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耐熱鋼的焊接


     耐熱鋼因其在高溫下具有較高的強度和良好的化學性能,而被廣泛應用于鍋爐、汽輪機、動力機械、工業爐的制造和航空、石油化工等工業部門中在高溫下工作零部件。這些部件除要求高溫強度和抗高溫氧化腐蝕外,根據用途不同還要求有足夠的韌性、良好的可加工性和焊接性,以及一定的組織穩定性。
    熱電廠中的主要部件如蒸汽管線、汽包、水冷壁、鍋爐等均采用耐熱鋼制造。眾所周知,通過提高蒸汽的溫度和壓力來提高熱效率是現代熱電廠的發展方向。

一、耐熱鋼的類型和性能 在高溫下工作,并具有一定強度和抗氧化、耐蝕能力的鐵基合金稱之為耐熱鋼。耐熱鋼廣泛用于石油化工工業中的高溫管線、反應塔和加熱爐、熱電站的鍋爐和汽輪機、汽車和船舶的內燃機、航空航天工業的噴氣發動機、核能動力裝置等高溫裝置。
(一)耐熱鋼的類型
1、按特性分類 按特性不同,耐熱鋼可分為熱穩定鋼和熱強鋼。 熱穩定鋼是在高溫狀態下具有抗氧化或耐氣體介質腐蝕的一類鋼,如常用的(Cr25Ni20、Cr25Ni20Si2等)和高鉻鋼(Cr17、Cr25Ti等); 熱強鋼是指在高溫狀態下既具有抗氧化或耐氣體介質腐蝕,又必須具有一定的高溫強度的一類鋼,主要有高鉻鎳鋼(1Cr18Ni9Ti、4Cr25Ni20等)以及多元合金化的以Cr12為基的馬氏體不銹鋼(1Cr12MoWV)等。

2、按合金元素質量分數分類

按合金元素質量分數不同,耐熱鋼可分為低合金耐熱鋼、中合金耐熱鋼和高合金耐熱鋼。
(1)低合金耐熱鋼 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)中合金耐熱鋼 其合金系有Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-Nb和Cr-Mo-W-V-Nb等;
(3)高合金耐熱鋼 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、按組織分類 按組織的不同,耐熱鋼可分為珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。
(二)耐熱鋼的性能
1.耐熱鋼的的性能
    耐熱鋼的的性能主要指高溫化學穩定性和高溫力學性能
    高溫化學穩定性主要是指高溫抗氧化性,有時還要求具有抗氫腐蝕性。高溫力學性能主要指熱強性。
2. 對耐熱鋼焊接接頭性能的基本要求
    對耐熱鋼焊接接頭性能的基本要求包括等熱強性、焊接接頭的抗氧化性、焊接接頭組織的穩定性,以及焊接接頭的物理均一性等。
二、低、中合金耐熱鋼的焊接
(一)低、中合金耐熱鋼的成分與性能特點
      低、中合金耐熱鋼是以Cr、Mo為主要合金元素的,鉻的質量分數在0.5%~12.5%之間,鉬的質量分數為0.5%或1%,室溫組織以珠光體為主,因此又稱為珠光體耐熱鋼。
珠光體耐熱鋼具有良好的抗氧化性和熱強性,還具有一定的抗硫和氫腐蝕的能力,同時具有很好的冷熱加工性能。主要應用于在600℃以下工作的動力、石油化工等工業設備中。按合金化方式可分為以下三類:
1、Mo鋼    Mo鋼是最早使用的低合金耐熱鋼,Mo的質量分數為0.5%。Mo的主要作用是固溶強化,提高鋼的熱強性?,F在應用很少。
2、Cr-Mo鋼    為了改善Mo鋼的石墨化問題,提高鋼的組織穩定性,進而提高熱強性,在Mo鋼中加入一定量的Cr,Cr能使碳化物具有一定的熱穩定性,阻止石墨化。Cr-Mo鋼的使用溫度可以提高到550℃。
3、多元復合合金化的低合金耐熱鋼     除固溶強化外,鋼中加入了V、Ti、B等微量元素進行時效強化和晶界強化,進一步提高鋼的熱強性和高溫組織的穩定性。其合金系統有Cr-Mo-V,Cr-Mo-W-V,Cr-Mo-W-V-B,Cr-Mo-V-Ti-B等。
(二)低、中合金耐熱鋼的焊接性
1.熱影響區淬硬性及冷裂紋
    低合金耐熱鋼的主要合金元素是Cr和Mo,能顯著提高鋼的淬硬性。如果在焊接時冷卻速度過快,則在焊縫及熱影響區形成對冷裂紋敏感的馬氏體和上貝氏體等組織。
2.消除應力裂紋傾向
    低合金耐熱鋼中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素屬于強碳化物元素,若結構拘束度較大,那么在消除應力處理或高溫下長期使用時,在熱影響區的粗晶區容易出現消除應力裂紋。
消除應力裂紋一般在500~700℃敏感溫度范圍內形成,并且出現在殘余應力較高的部位,如接頭咬邊、未焊透等應力集中處,這些部位在加熱過程中,殘余應力釋放,蠕變變形較大,更容易出現裂紋。
3.熱影響區的軟化
    低合金耐熱鋼焊接接頭熱影響區存在軟化問題,其軟化區的金相組織特征是鐵素體加上少量碳化物,在粗視磨片上觀察到一條明顯的“白帶”,其硬度明顯下降。軟化區的存在對室溫性能沒有什么不利的影響,但在高溫長期靜載拉伸條件下,接頭往往在軟化區發生破壞。
4.回火脆性
   Cr-Mo耐熱鋼及焊接接頭在350~500℃溫度區間長期運行過程中發生脆變的現象稱為回火脆性。焊縫金屬回火脆化的敏感性比母材大,這是因為焊接材料中的雜質難以控制。
(三)低、中合金耐熱鋼的焊接工藝要點
1.低合金耐熱鋼的焊接工藝
     低、中合金耐熱鋼一般在預熱狀態下焊接(定位焊同樣需要預熱),焊后大多要進行高溫回火處理。多層焊時應保持道間溫度不低于預熱溫度。焊接過程中盡量避免中斷,不得以中斷焊接時,應采取緩冷措施;重新施焊的焊件仍需預熱,焊接完畢應將焊件保持在預熱溫度以上數小時,然后再緩慢冷卻。
(1)焊接方法
    常采用的熔焊方法有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊和電渣焊,但常以焊條電弧焊為主,埋弧焊和氣體保護焊的應用也越來越多。
(2)焊前準備
   焊前準備的內容主要包括下料、坡口加工、熱切割邊緣和坡口面的清理以及焊接材料的預處理。一般的低合金耐熱鋼工件,可以采用各種熱切割下料。
   為防止厚板熱切割邊緣的開裂,應采取下列工藝措施:
        ①對于所有厚度的2.25Cr-Mo、3Cr-1Mo型鋼和15mm以上的1.25Cr-0.5Mo鋼板,熱切割前應將割口邊緣預熱150℃以上。
        ②對于15mm以下的2.25Cr-Mo鋼板,熱切割前應預熱100℃以上。熱切割邊緣應作機械加工并用磁粉探傷檢查是否存在表面裂紋,

(3)焊接材料選擇 

       焊接材料的選擇原則是保證焊縫金屬的合金成分、強度性能與母材基本一致。若二者成分相差很大,則焊接接頭在長期高溫條件下工作時,會因成分不均勻而導致合金元素擴散,使焊接接頭的高溫性能不穩定;焊縫強度不能選得過高,以免使焊縫塑性變差,甚至產生冷裂紋。焊接材料中碳的質量分數應略低于母材,焊接材料在使用前應作適當的預處理。埋弧焊絲用光焊絲,表面要清理干凈。鍍銅焊絲應將表面積塵和污垢仔細清理。焊條和焊劑要妥善保管,在使用前,應嚴格按工藝規程的規定進行烘干。

表3列出了幾種常用低合金耐鋼的焊條和焊劑烘干溫度。
(4)預熱和焊后熱處理
     低合金耐熱鋼預熱溫度范圍一般80~150℃,局部預熱時,必須保證預熱寬度大于焊件壁厚的4倍,且不能少于150㎜。
     對于低合金耐熱鋼來說,焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應力,更重要的是改善組織,提高接頭的綜合性能。
     低合金耐熱鋼焊后一般作高溫回火處理,回火參數主要是加熱溫度和保溫時間?;鼗饻囟鹊姆秶?80~760℃。
2.中合金耐熱鋼的焊接
(1)焊接方法
     應優先選擇低氫的焊接方法。如鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊等。在厚壁焊件中,可選擇焊條電弧焊、埋弧焊和電渣焊。但必須采用堿性藥皮焊條和焊劑。
(2)焊前準備
     切割之前,必須將切割邊緣200mm寬度內預熱到150℃以上。切割面應采用磁粉探傷檢查是否存在裂紋,焊接坡口應機械加工,坡口面上的熱切割硬化層應清理干凈,必要時應作表面硬度測定加以鑒別。接頭坡口形式和尺寸的設計原則是盡量減少焊縫的橫截面積。
(3)焊接材料
    焊接材料選擇原則是在保證焊接接頭具有與母材相當的高溫蠕變極限和抗氧化性的前提下,改善其焊接性。其方案有兩種:一是選用高鉻鎳奧氏體焊接材料;二是選擇與母材化學成分相近的中合金耐熱鋼焊接材料。

(4)預熱和焊后熱處理 

    預熱和焊后熱處理是焊接過程中不可缺少的重要工序。預熱是防止裂紋,降低接頭硬度和焊接應力;焊后熱處理的目的在于改善焊縫金屬及其熱影響區的組織,使淬火馬氏體轉變成回火馬氏體,降低接頭區的硬度,提高其韌性、變形能力和高溫持久強度并消除內應力。

三、鍋爐過熱管、聯箱和主汽管道焊接實例(以12Cr1MoV為例)

      (一)12Cr1MoV鋼焊接性分析

    12Cr1MoV鋼是我國使用廣泛的珠光體耐熱鋼之一,主要用于制造管壁溫度小于580℃的鍋爐過熱管、聯箱和主汽管道。在12t/h雙汽包橫置式沸騰爐制造過程中,鍋爐的蒸汽出口溫度為450℃,最高工作壓力為3.8MPa,按設計圖紙要求采用12Cr1MoV珠光體耐熱鋼管(φ159mm×10mm)作為過熱器聯箱管,以滿足產品的使用要求。12Cr1MoV珠光體耐熱鋼為低合金耐熱鋼,此類鋼的Cr含量較高,在500-550℃時具有較高的熱強性和持久強度。12Cr1MoV鋼的化學成分及力學性能見表4。
    由表4可見,12Cr1MoV鋼的碳及合金元素含量較多,淬硬敏感性較大,易在焊縫及熱影響區出現淬硬組織。在接頭剛性及應力較大時,易產生冷裂紋。由于過熱聯箱是在較高溫度下工作的受壓元件,焊接時應采取必要的工藝措施,使焊接接頭有足夠的熱強性能,保證過熱聯箱安全運行。
(二)12Cr1MoV鋼焊接工藝
1. 焊接方法選擇
   在蒸汽管道的管子對接時,對打底焊縫的質量要求較高,不僅要求焊縫熔透、背面齊平,還要求焊縫背面無渣或少渣,否則會影響設備的安全運行。因此,采用手工鎢極氬弧焊(TIG)打底,手工電弧焊(SMAW)填充和蓋面的焊接工藝方法。
2、焊前準備
(1)坡口尺寸
   選用單面V形坡口,用機械方法加工,應嚴格控制根部間隙和坡口鈍邊尺寸,以確保打底焊縫徹底熔透。
(2)焊接材料選擇

     ①手工鎢極氬弧焊(TIG)選用:TIC-R31焊絲,焊絲直徑為φ2.5mm。 

     ②手工電弧焊(SMAW)選用:R307(E5515-B2)焊條,直徑為φ3.2mm、φ4mm。

(3)焊前準備
1)焊前應把坡口兩側管子內外各20~30mm范圍打磨干凈,直至露出金屬光澤,確保無油漬、鐵銹、水份、氧化物或其他有害的物質。
2在焊前須經350~400℃烘干1~2h,且在120℃保溫筒存放,隨用隨取。
3)采用3~4塊鍥形塊(材料與母材相同或接近)均為分布定位焊在坡口上,對接口必須平齊,錯邊量不得大于0.5mm,定位焊的焊材及焊接參數與正式施焊相同。并且在預熱的狀態下進行定位焊。
(4)焊前預熱 預熱是珠光體耐熱鋼焊接的重要措施。預熱可以減慢焊縫及熱影響區的冷卻速度,有利于避免產生淬硬組織,有助于焊接區的氫的逸出,防止產生焊接裂紋。由于 12Cr1MoV鋼的碳含量及合金元素的含量較高,所以選擇預熱溫度為200~300℃,預熱區域以焊縫為中心,兩側至少為100mm。在整個焊接過程中,應保持層間溫度不低于預熱溫度。
3、焊接工藝參數
   焊接12Cr1MoV鋼時,應采用較小的焊接線能量,以減小焊接應力,減少焊接過熱區寬度,細化品粒,提高焊縫金屬的抗裂性能,焊接參數見表5。
4、焊接操作要點

   12Cr1MoV鋼的焊接,不但要嚴格控制焊接規范參數,而且焊接操作對焊接接頭質量有著至關重要的影響。

(1)氬弧焊打底焊

     將管件處于水平轉動位焊接,焊接時采用短弧,焊槍盡可能與工件表面垂直,有利于氬氣對焊接熔池的保護。焊槍和焊絲可稍作橫向擺動,保證坡口兩側熔透。同時,要控制好熔池溫度防止產生焊穿和焊瘤缺陷。在接頭部位,要用手提砂輪打磨弧坑,將弧坑處的收弧裂紋和氣孔等焊接缺陷清除,然后繼續引弧焊接。
(2)焊條電弧焊填充焊
    應采用短弧焊接,且熱輸入量不宜過大。若采用長弧焊接,不僅會出現電弧燃燒不穩定、熔深淺、熔化金屬飛濺大及合金元素燒損加劇等問題,而且容易產生咬邊、未焊透等缺陷,同時空氣中的N2、O2等有害氣體易進入熔池,在焊縫中形成氣孔缺陷。焊接時焊條可作小月牙形運條,在坡口兩側要停留0.5~1S,焊接層間必須徹底清理焊渣,發現有氣孔等焊接缺陷時,用手提砂輪將焊接缺陷除掉收弧時必須將弧坑填滿,以免產生弧坑裂紋。各層間的接頭應錯開,不得有重疊。
(3)焊條電弧焊蓋面焊
    焊接電流比填充層稍小些,應選擇正確的焊條角度,運條要均勻,防止在坡口邊緣產生咬邊缺陷。焊縫余高要控制在1~3mm,避免焊接接頭在使用中產生應力集中。
5、焊后熱處理
    12Cr1MoV,減少影響區出現的淬硬組織,增加塑性和韌性,有效地減少焊接殘余應力,同時有利于擴散氫的逸出,從而減少冷裂紋傾向。所以,焊接結束時,應立即采用保溫材料將焊縫和近縫區覆蓋保溫,使接頭緩慢冷卻.隨后,再將焊件整體加熱至720-760℃,恒溫1~2h后,隨爐冷卻至室溫。
6、焊接檢驗
    依照上述焊接工藝進行試件焊接,試件經外觀檢查、磁粉探傷和X射線探傷合格后,在試件上截取力學性能試樣、金相檢驗試樣進行檢驗。檢驗結果見表6。
四、結論
1、耐熱鋼是一種在高溫下工作,并具有一定強度和抗氧化、耐蝕能力的鐵基合金。在現代工業中應用十分廣泛,已成為不可或缺的一種材料
2、不同種類的耐熱鋼具有不同的性能。
3、耐熱鋼具有較好的高溫化學穩定性和高溫力學性能。
4、低、中合金耐熱鋼在焊接時易出現熱影響區淬硬性及冷裂紋、消除應力裂紋傾向、熱影響區的軟化、回火脆性等焊接缺陷。

5、為獲得滿意的耐熱鋼焊接接頭,在焊接時應注意其焊接工藝要點

    低、中合金耐熱鋼一般在預熱狀態下焊接(定位焊同樣需要預熱),焊后大多要進行高溫回火處理。多層焊時應保持道間溫度不低于預熱溫度。焊接過程中盡量避免中斷,不得以中斷焊接時,應采取緩冷措施;重新施焊的焊件仍需預熱,焊接完畢應將焊件保持在預熱溫度以上數小時,然后再緩慢冷卻。

6、12Cr1MoV珠光體耐熱鋼管采用手工鎢極氬弧焊(TIG)打底,手工電弧焊(SMAW)填充和蓋面的焊接工藝是可行的,焊接接頭能滿足設備的使用要求。焊接時必須控制好焊前預熱、焊接規范參數、焊后熱處理等環節。

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