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耐热钢的焊接


     耐热钢因其在高温下具有较高的强度和良好的化学性能,而被广泛应用于锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉的制造和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外,根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性,以及一定的组织稳定性。
    热电厂中的主要部件如蒸汽管线、汽包、水冷壁、锅炉等均采用耐热钢制造。众所周知,通过提高蒸汽的温度和压力来提高热效率是现代热电厂的发展方向。

一、耐热钢的类型和性能 在高温下工作,并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金称之为耐热钢。耐热钢广泛用于石油化工工业中的高温管线、反应塔和加热炉、热电站的锅炉和汽轮机、汽车和船舶的内燃机、航空航天工业的喷气发动机、核能动力装置等高温装置。
(一)耐热钢的类型
1、按特性分类 按特性不同,耐热钢可分为热稳定钢和热强钢。 热稳定钢是在高温状态下具有抗氧化或耐气体介质腐蚀的一类钢,如常用的(Cr25Ni20、Cr25Ni20Si2等)和高铬钢(Cr17、Cr25Ti等); 热强钢是指在高温状态下既具有抗氧化或耐气体介质腐蚀,又必须具有一定的高温强度的一类钢,主要有高铬镍钢(1Cr18Ni9Ti、4Cr25Ni20等)以及多元合金化的以Cr12为基的马氏体不锈钢(1Cr12MoWV)等。

2、按合金元素质量分数分类

按合金元素质量分数不同,耐热钢可分为低合金耐热钢、中合金耐热钢和高合金耐热钢。
(1)低合金耐热钢 其合金系有Mo、Cr-Mo、Mo-V、Cr-Mo-V、Mn-Mo-V、Mn- Ni –Mo和Cr-Mo-Ti-B等;
(2)中合金耐热钢 其合金系有Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-Nb和Cr-Mo-W-V-Nb等;
(3)高合金耐热钢 其合金系有Cr-Ni、Cr-Ni-Ti、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Nb、Cr-Ni-Mo-Nb、Cr-Ni-Mo-V-Nb和Cr-Ni-Si等。
3、按组织分类 按组织的不同,耐热钢可分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。
(二)耐热钢的性能
1.耐热钢的的性能
    耐热钢的的性能主要指高温化学稳定性和高温力学性能
    高温化学稳定性主要是指高温抗氧化性,有时还要求具有抗氢腐蚀性。高温力学性能主要指热强性。
2. 对耐热钢焊接接头性能的基本要求
    对耐热钢焊接接头性能的基本要求包括等热强性、焊接接头的抗氧化性、焊接接头组织的稳定性,以及焊接接头的物理均一性等。
二、低、中合金耐热钢的焊接
(一)低、中合金耐热钢的成分与性能特点
      低、中合金耐热钢是以Cr、Mo为主要合金元素的,铬的质量分数在0.5%~12.5%之间,钼的质量分数为0.5%或1%,室温组织以珠光体为主,因此又称为珠光体耐热钢。
珠光体耐热钢具有良好的抗氧化性和热强性,还具有一定的抗硫和氢腐蚀的能力,同时具有很好的冷热加工性能。主要应用于在600℃以下工作的动力、石油化工等工业设备中。按合金化方式可分为以下三类:
1、Mo钢    Mo钢是最早使用的低合金耐热钢,Mo的质量分数为0.5%。Mo的主要作用是固溶强化,提高钢的热强性。现在应用很少。
2、Cr-Mo钢    为了改善Mo钢的石墨化问题,提高钢的组织稳定性,进而提高热强性,在Mo钢中加入一定量的Cr,Cr能使碳化物具有一定的热稳定性,阻止石墨化。Cr-Mo钢的使用温度可以提高到550℃。
3、多元复合合金化的低合金耐热钢     除固溶强化外,钢中加入了V、Ti、B等微量元素进行时效强化和晶界强化,进一步提高钢的热强性和高温组织的稳定性。其合金系统有Cr-Mo-V,Cr-Mo-W-V,Cr-Mo-W-V-B,Cr-Mo-V-Ti-B等。
(二)低、中合金耐热钢的焊接性
1.热影响区淬硬性及冷裂纹
    低合金耐热钢的主要合金元素是Cr和Mo,能显著提高钢的淬硬性如果在焊接时冷却速度过快,则在焊缝及热影响区形成对冷裂纹敏感的马氏体和上贝氏体等组织。
2.消除应力裂纹倾向
    低合金耐热钢中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素属于强碳化物元素,若结构拘束度较大,那么在消除应力处理或高温下长期使用时,在热影响区的粗晶区容易出现消除应力裂纹。
消除应力裂纹一般在500~700℃敏感温度范围内形成,并且出现在残余应力较高的部位,如接头咬边、未焊透等应力集中处,这些部位在加热过程中,残余应力释放,蠕变变形较大,更容易出现裂纹。
3.热影响区的软化
    低合金耐热钢焊接接头热影响区存在软化问题,其软化区的金相组织特征是铁素体加上少量碳化物,在粗视磨片上观察到一条明显的“白带”,其硬度明显下降。软化区的存在对室温性能没有什么不利的影响,但在高温长期静载拉伸条件下,接头往往在软化区发生破坏
4.回火脆性
   Cr-Mo耐热钢及焊接接头在350~500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。焊缝金属回火脆化的敏感性比母材大,这是因为焊接材料中的杂质难以控制。
(三)低、中合金耐热钢的焊接工艺要点
1.低合金耐热钢的焊接工艺
     低、中合金耐热钢一般在预热状态下焊接(定位焊同样需要预热),焊后大多要进行高温回火处理。多层焊时应保持道间温度不低于预热温度。焊接过程中尽量避免中断,不得以中断焊接时,应采取缓冷措施;重新施焊的焊件仍需预热,焊接完毕应将焊件保持在预热温度以上数小时,然后再缓慢冷却。
(1)焊接方法
    常采用的熔焊方法有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊和电渣焊,但常以焊条电弧焊为主,埋弧焊和气体保护焊的应用也越来越多。
(2)焊前准备
   焊前准备的内容主要包括下料、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。一般的低合金耐热钢工件,可以采用各种热切割下料。
   为防止厚板热切割边缘的开裂,应采取下列工艺措施:
        ①对于所有厚度的2.25Cr-Mo、3Cr-1Mo型钢和15mm以上的1.25Cr-0.5Mo钢板,热切割前应将割口边缘预热150℃以上
        ②对于15mm以下的2.25Cr-Mo钢板,热切割前应预热100℃以上。热切割边缘应作机械加工并用磁粉探伤检查是否存在表面裂纹,

(3)焊接材料选择 

       焊接材料的选择原则是保证焊缝金属的合金成分、强度性能与母材基本一致。若二者成分相差很大,则焊接接头在长期高温条件下工作时,会因成分不均匀而导致合金元素扩散,使焊接接头的高温性能不稳定;焊缝强度不能选得过高,以免使焊缝塑性变差,甚至产生冷裂纹。焊接材料中碳的质量分数应略低于母材,焊接材料在使用前应作适当的预处理。埋弧焊丝用光焊丝,表面要清理干净。镀铜焊丝应将表面积尘和污垢仔细清理。焊条和焊剂要妥善保管,在使用前,应严格按工艺规程的规定进行烘干。

表3列出了几种常用低合金耐钢的焊条和焊剂烘干温度。
(4)预热和焊后热处理
     低合金耐热钢预热温度范围一般80~150℃,局部预热时,必须保证预热宽度大于焊件壁厚的4倍,且不能少于150㎜。
     对于低合金耐热钢来说,焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力,更重要的是改善组织,提高接头的综合性能。
     低合金耐热钢焊后一般作高温回火处理,回火参数主要是加热温度和保温时间。回火温度的范围在580~760℃。
2.中合金耐热钢的焊接
(1)焊接方法
     应优先选择低氢的焊接方法。如钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊等。在厚壁焊件中,可选择焊条电弧焊、埋弧焊和电渣焊。但必须采用碱性药皮焊条和焊剂。
(2)焊前准备
     切割之前,必须将切割边缘200mm宽度内预热到150℃以上。切割面应采用磁粉探伤检查是否存在裂纹,焊接坡口应机械加工,坡口面上的热切割硬化层应清理干净,必要时应作表面硬度测定加以鉴别。接头坡口形式和尺寸的设计原则是尽量减少焊缝的横截面积。
(3)焊接材料
    焊接材料选择原则是在保证焊接接头具有与母材相当的高温蠕变极限和抗氧化性的前提下,改善其焊接性。其方案有两种:一是选用高铬镍奥氏体焊接材料;二是选择与母材化学成分相近的中合金耐热钢焊接材料。

(4)预热和焊后热处理 

    预热和焊后热处理是焊接过程中不可缺少的重要工序。预热是防止裂纹,降低接头硬度和焊接应力;焊后热处理的目的在于改善焊缝金属及其热影响区的组织,使淬火马氏体转变成回火马氏体,降低接头区的硬度,提高其韧性、变形能力和高温持久强度并消除内应力。

三、锅炉过热管、联箱和主汽管道焊接实例(以12Cr1MoV为例)

      (一)12Cr1MoV钢焊接性分析

    12Cr1MoV钢是我国使用广泛的珠光体耐热钢之一,主要用于制造管壁温度小于580℃的锅炉过热管、联箱和主汽管道。在12t/h双汽包横置式沸腾炉制造过程中,锅炉的蒸汽出口温度为450℃,最高工作压力为3.8MPa,按设计图纸要求采用12Cr1MoV珠光体耐热钢管(φ159mm×10mm)作为过热器联箱管,以满足产品的使用要求。12Cr1MoV珠光体耐热钢为低合金耐热钢,此类钢的Cr含量较高,在500-550℃时具有较高的热强性和持久强度。12Cr1MoV钢的化学成分及力学性能见表4。
    由表4可见,12Cr1MoV钢的碳及合金元素含量较多,淬硬敏感性较大,易在焊缝及热影响区出现淬硬组织。在接头刚性及应力较大时,易产生冷裂纹。由于过热联箱是在较高温度下工作的受压元件,焊接时应采取必要的工艺措施,使焊接接头有足够的热强性能,保证过热联箱安全运行。
(二)12Cr1MoV钢焊接工艺
1. 焊接方法选择
   在蒸汽管道的管子对接时,对打底焊缝的质量要求较高,不仅要求焊缝熔透、背面齐平,还要求焊缝背面无渣或少渣,否则会影响设备的安全运行。因此,采用手工钨极氩弧焊(TIG)打底,手工电弧焊(SMAW)填充和盖面的焊接工艺方法。
2、焊前准备
(1)坡口尺寸
   选用单面V形坡口,用机械方法加工,应严格控制根部间隙和坡口钝边尺寸,以确保打底焊缝彻底熔透。
(2)焊接材料选择

     ①手工钨极氩弧焊(TIG)选用:TIC-R31焊丝,焊丝直径为φ2.5mm。 

     ②手工电弧焊(SMAW)选用:R307(E5515-B2)焊条,直径为φ3.2mm、φ4mm。

(3)焊前准备
1)焊前应把坡口两侧管子内外各20~30mm范围打磨干净,直至露出金属光泽,确保无油渍、铁锈、水份、氧化物或其他有害的物质。
2在焊前须经350~400℃烘干1~2h,且在120℃保温筒存放,随用随取。
3)采用3~4块锲形块(材料与母材相同或接近)均为分布定位焊在坡口上,对接口必须平齐,错边量不得大于0.5mm,定位焊的焊材及焊接参数与正式施焊相同。并且在预热的状态下进行定位焊。
(4)焊前预热 预热是珠光体耐热钢焊接的重要措施。预热可以减慢焊缝及热影响区的冷却速度,有利于避免产生淬硬组织,有助于焊接区的氢的逸出,防止产生焊接裂纹。由于 12Cr1MoV钢的碳含量及合金元素的含量较高,所以选择预热温度为200~300℃,预热区域以焊缝为中心,两侧至少为100mm。在整个焊接过程中,应保持层间温度不低于预热温度。
3、焊接工艺参数
   焊接12Cr1MoV钢时,应采用较小的焊接线能量,以减小焊接应力,减少焊接过热区宽度,细化品粒,提高焊缝金属的抗裂性能,焊接参数见表5。
4、焊接操作要点

   12Cr1MoV钢的焊接,不但要严格控制焊接规范参数,而且焊接操作对焊接接头质量有着至关重要的影响。

(1)氩弧焊打底焊

     将管件处于水平转动位焊接,焊接时采用短弧,焊枪尽可能与工件表面垂直,有利于氩气对焊接熔池的保护。焊枪和焊丝可稍作横向摆动,保证坡口两侧熔透。同时,要控制好熔池温度防止产生焊穿和焊瘤缺陷。在接头部位,要用手提砂轮打磨弧坑,将弧坑处的收弧裂纹和气孔等焊接缺陷清除,然后继续引弧焊接。
(2)焊条电弧焊填充焊
    应采用短弧焊接,且热输入量不宜过大。若采用长弧焊接,不仅会出现电弧燃烧不稳定、熔深浅、熔化金属飞溅大及合金元素烧损加剧等问题,而且容易产生咬边、未焊透等缺陷,同时空气中的N2、O2等有害气体易进入熔池,在焊缝中形成气孔缺陷。焊接时焊条可作小月牙形运条,在坡口两侧要停留0.5~1S,焊接层间必须彻底清理焊渣,发现有气孔等焊接缺陷时,用手提砂轮将焊接缺陷除掉收弧时必须将弧坑填满,以免产生弧坑裂纹。各层间的接头应错开,不得有重叠。
(3)焊条电弧焊盖面焊
    焊接电流比填充层稍小些,应选择正确的焊条角度,运条要均匀,防止在坡口边缘产生咬边缺陷。焊缝余高要控制在1~3mm,避免焊接接头在使用中产生应力集中。
5、焊后热处理
    12Cr1MoV,减少影响区出现的淬硬组织,增加塑性和韧性,有效地减少焊接残余应力,同时有利于扩散氢的逸出,从而减少冷裂纹倾向。所以,焊接结束时,应立即采用保温材料将焊缝和近缝区覆盖保温,使接头缓慢冷却.随后,再将焊件整体加热至720-760℃,恒温1~2h后,随炉冷却至室温。
6、焊接检验
    依照上述焊接工艺进行试件焊接,试件经外观检查、磁粉探伤和X射线探伤合格后,在试件上截取力学性能试样、金相检验试样进行检验。检验结果见表6。
四、结论
1、耐热钢是一种在高温下工作,并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金。在现代工业中应用十分广泛,已成为不可或缺的一种材料
2、不同种类的耐热钢具有不同的性能。
3、耐热钢具有较好的高温化学稳定性和高温力学性能。
4、低、中合金耐热钢在焊接时易出现热影响区淬硬性及冷裂纹、消除应力裂纹倾向、热影响区的软化、回火脆性等焊接缺陷。

5、为获得满意的耐热钢焊接接头,在焊接时应注意其焊接工艺要点

    低、中合金耐热钢一般在预热状态下焊接(定位焊同样需要预热),焊后大多要进行高温回火处理。多层焊时应保持道间温度不低于预热温度。焊接过程中尽量避免中断,不得以中断焊接时,应采取缓冷措施;重新施焊的焊件仍需预热,焊接完毕应将焊件保持在预热温度以上数小时,然后再缓慢冷却。

6、12Cr1MoV珠光体耐热钢管采用手工钨极氩弧焊(TIG)打底,手工电弧焊(SMAW)填充和盖面的焊接工艺是可行的,焊接接头能满足设备的使用要求。焊接时必须控制好焊前预热、焊接规范参数、焊后热处理等环节。

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