低合金耐热钢的焊接

一、低合金耐热钢概述

碳钢的强度性能随着工作温度的提高而急剧下降，其极限工作温度为350℃左右。若在更高的温度下使用，必须在钢中加入一定的合金元素以提高高强钢的持久强度，合金元素总质量分数在5%以下的合金钢通称为低合金耐热钢。对特种设备用的低合金耐热钢，为改善其焊接性，碳的质量分数均控制在0.2%以下，甚至在0.15%以下，且这类钢通常以退火态或正火加回火状态交货。由于合金含量在2.5%以下的低合金耐热钢具有珠光体加铁素体组织，故也经常称为珠体耐热钢，如15CrMoR、12CrlMoV。合金含量在3%~5%的低合金耐热钢供货状态为贝氏体加铁素体组织，故也称为贝氏体耐热钢，如12Cr2MolR，12Cr2MoWVTiB。承压设备使用的低合金耐热钢主要是以加入铬和钼元素或辅以加入少量的钒、钛等元素来提高钢的蠕变强度和组织稳定性，所以也经常将它叫做 Cr-Mo 耐热钢或Cr-Mo-V系耐热钢。这类钢在耐高温的同时具有良好的抗氢腐蚀性能，为此，对于Cr-Mo或Cr-Mo-V系的低合金耐热钢亦经常称为抗氢钢。

此外，耐热钢还有中合金耐热钢（如1Cr5Mo）和高合金耐热钢（如08Cr13Al），由于特种设备中不多见，本节主要叙述低合金耐热钢。对于低合金耐热钢来说，为保证它在高温、高压和各种复杂介质下长期安全地运行，就要考虑它具有的基本性能要求，主要有;足够的常温和高温短时强度;高温持久强度和蠕变强度;耐蚀性、抗氢能力和抗氧化性;抗脆断能力;可加工性，包括冷、热成形性能、焊接性能等。

二、低合金耐热钢的焊接特点

按其合金（主要是碳）含量的不同，存在不同程度的淬硬倾向。耐热钢中大多含有铬、钼、钒、铌、钛等强碳化物形成元素，从而使接头的过热区具有不同程度的再热裂纹敏感性。某些耐热钢焊接接头，当有害的残余元素总量超过容许极限时会出现回火脆性或长时脆变。

三、低合金耐热钢的焊材选用

焊缝金属和母材等强度原则仍是低合金耐热钢焊材选用的基本原则，此时不但要考虑焊缝金属与母材的常温强度等强，同时也要使其高温强度不低于母材标准的下限要求。为使其焊缝金属具有与母材同样的使用性能，要求焊缝金属的铬、钼含量不得低于母材标准值的下限。为保证焊缝金属有同样小的回火脆性，应严格限制焊材中的氧、硅、磷、锑、锡、砷等微量元素的含量。为提高焊缝的抗裂性，应控制焊材中的含碳量低于母材的含碳量。但应注意;含碳量过低时，经长时间的焊后热处理会促使铁素体形成，从而导致韧性下降。因此，对于低合金耐热钢的焊缝金属含碳量最好控制在0.08%~0.12%范围内，这样才会使焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的高温蠕变强度。

低合金耐热钢焊材用于承压设备时，订货技术条件还必须符合 NB/T47018—2011的各项要求。

（一）低合金耐热钢焊条选择

低合金耐热钢焊条即铬钼钢焊条，执行国家标准CB/T 5118—2012《热强钢焊条》的规定。熔敷金属有四个强度级别及不同的铬钼含量，可根据母材相应选择，具体可参考第二章第二节及表4-1。

（二）低合金耐热钢埋弧焊焊剂及焊丝的选择

选用低合金耐热钢焊接材料的基本原则是∶焊缝金属的合金成分与力学性能与母材应基本一致，或达到产品技术条件提出的最低性能指标;若焊件焊后需经退火、正火等热处理或热加工成形时，则应选用合金成分或强度级别较高的焊接材料。为提高焊缝金属的抗热裂性能，焊接材料的含碳量应控制在略低于母材的含碳量。对1.25Cr-Mo和2.25Cr-Mo耐热钢来说，焊缝金属的最佳含碳量应接近0.10%，此时焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的蠕变强度。为了降低焊缝金属的回火脆性，应使用低含磷量的烧结焊剂，同时应严格限制焊丝中磷、硫、锡、锑及砷等有害杂质的含量，以满足厚壁容器对抗回火脆性的严格要求。

低合金耐热钢焊丝及焊剂执行 GB/T12470—2003《埋弧焊用低合金钢焊丝及焊剂》的规定，焊丝的选择具体可参考第二章第二节及表4-1。

（三）低合金耐热钢气体保护焊焊接材料的选择

Cr-Mo耐热钢焊丝的选择∶首先要保证焊缝的力学性能与母材尽量一致，焊缝金属合金成分不低于母材标准规定值下限。使焊缝在工作温度下，具有良好的抗回火脆性、抗氧化、抗气体介质腐蚀能力和一定的高温强度。其次，应考虑材料的焊接性能，避免选用杂质含量较高或强度较高的焊接材料。Cr-Mo耐热钢焊缝的含碳量一般控制在0.07%~0.12%之间，含碳量过低会降低焊缝的高温强度，含碳量太高又易出现焊缝结晶裂纹;选择超低碳的Cr-Mo耐热钢焊接材料（如ER55-B2L）主要是为了提高焊缝抗裂性能。

Cr-Mo耐热钢的焊接方法∶目前较为普遍采用的还是焊条电弧焊和埋弧焊。但随着技术的进步，CO2或Ar+CO2熔化极气体保护焊方法的应用正逐步扩大。一些重要的高温、高压耐热钢管的焊接，普遍采用钨极氩弧焊打底焊接，实心焊丝熔化极气体保护焊进行填充或焊条电弧焊填充（大直径厚壁管还将采用埋弧焊填充）。实心焊丝的熔化极气体保护焊，所用的保护气体是 Ar+CO2（2%～5%）。保护气体的选用主要是考虑熔滴的过渡形式和电弧的稳定燃烧，以及保证熔透和良好的焊道成形。

耐热钢气体保护焊焊丝执行 GB/T 8110—2008《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》的规定，焊丝的选用见本书第二章及表4-1。

四、低合金耐热钢焊接工艺要点

（一）焊前准备

对于一般的低合金耐热钢焊件，可以采用各种热切割法下料。为防止厚板热切割边缘的开裂，可以采用边缘预热，机械加工并用磁粉检测是否存在表面裂纹。热切割边缘或坡口面如直接进行焊接，焊前必须清理干净热切割熔渣和氧化皮。切割面缺口应用砂轮修磨圆滑过渡，机械加工的边缘或坡口面焊前应清除油迹等污物。对焊缝质量要求较高的焊件，焊前最好用丙酮擦净坡口表面。

焊接材料在使用前应做适当的预处理。光焊丝表面防锈油应清除干净，焊条或焊剂除妥善保管外，在使用前，应严格按工艺规程的规定进行烘干，这对于保持焊缝金属的低氢含量很重要。

（二）预热、后热和焊后热处理

预热是防止此类钢焊接接头冷裂纹和再热裂纹的有效措施之一。预热温度主要依据钢的含碳量，接头的拘束度和焊缝金属的氢含量来决定，对低合金耐热钢预热温度和层间温度须低于马氏体转变结束点的温度，焊接结束后，奥氏体立即在层间温度下转变成马氏体，并在马氏体转变完全结束后再进行焊后热处理，从而使马氏体组织得到回火处理而形成韧性较高的回火马氏体。这种焊接工艺的关键是应将焊接结束到焊后热处理的间隔时间列入工艺控制范围。在焊接小型焊件时，如采用电加热器预热和焊后热处理是可以的。但对大型焊件，如使用火焰预热焊件且焊后需进炉热处理，则从焊接结束到装炉这段时间内，接头产生裂纹的危险性较大。为防止焊件在焊后热处理之前产生裂纹，需对焊接接头做后热处理。后热处理按钢种和壁厚而定，一般为200～350℃，时间大于0.5h，以防止氢致裂纹的产生。

大型焊件的局部预热应注意保证预热区的宽度大于所焊壁厚的4倍，至少不小于150mm，且预热区内外表面均应达到规定的温度。在焊接过程中，应将预热温度基本保持一致，这往往是焊接成败的关键。

（三）焊接热规范的选择

焊接热规范通常是指焊接热输人、预热温度和层间温度。焊接热规范直接影响接头的冷却条件。热规范越大，冷却速度越慢，接头各区的晶粒越粗大，强度和韧性越低。采用低的热规范，则可以提高接头的冷却速度，有利于细化接头各区的晶粒，改善显微组织而提高冲击韧性，但在低合金耐热钢焊接中，预热和保持层间温度是防止接头冷裂的条件之一，故调整焊接热规范主要通过控制焊接热输入。大多数低合金耐热钢对焊接热输人在一定范围内的改变不敏感。为了防止冷裂纹的产生，希望焊接时热输入量不要过小。只有当焊接热输入超过30kJ/cm，预热和层间温度超过250℃，Cr-Mo钢焊缝金属的强度和冲击韧性才会明显下降。

（四）焊后热处理的影响

Cr-Mo耐热钢焊后热处理规范对于其强度，特别是韧性有明显的影响，通常用回火参数值来评价其影响程度，回火参数值由热处理的温度和保温时间决定。对于每一种Cr-Mo耐热钢都有一个最佳的回火参数范围，因此也对应有一个最佳的焊后热处理温度及时间。热处理的温度和时间见表4-3。