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1、第第 19 讲讲不锈钢、耐热钢焊接不锈钢、耐热钢焊接122三、奥氏体钢焊缝的脆化三、奥氏体钢焊缝的脆化1)低温脆化低温脆化焊缝的化学成分和组织状态对低温韧性影响很大。焊缝的化学成分和组织状态对低温韧性影响很大。在在188钢双相组织焊缝中，铁素体形成元素均钢双相组织焊缝中，铁素体形成元素均可提高焊缝强度，但都降低塑性和韧性，其中可提高焊缝强度，但都降低塑性和韧性，其中Ti、Nb最为明显。最为明显。为满足低温韧性的要求，最好不采用为满足低温韧性的要求，最好不采用双相组双相组织的焊缝，而使用能形成单一织的焊缝，而使用能形成单一焊缝组织的焊接焊缝组织的焊接材料。材料。2222）焊缝）焊缝相脆化相脆化u
2、相是一种脆硬而无磁性的金属间化合物，具有相是一种脆硬而无磁性的金属间化合物，具有变成分和复杂的晶体结构。变成分和复杂的晶体结构。u相的产生是相的产生是或是或是。uNb、Si、Mo、Cr显著影响显著影响转变。转变。u具有具有双相组织的双相组织的188钢焊缝高温加热时，钢焊缝高温加热时，转变速度大大超过转变速度大大超过。转变速度与转变速度与相的数量和合金化程度有关。相的数量和合金化程度有关。u在稳定奥氏体钢焊接时，为克服在稳定奥氏体钢焊接时，为克服Mo的的化作用，化作用，提高奥氏体化元素提高奥氏体化元素Ni和和N十分有利。十分有利。322四、奥氏体钢、双相钢焊接工艺四、奥氏体钢、双相钢焊接工艺焊接
3、材料选择焊接材料选择焊接材料应按照相应技术标准考虑选择；焊接材料应按照相应技术标准考虑选择；坚持坚持“适用性原则适用性原则”；必须根据所选则各焊接材料具体成分，来确定是否适用，必须根据所选则各焊接材料具体成分，来确定是否适用，并应通过试验加以验收。并应通过试验加以验收。必须考虑具体应用的焊接方法和工艺参数可能造成的熔必须考虑具体应用的焊接方法和工艺参数可能造成的熔合比大小，应考虑母材的稀释作用。合比大小，应考虑母材的稀释作用。必须根据技术条件规定的全面焊接性要求来确定合金化必须根据技术条件规定的全面焊接性要求来确定合金化程度。程度。要注意具体合金成分在合金系统中的作用，不仅考虑使要注意具体合金
4、成分在合金系统中的作用，不仅考虑使用性能，也要考虑防止焊接缺陷的工艺焊接性的要求。用性能，也要考虑防止焊接缺陷的工艺焊接性的要求。422焊接工艺要点焊接工艺要点合理选择最合适的焊接方法合理选择最合适的焊接方法必须控制焊接参数，避免接头产生过热现象必须控制焊接参数，避免接头产生过热现象接头设计的合理性应给予足够重视接头设计的合理性应给予足够重视尽可能控制焊接工艺稳定以保证焊缝金属成分稳定尽可能控制焊接工艺稳定以保证焊缝金属成分稳定控制焊缝成形控制焊缝成形保护焊件的工作表面应处于正常状态保护焊件的工作表面应处于正常状态5227.3 铁素体钢及马氏体钢焊接一、铁素体钢焊接一、铁素体钢焊接 铁素体钢类
5、型铁素体钢类型 1、普通铁素体钢、普通铁素体钢 低低Cr钢钢 中中Cr钢钢 高高Cr钢钢 2、高纯铁素体钢：钢中、高纯铁素体钢：钢中C+N的含量限制很严。的含量限制很严。622 铁素体钢的焊接工艺铁素体钢的焊接工艺 焊缝成分的确定焊缝成分的确定同质焊接材料：焊缝金属呈粗大的铁素体组织，韧性很同质焊接材料：焊缝金属呈粗大的铁素体组织，韧性很差。应限制杂质含量，提高纯度，进行合理的合金化。差。应限制杂质含量，提高纯度，进行合理的合金化。当要求具有高抗裂性能，而且不能进行预热和焊后热处当要求具有高抗裂性能，而且不能进行预热和焊后热处理的情况下，可采用异质的奥氏体型焊接材料。注意：理的情况下，可采用异
6、质的奥氏体型焊接材料。注意：焊接材料应是低碳的；焊接材料应是低碳的；焊后不可退火处理，因铁素体钢退火温度焊后不可退火处理，因铁素体钢退火温度(780850)正好在奥氏体钢敏化温度区间，易引起晶间腐蚀正好在奥氏体钢敏化温度区间，易引起晶间腐蚀和脆化；和脆化；奥氏体钢焊缝的颜色和性能和母材不同。奥氏体钢焊缝的颜色和性能和母材不同。722 (2)预热与焊后热处理预热与焊后热处理普通铁素体不锈钢有冷裂倾向，脆性转变温度常在室温普通铁素体不锈钢有冷裂倾向，脆性转变温度常在室温以上，韧性低，为了防止冷裂纹，焊前预热是必要的。以上，韧性低，为了防止冷裂纹，焊前预热是必要的。但这种钢对过热敏感，预热温度不能高
7、，只能低温预热。但这种钢对过热敏感，预热温度不能高，只能低温预热。最好控制在最好控制在150以下，层间温度也应控制在相应水平，以下，层间温度也应控制在相应水平，否则晶粒长大和可能产生否则晶粒长大和可能产生475脆性。脆性。采用同质焊接材料焊接后应进行热处理。热处理目的在采用同质焊接材料焊接后应进行热处理。热处理目的在于使接头的组织均匀化，提高其塑性和耐蚀性，同时也于使接头的组织均匀化，提高其塑性和耐蚀性，同时也能消除焊接应力。能消除焊接应力。822热处理温度应低于使晶粒粗化或形成奥氏体的亚临界温热处理温度应低于使晶粒粗化或形成奥氏体的亚临界温度下进行。必须避免在度下进行。必须避免在370570
8、之间缓冷，以免产生之间缓冷，以免产生475脆性。脆性。己产生己产生475脆性和脆性和相脆化的焊接接头，可短时加热到相脆化的焊接接头，可短时加热到600以上空冷消除以上空冷消除475脆性；加热到脆性；加热到930980急冷急冷消除消除相脆化。相脆化。采用奥氏体钢焊接材料时，不必预热和焊后热处理。采用奥氏体钢焊接材料时，不必预热和焊后热处理。922二、马氏体钢焊接二、马氏体钢焊接马氏体钢类型马氏体钢类型 1、普通、普通Cr13钢：钢：1Cr13、2Cr13 2、热强马氏体钢：是以、热强马氏体钢：是以Cr12为基进行多元复相合金为基进行多元复相合金化的马氏体钢。化的马氏体钢。3、超低碳复马氏体钢、超
9、低碳复马氏体钢马氏体钢焊接性马氏体钢焊接性马氏体不锈钢的焊接性和调质的中低合金钢相似，焊马氏体不锈钢的焊接性和调质的中低合金钢相似，焊接的主要问题是冷裂纹问题。接的主要问题是冷裂纹问题。无论马氏体不锈钢以何种状态供货，焊后接头总会形无论马氏体不锈钢以何种状态供货，焊后接头总会形成淬硬的马氏体组织。成淬硬的马氏体组织。1022当焊接接头刚度大或含氢量高时，在焊接应力作用下，当焊接接头刚度大或含氢量高时，在焊接应力作用下，特别当从高温直接冷至特别当从高温直接冷至120100以下时，很容易产生以下时，很容易产生冷裂纹。含碳量越高，焊缝及热影响区硬度就越高，对冷裂纹。含碳量越高，焊缝及热影响区硬度就越
10、高，对冷裂纹就越敏感。冷裂纹就越敏感。防止淬硬造成冷裂纹的最有效方法是预热和控制层间温防止淬硬造成冷裂纹的最有效方法是预热和控制层间温度；度；为了获得最佳的使用性能和防止延迟裂纹，焊后要求热为了获得最佳的使用性能和防止延迟裂纹，焊后要求热处理。处理。1122三、马氏体的焊接工艺三、马氏体的焊接工艺1、焊接材料的选择、焊接材料的选择 为保证使用性能要求，焊缝成分应与母材同质。为保证使用性能要求，焊缝成分应与母材同质。对于含碳量较高的马氏体钢，为防止冷裂，也可采用对于含碳量较高的马氏体钢，为防止冷裂，也可采用奥氏体焊缝。奥氏体焊缝。2、预热与层间温度、预热与层间温度在使用与母材同质的焊接材料时，为
11、防止冷裂纹，焊在使用与母材同质的焊接材料时，为防止冷裂纹，焊前需预热，预热温度通常在前需预热，预热温度通常在200400范围，含碳量范围，含碳量越高，焊件厚度越大，预热温度也越高，但最好不要越高，焊件厚度越大，预热温度也越高，但最好不要高于高于Ms点。点。多层焊时层间温度应保证不低于预热温度，以防止在多层焊时层间温度应保证不低于预热温度，以防止在熔敷后续焊缝前就发生冷裂纹。熔敷后续焊缝前就发生冷裂纹。12223、焊后热处理、焊后热处理为了降低焊缝和热影响区硬度，改善其塑性和韧性，为了降低焊缝和热影响区硬度，改善其塑性和韧性，以及减少焊接残余应力，焊后应进行整体或局部高温以及减少焊接残余应力，焊
12、后应进行整体或局部高温回火热处理。回火热处理。对于某些多元合金的马氏体不锈钢，既不容许焊后尚对于某些多元合金的马氏体不锈钢，既不容许焊后尚处高温时立即回火，也不允许冷却至室温再回火，而处高温时立即回火，也不允许冷却至室温再回火，而应冷却到应冷却到150200保温保温2h，使奥氏体大部分转变成，使奥氏体大部分转变成马氏体，然后及时地进行高温回火热处理。马氏体，然后及时地进行高温回火热处理。13227.4 珠光体与奥氏体的焊接珠光体与奥氏体的焊接一、异种钢的焊接性分析一、异种钢的焊接性分析 焊缝成分的稀释焊缝成分的稀释u异种钢焊缝成分是由异种钢焊缝成分是由填充金属成分、母材成分及其熔合填充金属成分
13、、母材成分及其熔合比比所确定的。所确定的。珠光体钢与奥氏体钢相连接的异种钢焊接接头，一般是珠光体钢与奥氏体钢相连接的异种钢焊接接头，一般是采用采用超合金化焊接材料超合金化焊接材料，或，或高高CrNi奥氏体钢奥氏体钢，或，或Ni基合基合金金。熔焊时，母材的熔入，使填充金属受到稀释，经热源的熔焊时，母材的熔入，使填充金属受到稀释，经热源的搅拌后所形成的焊缝金属其成分大体是均匀的。通常搅拌后所形成的焊缝金属其成分大体是均匀的。通常过过度稀释的焊缝金属中就会形成脆性的马氏体组织，有产度稀释的焊缝金属中就会形成脆性的马氏体组织，有产生裂纹的可能。生裂纹的可能。1422 异种钢焊接时，为确保焊缝成分合理（
14、保证塑性、韧异种钢焊接时，为确保焊缝成分合理（保证塑性、韧性及抗裂性），必须做到：性及抗裂性），必须做到：正确选择超合金化的焊接材料；正确选择超合金化的焊接材料；适当控制熔合比或稀释率。适当控制熔合比或稀释率。注意：珠光体钢与奥氏体钢焊接时，由于电弧偏吹现象的注意：珠光体钢与奥氏体钢焊接时，由于电弧偏吹现象的存在，两者的熔化量不可能完全相同，珠光体钢一侧的存在，两者的熔化量不可能完全相同，珠光体钢一侧的熔化量可能要大一些。熔化量可能要大一些。1522 凝固过渡层的形成凝固过渡层的形成u焊缝成分在在靠近熔合线处常显示出浓度梯度的特征。焊缝成分在在靠近熔合线处常显示出浓度梯度的特征。u原因原因:熔
15、化的母材金属和填充金属，在熔池内部和熔池熔化的母材金属和填充金属，在熔池内部和熔池边缘相互混合情况不同，在熔池靠近边界的很窄范围内边缘相互混合情况不同，在熔池靠近边界的很窄范围内存在一个不完全混合区，在化学成分分布上有很大的浓存在一个不完全混合区，在化学成分分布上有很大的浓度梯度，越靠近熔合线稀释率越高，铬、镍含量极低。度梯度，越靠近熔合线稀释率越高，铬、镍含量极低。u该区组织可能是硬度很高的该区组织可能是硬度很高的马氏体马氏体或或奥氏体加马氏体奥氏体加马氏体。u过渡层的存在对焊接接头的抗裂性能影响很大。过渡层的存在对焊接接头的抗裂性能影响很大。u提高填充金属中奥氏体形成元素提高填充金属中奥氏
16、体形成元素Ni的含量，该过渡层的的含量，该过渡层的宽度就可以减小。宽度就可以减小。1622 碳迁移过渡层的形成碳迁移过渡层的形成u异种钢接头在焊后热处理或在高温条件下工作时，在熔异种钢接头在焊后热处理或在高温条件下工作时，在熔合线的珠光体钢一侧的碳，通过焊缝边界向奥氏体钢焊合线的珠光体钢一侧的碳，通过焊缝边界向奥氏体钢焊缝一侧扩散迁移。结果在珠光体钢一侧产生脱碳层，在缝一侧扩散迁移。结果在珠光体钢一侧产生脱碳层，在相邻的奥氏体焊缝侧形成增碳层。相邻的奥氏体焊缝侧形成增碳层。u脱碳层硬度低，质软，晶粒粗大；增碳层中的碳以碳化脱碳层硬度低，质软，晶粒粗大；增碳层中的碳以碳化物形态析出，硬度高。物形
17、态析出，硬度高。u后果是接头的高温持久强度和耐腐蚀性能下降，脆性增后果是接头的高温持久强度和耐腐蚀性能下降，脆性增大，使接头可能沿熔合区产生破坏。大，使接头可能沿熔合区产生破坏。u迁移层的宽度随加热温度提高和加热时间增长而增大迁移层的宽度随加热温度提高和加热时间增长而增大。1722u如果在珠光体中减少碳含量，增加碳化物形成元素如果在珠光体中减少碳含量，增加碳化物形成元素(如如Cr、Mo、V、Ti等等)，而在焊缝金属中减少这些元素，而在焊缝金属中减少这些元素，或提高或提高Ni的含量，则可以阻止碳的迁移。的含量，则可以阻止碳的迁移。接头工作温度接头工作温度愈高，焊缝金属中含愈高，焊缝金属中含Ni量
18、应愈高。量应愈高。u注意：在珠光体钢和奥氏体钢焊接时，通常部采用奥氏注意：在珠光体钢和奥氏体钢焊接时，通常部采用奥氏体型填充金属，形成的也是奥氏体型焊缝组织。这样，体型填充金属，形成的也是奥氏体型焊缝组织。这样，马氏体过渡层和碳扩散的迁移层都在珠光体钢母材一侧马氏体过渡层和碳扩散的迁移层都在珠光体钢母材一侧的熔合线附近形成的熔合线附近形成。1822 残余应力的形成残余应力的形成u由于两种钢的线膨胀系数相差很大，不仅焊接时会产生由于两种钢的线膨胀系数相差很大，不仅焊接时会产生较大的残余应力，而且在使用中如有循环温度作用，也较大的残余应力，而且在使用中如有循环温度作用，也会形成热应力。会形成热应力
19、。焊后热处理也难以消除焊后热处理也难以消除。u奥氏体焊缝承受拉应力，珠光体焊缝承受压应力奥氏体焊缝承受拉应力，珠光体焊缝承受压应力。u焊后回火不能消除残余应力，只是使焊接残余应力作了焊后回火不能消除残余应力，只是使焊接残余应力作了重新分布。重新分布。u异种钢焊接时，应尽量选用线膨胀系数介于珠光体钢与异种钢焊接时，应尽量选用线膨胀系数介于珠光体钢与奥氏体钢之间的奥氏体钢之间的Inconel合金合金作为焊接材料，可以减轻热作为焊接材料，可以减轻热应力的产生。应力的产生。1922二、异种钢焊接工艺措施二、异种钢焊接工艺措施 隔离层堆焊法隔离层堆焊法u防止形成凝固过渡层防止形成凝固过渡层，最好，最好在
20、珠光体钢的坡口面上先堆在珠光体钢的坡口面上先堆焊一层奥氏体金属隔离层。焊一层奥氏体金属隔离层。u奥氏体钢与隔离层间的连接为奥氏体钢之间的焊接，可奥氏体钢与隔离层间的连接为奥氏体钢之间的焊接，可选用普通奥氏体钢填充金属。选用普通奥氏体钢填充金属。u注意：注意：应当避免先在奥氏体钢上熔敷碳钢或低合金钢的应当避免先在奥氏体钢上熔敷碳钢或低合金钢的隔离层，因为可导致脆硬马氏体组织隔离层，因为可导致脆硬马氏体组织。u为防治出现碳迁移现象，应先在珠光体钢坡口表面用为防治出现碳迁移现象，应先在珠光体钢坡口表面用V、Nb、Ti等含量较高的焊条堆焊第一隔离层，然后再用适等含量较高的焊条堆焊第一隔离层，然后再用适
21、当的奥氏体焊条堆焊第二隔离层。当的奥氏体焊条堆焊第二隔离层。2022图7.3 隔离层堆焊法2122 直接施焊法直接施焊法u利用高合金焊接材料直接完成珠光体钢与奥氏体钢的焊利用高合金焊接材料直接完成珠光体钢与奥氏体钢的焊接。接。u主要条件是保持珠光体钢坡口面熔深最小，焊接材料要主要条件是保持珠光体钢坡口面熔深最小，焊接材料要选择适当，防止外在拘束条件下的焊缝中产生裂纹。选择适当，防止外在拘束条件下的焊缝中产生裂纹。“过渡层过渡层”的利用的利用u一种是着眼于防止碳迁移，选用一种是着眼于防止碳迁移，选用V、Ti、Nb量较高的一量较高的一段珠光体钢作为过渡段，先与原珠光体焊接起来，然后段珠光体钢作为过渡段，先与原珠光体焊接起来，然后再与奥氏体钢焊接。再与奥氏体钢焊接。u另一种是着眼于简化施工工艺，先在车间堆焊一个短的另一种是着眼于简化施工工艺，先在车间堆焊一个短的珠光体钢和奥氏体钢的异质接头过渡段，在工地施焊时珠光体钢和奥氏体钢的异质接头过渡段，在工地施焊时已是同质接头问题，施工方便，易于保证质量。已是同质接头问题，施工方便，易于保证质量。2222