, 对成形不理想或存在缺点部位进行修补, 以达成降低焊接应力作用, 从而控制再热裂纹产生。
4.2　组装应力
　　组装时采取强力组对等, 都会使得焊缝处存在大组装应力。焊后再热过程中, 轻易引发再热裂纹, 所以组装珠光体耐热钢时要避免强力组装, 以降低组装应力。
4.3　预热
　　为预防再热裂纹产生, 焊前预热是十分有效。预热能够降低残余应力, 形成对裂纹不敏感组织等。日本焊接教授认为, 预热能够提升热影响区粗晶区强度。珠光体耐热钢焊前按要求进行预热, 在很大程度上能够预防再热裂纹产生。
4.4　焊后后热
　　试验证实, 珠光体耐热钢焊后进行150～200℃后热处理, 能够有效地消除焊缝中扩散氢, 从而降低焊缝中残余空穴, 有利于预防再热裂纹产生。同时焊后后热能够使得焊缝晶界有害杂质S、 P等进行一步弥散, 降低因S、 P等杂质偏析而造成再热裂纹。焊后在不太高温度下进行等温处理, 也能够产生类似预热效果, 这么还能够降低焊前预热温度。
4.5　焊接线能量
　　焊接线能量对再热裂纹影响有两个方面。首先大线能量能够有利于降低拘束应力, 降低粗晶区硬度, 使得晶内沉淀增多, 减弱焊后加热时析出强化程度, 有利于降低再热裂纹倾向。但其次, 大焊接线能量却使过热区晶粒愈加粗大, 晶界结协力愈加脆弱, 从而增加了再热裂纹倾向。所以, 在焊接珠光体耐热钢时, 对焊接线能量选择, 应考虑线能量对晶粒长大敏感程度, 对一些晶粒长大敏感钢种, 焊接时应选较小线能量, 反之, 可合适选择较大焊接线能量。
4.6　晶粒度
　　焊接热影响区粗晶区晶粒大小对再热裂纹敏感性也有影响。晶粒度大, 裂纹敏感性大; 晶粒度小, 晶界所占面积就大, 在其它条件均相同情况下, 晶界所能承受蠕变变形量相对大, 产生再热裂纹倾向也就对应变小。
　　焊接材料选择通常有两种标准: 一为“等成份标准”即选择焊接材料在化学成份上与母材相同; 二为“等强度标准”即选择焊接材料在化学成份上与母材成份相近, 关键确保焊接接头强度与母材相同。在进行珠光体耐热钢焊接时, 通常采取“等强度标准”, 甚至在使用条件许可情况下, 能够合适降低焊接接头强度。试验证实, 经过合适降低焊缝金属强度, 提升其塑性变形能力, 从而降低焊接接头应力集中程度, 以降低再热裂纹敏感性。仅仅焊缝表层采取低强度高塑性焊接材料来盖面也是比较有效。
4.8　合金元素影响
　　(1)碳　因为碳化物形成, 碳在热裂纹中有着关键作用。在Cr-Mo钢中, 当含碳量由0.05%增至0.20%时, 裂纹倾向显著增加。在含V量高钢种中, 碳影响更大。
　　(2)铬　Cr影响是两个方面。当钢中含Cr量＜1.5%时, 伴随含Cr量增加, 裂纹倾向增大; 当含Cr量＞2.0%时, 随含Cr量增加, 裂纹倾向逐步减小。当然, Cr对再热裂纹影响在很大程度上还取决于钢种中Mo与V含量。
　　(3)钼　Mo能够降低蠕变塑性, 增加裂纹。其作用是经过对相变特征影响及碳化钼析出而实现。模拟热循环试样缺口应力试验, 当Mo含量为0.21%时, 627℃断裂时间为1300min, 而Mo含量为0.54%时, 断裂时间降为2min, 说明Mo含量增加, 提升了钢再热裂纹敏感性。
　　(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。V含量为0.73%, 钢材应力—断裂塑性最低。当V含量＜0.15%时, 随其含量增加裂纹率显著增大。如V含量由0增至0.08%时, Y型坡口拘束试样裂纹率由0增至95%。V影响关键是形成V4C3析出, 使应力松驰率下降。
　　(5)微量杂质元素　从金属材料关键元素成份含量相同, 而再热裂纹倾向相差很大事实来看, 微量杂质元素起着很大作用。这是因为这些杂质元素在晶界偏析, 促进晶界空穴形成, 大大降低金属蠕变性能。如降低断裂应力和断裂塑性。
4.9　重熔焊道
　　在再热裂纹预防上, 焊后利用TIG对焊缝表面进行一次重熔, 能够降低焊接接头残余应力, 所以也有利于降低再热裂纹产生。

参考文件:
1　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.钢焊接脆化.北京: 机械工业出版社, 1992