珠光體耐熱鋼焊接工藝

　　關(guān)鍵字： 珠光體耐熱鋼；工藝評定；焊接方法

　　一、珠光體耐熱鋼焊接特點及工藝要點

　?。?）焊接特點

　　珠光體耐熱鋼屬于低合金鋼，主要合金元素是鉻、鉬，還含有少量鎢、釩、鈮等元素，加熱后在空氣中冷卻具有明顯的淬硬傾向，焊接時在焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，這不僅影響焊接接頭的力學(xué)性能，還會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，常導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)冷裂紋。硬化傾向還與下列因素有關(guān)：鋼中碳、鉻含量，構(gòu)件厚度、剛性及焊件拘束度等。焊接時預(yù)熱是防止冷裂紋的有效措施，焊件未預(yù)熱或預(yù)熱溫度太低，工件冷卻速度加快都會加重焊縫及熱影響區(qū)硬化。

　?。?）工藝要點及焊料選擇

　?、?焊接過程中，應(yīng)保持焊件溫度不低于預(yù)熱溫度（包括多層焊時的層間溫度）。焊接過程中盡量避免中斷，不得已中斷時，應(yīng)保證焊件緩慢冷卻，重新施焊前仍需預(yù)熱。

　?、?焊件厚度較大時，可采用短道焊，使被焊的這一段焊縫在較短時間內(nèi)重復(fù)加熱，目的是為了使焊縫及熱影響區(qū)緩慢冷卻。

　　③ 焊縫正面的余高不宜太高。

　?、?保持在自由狀態(tài)下焊接。由于鉻鉬耐熱鋼裂紋傾向比較大，故在焊接時應(yīng)嚴格遵守焊接程序，收縮量大的焊縫先焊，盡量減少拘束度。

　　⑤ 焊后緩冷。焊后緩冷是必須遵守原則，一般是焊后立即用石板布等保溫材料覆蓋在焊縫及近縫區(qū)，覆蓋務(wù)必嚴實，確保緩冷。

　?、?焊后熱處理，防止延遲裂紋，消除應(yīng)力，改善組織。對于厚壁容器及管道，焊后常進行高溫回火。

　?、?焊條選擇，摘自鋼制壓力容器焊接規(guī)程JB/T 4709——92、工業(yè)金屬管道施工規(guī)范GB 50236——1997

　　二、典型珠光體耐熱鋼的顯微組織觀察

　　本實驗所采用的珠光體耐熱鋼為2.25Cr-1Mo、12CrMoV（C=0.15%,M=0.6%,Cr=1.2%,Mo=0.3%,V=0.3%）等。

　　顯微組織觀察是研究材料內(nèi)部組織最重要的方法，用光學(xué)顯微鏡觀察研究任何材料的顯微組織，一般要分三個步驟進行：拋光所截取試樣的截面，采用適當?shù)母g劑顯示顯微組織，用顯微鏡觀察和分析試樣的顯微組織。

　　采用氣割或機械加工方法切下大塊試樣，取下的試樣還要去除不必要的部分，之后進行試樣的平整、磨光、拋光、浸蝕等一系列加工。試樣用砂紙磨制后，除表面磨痕外還有一層變形的損傷層，最表層部分經(jīng)受相當于冷軋量大于90%塑性變形，試樣表面變形是不均勻的。因此，試樣磨光時，每一道工序必須去除前一道工序造成的損傷層，同時，該道工序本身應(yīng)造成最少的損傷，使下道工序易于進行。對磨光后的試樣進行拋光處理，拋光的目的是要盡快把磨光工序留下來的損傷層除去，使拋光產(chǎn)生的損傷層不影響顯微組織的觀察。拋光最好分二步進行，先是粗拋，目的在于以最大拋光速率除去磨光時的損傷層;其次是精拋，目的是去粗拋所產(chǎn)生的表面損傷，拋光損傷減到最小程度。焊接接頭進行拋光后，光滑的接頭表面經(jīng)過顯示組織才能被清楚的看到，所以顯示方法是制樣過程中相當重要的一步，顯示焊接金相的試樣組織的方法有兩種：一種是化學(xué)試劑顯示法;另一種是用電解浸蝕劑顯示。我們采用第一種方法。化學(xué)浸蝕的原理是：位于晶界上的原子排列的規(guī)律性較差，具有較高的自由能，所以晶界處受浸蝕深而成凹溝，金屬原子的溶解大多是沿著原子排列最密的晶面進行，由于拋光面上每顆晶粒的原子排列的位相不同，所以每個晶粒的溶解速度不同，浸蝕后每個晶粒都以原子排列最密的面為表面，有些晶粒就相對與原來的拋光面傾斜了一定的角度，在垂直光線照射下，則顯示出明暗不一的晶粒，由于晶粒與晶粒之間、晶粒與晶界之間溶解速度不同，所以組織就顯示出來了?；瘜W(xué)浸蝕前必須將試樣沖洗干凈，以防污垢、油膜存在，妨礙浸蝕作用，然后用夾子夾住試樣，浸入浸蝕劑中，必須使磨面各部位同時地浸入浸蝕劑中，并不時搖動試樣，以保證試樣均勻浸蝕，或者用蘸有浸蝕劑的脫脂棉來擦拭試樣的拋光面。完成了以上兩個步驟后，就可以進入顯微分析的第三步，即顯微組織的觀察。本試驗中的顯微組織觀察是在光學(xué)金相顯微鏡上進行的。

　　（1）12CrMoV插撬+J507或J607焊接  （圖1 圖2 圖3）

　　2.25Cr-1Mo堆焊兩層過渡區(qū)A307蓋面層A002N6（圖4 圖5 圖6）

　　對其焊縫組織以及母材、過渡區(qū)的顯微組織觀察圖（如下）：

　　三、珠光體耐熱鋼焊接工藝分析

　　由于珠光體耐熱鋼中含有一定量的Cr、Mo和其它一些合金元素，所以熱影響區(qū)會產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，低溫焊接或焊接剛性較大的結(jié)構(gòu)時，易形成冷裂紋。因此在焊接時應(yīng)采取以下幾項工藝措施：

　　1、預(yù)熱預(yù)熱是焊接珠光體耐熱鋼的重要工藝措施。為了確保焊接質(zhì)量，不論在定位焊或正式施焊過程中，焊件都應(yīng)預(yù)熱并保持為80——150℃用氬弧焊打底和CO2氣體保護焊時，可以降低預(yù)熱溫度或不預(yù)熱。

　　2、焊后緩冷焊后應(yīng)立即用石棉布覆蓋焊縫及熱影響區(qū)，使其緩慢冷卻。

　　3、焊后熱處理焊后應(yīng)立即進行高溫回火，防止產(chǎn)生延遲裂紋、消除應(yīng)力和改善組織。焊后熱處理溫度應(yīng)避免在350——500℃溫度區(qū)間內(nèi)進行，因珠光體耐熱鋼在該溫度區(qū)間內(nèi)有強烈的加火脆性現(xiàn)象。

　　四、珠光體耐熱鋼焊接再熱裂紋的防治

　　4.1　焊縫成形

　　由于焊縫成形影響應(yīng)力集中的大小，再熱裂紋易產(chǎn)生于應(yīng)力集中的熱影響區(qū)粗晶區(qū)，因而也影響再熱裂紋的產(chǎn)生。焊縫與母材過渡不圓滑，焊縫余高過高或存在咬肉、未熔合、未焊透等缺陷，在焊后再熱過程中均能誘發(fā)再熱裂紋。因此焊接過程中應(yīng)盡可能的控制焊縫成形，對成形不理想或存在缺陷的部位進行修補，以達到降低焊接應(yīng)力的作用，從而控制再熱裂紋的產(chǎn)生。

　　4.2　組裝應(yīng)力

　　組裝時采用強力組對等，都會使得焊縫處存在大的組裝應(yīng)力。焊后再熱過程中，容易引發(fā)再熱裂紋，因此組裝珠光體耐熱鋼時要避免強力組裝，以減少組裝應(yīng)力。

　　4.3　預(yù)熱

　　為防止再熱裂紋的產(chǎn)生，焊前預(yù)熱是十分有效的。預(yù)熱可以降低殘余應(yīng)力，形成對裂紋不敏感的組織等。日本的焊接專家認為，預(yù)熱可以提高熱影響區(qū)粗晶區(qū)的強度。珠光體耐熱鋼焊前按要求進行預(yù)熱，在很大程度上可以防止再熱裂紋的產(chǎn)生。

　　4.4　焊后后熱

　　實驗證明，珠光體耐熱鋼焊后進行150——200℃的后熱處理，可以有效地消除焊縫中的擴散氫，從而減少焊縫中殘存的空穴，有利于防止再熱裂紋的產(chǎn)生。同時焊后后熱可以使得焊縫晶界的有害雜質(zhì)S、P等進行一步彌散，減少因S、P等雜質(zhì)偏析而導(dǎo)致的再熱裂紋。焊后在不太高的溫度下進行等溫處理，也可以產(chǎn)生類似預(yù)熱的效果，這樣還可以降低焊前的預(yù)熱溫度。

　　4.5　焊接線能量

　　焊接線能量對再熱裂紋的影響有兩個方面。首先大的線能量可以有利于降低拘束應(yīng)力，降低粗晶區(qū)的硬度，使得晶內(nèi)的沉淀增多，減弱焊后加熱時析出的強化程度，有利于減少再熱裂紋的傾向。但另一方面，大的焊接線能量卻使過熱區(qū)的晶粒更加粗大，晶界結(jié)合力更加脆弱，從而增加了再熱裂紋的傾向。因此，在焊接珠光體耐熱鋼時，對焊接線能量的選擇，應(yīng)考慮線能量對晶粒長大的敏感程度，對某些晶粒長大敏感的鋼種，焊接時應(yīng)選較小的線能量，反之，可適當選擇較大的焊接線能量。

　　4.6　晶粒度

　　焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒大小對再熱裂紋的敏感性也有影響。晶粒度大，裂紋敏感性大；晶粒度小，晶界所占的面積就大，在其它條件均相同的情況下，晶界所能承受的蠕變變形量相對大，產(chǎn)生再熱裂紋的傾向也就相應(yīng)變小。

　　焊接材料的選擇通常有兩種原則：一為“等成分原則”即選用焊接材料在化學(xué)成分上與母材相同；二為“等強度原則”即選用的焊接材料在化學(xué)成分上與母材成分相近，主要保證焊接接頭的強度與母材相同。在進行珠光體耐熱鋼焊接時，一般采用“等強度原則”，甚至在使用條件允許的情況下，可以適當降低焊接接頭的強度。實驗證明，通過適當降低焊縫金屬的強度，提高其塑性變形能力，從而降低焊接接頭的應(yīng)力集中程度，以降低再熱裂紋的敏感性。僅僅焊縫表層采用低強度高塑性的焊接材料來蓋面也是比較有效的。

　　4.8　合金元素的影響

　?。?）碳　由于碳化物的形成，碳在熱裂紋中有著重要的作用。在Cr-Mo鋼中，當含碳量由0.05%增至0.20%時，裂紋傾向明顯增加。在含V量高的鋼種中，碳的影響更大。

　　（2）鉻　Cr的影響是兩個方面的。當鋼中的含Cr量＜1.5%時，隨著含Cr量的增加，裂紋傾向增大；當含Cr量＞2.0%時，隨含Cr量的增加，裂紋傾向逐漸減小。當然，Cr對再熱裂紋的影響在很大程度上還取決于鋼種中Mo與V的含量。

　?。?）鉬　Mo能夠降低蠕變塑性，增加裂紋。其作用是通過對相變特性的影響及碳化鉬的析出而實現(xiàn)的。模擬熱循環(huán)試樣缺口應(yīng)力試驗，當Mo的含量為0.21%時，627℃斷裂的時間為1300min，而Mo的含量為0.54%時，斷裂時間降為2min，說明Mo含量的增加，提高了鋼的再熱裂紋的敏感性。

　?。?）釩　V通常與Cr、Mo等元素同時加入，在同時含有其它元素時，增加V是極其有害的。V含量為0.73%，鋼材應(yīng)力—斷裂塑性最低。當V含量＜0.15%時，隨其含量的增加裂紋率明顯增大。如V含量由0增至0.08%時，Y型坡口拘束試樣的裂紋率由0增至95%。V的影響主要是形成V4C3的析出，使應(yīng)力松馳率下降。

　?。?）微量雜質(zhì)元素　從金屬材料主要元素成分含量相同，而再熱裂紋傾向相差很大的事實來看，微量雜質(zhì)元素起著很大的作用。這是因為這些雜質(zhì)元素在晶界偏析，促使晶界空穴形成，大大降低金屬的蠕變性能。如降低斷裂應(yīng)力和斷裂塑性。

　　4.9　重熔焊道

　　在再熱裂紋的預(yù)防上，焊后利用TIG對焊縫表面進行一次重熔，可以減少焊接接頭的殘余應(yīng)力，因而也有利于減少再熱裂紋的產(chǎn)生。