耐热钢的焊接
出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第552页（4593字）
耐热钢分珠光体、马氏体、铁素体和奥氏体等四类，具有彼此不同的焊接特点。
1．珠光体耐热钢的焊接
(1)焊接特点：珠光体耐热钢，是低合金耐热钢，含有不同数量的铬、钼、钨、钒、铌等合金元素，以适应不同的工作温度。钢中碳和合金元素的共同作用，使钢的奥氏体稳定性增加，不易发生分解，而在冷到较低温度时才发生马氏体转变，因此，在该类钢焊接时，如果冷却速度较大则易形成淬硬组织，使焊接接头的脆性增大，在有较大的拘束力时，常导致裂纹。淬硬程度取决于冷却速度和合金元素的含量，钢中含碳量和含铬量越多，淬硬倾向越大。预热使焊接接头的冷却速度，特别是低温阶段的冷却速度减缓，使热影响区不易形成淬硬组织，能防止冷裂纹的产生。该类钢由于二次硬化元素的影响，在焊后热处理过程中也有产生再热裂纹的倾向，应考虑采取防止再热裂纹的措施。
(2)焊接工艺：
1)焊接方法：主要采取手工电弧焊和埋弧自动焊。CO2和混合气体(Ar+CO2)保护焊的应用亦日益增多。电渣焊在大断面的焊接中得到应用，电阻焊和摩擦焊在锅炉管子焊接中得到推广。气焊在一些薄壁小直径的管子焊接中是主要方法之一，但重要的高压管道大多趋向于氩弧焊封底，然后用熔化极气电焊焊满。
2)施焊要求：定位焊和正式施焊前，都需预热(小直径薄壁管视情况可不预热)，温度参见表10－22。可整体或局部预热，刚性大，对焊接质量要求高的结构一般宜整体预热，并在整个焊接过程中使焊件温度不低于预热温度。焊接过程如必须间断，则应使焊件经保温后再缓慢均匀冷却；再施焊前，重新按原要求预热。厚板一般宜采用多层多道焊，增加焊缝的“自回火”作用。气焊用中性焰，焊道不宜太厚，保持较小的熔池，焊接结束后要逐渐移去火焰。珠光体耐热铸钢件补焊时，为简化焊后热处理工艺，常进行锤击焊道和跟踪热处理(用氧－乙炔焰加热)。锤击应在不低于预热温度下进行。为降低裂纹倾向，应尽量减少对焊接接头的拘束度。焊后一般要求采取保温措施，重要结构焊后还需经后热处理(在预热温度上限保温数小时后再开始缓冷)，为减少焊接接头的缺口敏感性，焊接工艺条件应防止焊缝产生裂纹、夹渣、未焊透等缺陷，也不允许过大的焊缝加强高。
3)焊后热处理：为了消除焊接应力，改善焊接接头的机械性能，提高高温性能和防止变形，焊接后必须进行热处理。一般用高温回火；气焊和电渣焊为改善焊接接头塑性和韧性，有时采取正火加回火处理，由于该类钢有延迟裂纹倾向，焊后尽可能立即热处理。珠光体耐热钢回火温度较低碳钢高，保温时间也长，但通常回火温度不能超过基本金属的调质回火温度，回火温度的选择参见表10－22。
表10－22 常用珠光体耐热钢焊接的预热温度和焊后热处理温度
注：①12Cr2MoWVB的气焊接头焊后宜作正火+回火处理，推荐工艺参数为：正火1000～1030℃+回火760～780℃。
(3)焊接材料：珠光体耐热钢焊接材料的选择应保证焊缝的化学成分和机械性能与母材相当，还应考虑防止焊缝金属产生热裂纹。焊缝含碳量一般应≤0．14%，其他元素可调整，以满足各项性能要求。焊缝金属成分的允许变动范围较窄，应严加控制，否则对性能影响较大。宜采用氧化性小的碱性焊条、焊剂。常用的珠光体耐热钢的焊条选择可参见表10－23，焊丝和焊剂的选择可参见表10－24。
表10－23 常用珠光体耐热钢焊条的选择
表10－24 常用珠光体耐热钢焊丝和焊剂的选择
2．马氏体耐热钢的焊接
(1)焊接特点：马氏体耐热钢包括含铬5%～9%的中铬钢和含铬12%的高铬钢。该类钢具有明显的空气淬硬倾向，焊后易得到高硬度马氏体和贝氏体，使脆性增加，残余应力也较大，容易产生冷裂纹，可焊性较差。含碳量越高，裂纹敏感性愈大。与母材成分相同的焊缝同样易硬化。为防止焊接接头硬化和产生裂纹，一般焊前必须进行200～400℃的预热及层间保温，焊后尚未冷却前进行高温回火，但回火前一般应经中间冷却，以提高接头的塑性和韧性。该类钢焊后冷却速度也不宜过慢，否则由于晶粒粗化而引起脆性，因此预热温度不宜过高。
(2)焊接工艺：马氏体耐热钢，常采用手工电弧焊、气电焊和埋弧自动焊，不宜用气焊。焊接预热温度见表10－25，视焊件壁厚和刚性可适当调整。为改善焊缝金属及热影响区的塑性和韧性，对采用与母材相近成分的焊条(或焊丝)所获得的焊接接头，必须进行焊后高温回火处理，回火温度见表10－25。高温回火前应先冷却到100～150℃(对于小于10mm的薄壁焊件可冷却到室温)，保持1～2h，随后立即回火。
表10－25 焊接马氏体耐热钢用焊条及预热、焊后热处理温度
注：采用奥302、奥307或奥402、奥407焊条焊铬5钼，可不预热。
(3)焊接材料：在要求焊接接头满足高温强度和抗氧化性时，一般应选用与母材成分相近，性能相当的马氏体类焊条(或焊丝)。在对焊接接头要求不高，或不要求焊缝与母材有相当的性能时，为了简化焊接工艺，可选用塑性较好的奥氏体类焊条(或焊丝)，一般焊后不热处理。常用的马氏体耐热钢焊条见表10－25。
3．铁素体耐热钢的焊接
(1)焊接特点：铁素体耐热钢指含铬17%以上的高铬钢。该类钢没有淬硬性，焊接时没有硬化现象，但由于铁素体钢没有相变，在高温作用下，熔合线附近的晶粒会急剧长大，使钢脆化。含铬量越高，在高温停留时间越长，脆性倾向越严重。该类钢在晶粒长大后，不能通过焊后热处理使其细化。此外，该类钢当焊后缓冷时，还易出现475℃脆性和σ相析出脆化，而使接头冲击韧性降低。由于高铬钢具有明显的室温脆性，当焊接接头刚性较大时，很容易引起裂纹。
(2)焊接工艺：主要采用手工电弧焊，有时也用氩弧焊和埋弧自动焊，气焊由于易引起晶粒长大而脆化，故不宜采用。为防止焊接裂纹，改善接头塑性，常采用下列工艺措施：
1)焊前预热100～150℃，使钢在较好的韧性状态下进行焊接。但预热温度不能太高，否则将增加高温停留时间，减缓冷却速度，促使出现475℃脆性。
2)宜采用小电流，快速焊，焊条不宜摆动，多层焊时必须严格控制层间温度，不宜连续施焊，以防止接头过热。
3)焊后进行750～800℃热处理可以改善焊接接头塑性及抗腐蚀性能，这对采用与母材相同成分的焊条时更有必要。
(3)焊接材料：铁素体高铬耐热钢主要用于制造抗氧化及耐腐蚀性设备，因此强度要求不高。焊接时可以选用与母材成分相同的焊条，也可以用铬镍奥氏体钢焊条，见表10－26。铬镍奥氏体钢焊条具有较好的塑性和韧性，但所获得的焊接接头在含硫气体中抗腐蚀性能降低。对抗腐蚀性要求高的，应选用与母材同成分的焊条。
表10－26 焊接铁素体耐热钢用焊条及预热、焊后热处理温度
4．奥氏体耐热钢的焊接
(1)焊接特点：奥氏体耐热钢焊接的主要问题是焊缝金属和母材热影响区的热裂纹。对热稳定性奥氏体耐热钢以及铸造奥氏体耐热钢还有毗邻熔合线的近缝区裂纹。防止奥氏体耐热钢焊缝金属热裂纹的措施与奥氏体耐蚀钢相同(见本节“五、耐蚀钢的焊接”部分)。
防止奥氏体耐热钢母材热影响区裂纹(尤其是近缝区裂纹)较困难，这种裂纹的倾向虽与焊接工艺有关，但主要决定于母材的性能、组织、成分及纯度。钢在焊接过程中的塑性损失程度，对产生近缝区裂纹也是主要影响因素。钢的晶粒度越细，低熔点夹杂物及非金属夹杂物越少，出现母材热影响区裂纹的倾向也越小。
(2)焊接工艺：一般采用手工电弧焊，气电焊及埋弧自动焊，也采用电阻焊、钎焊、等离子弧焊等。
为避免母材过热而增加裂纹倾向，焊接时应尽量采用能获得低线能量的焊接工艺参数。焊接过程中还可采取强迫冷却措施。在手工电弧焊时，焊条不宜摆动，并须用短弧。由于脉冲氩弧焊可以通过调节脉冲参数来控制对母材的热输入量，并使焊缝结晶得到改善，因此对防止焊缝和近缝区裂纹有利。埋弧焊热输入量大，用于对热裂纹较敏感的奥氏体耐热钢焊接时应慎重。
在多数情况下，如焊接材料和焊接工艺选择适当，则焊接接头在焊态有较好的机械性能，因此，奥氏体耐热钢一般焊后不热处理。但焊缝数量多，结构刚性大的焊件，焊后应热处理。可根据对接头的性能要求，选用奥氏体化退火(一般在钢的固溶温度)或800～900℃稳定化处理。对于要求固溶加时效处理的耐热钢焊件，宜在固溶状态下焊接，焊后再作固溶加时效处理。
(3)焊接材料：应能满足焊缝金属的抗热裂纹性能和焊接接头高温性能的要求。对Cr／Ni≥1的奥氏体耐热钢，如1Cr18Ni9Ti、Cr17Ni13W、Cr19Ni9WMoNbTi、Cr14Ni14Mo2W等，一般采用奥氏体、铁素体双相焊条。焊缝中铁素体含1%～5%为宜，过低，抗裂性差，过高，在高温长期使用或在热处理时易产生裂纹。相对于Cr／Ni＜1的稳定型奥氏体钢，如Cr16Ni25Mo6、Cr15Ni25W4Ti2、Cr15Ni36W3Ti等，一般应在保证焊缝金属具有同母材成分大致相同的同时，再往焊缝中增加钼、钨、锰等元素的含量，使得在保证焊缝金属热强性的同时，提高焊缝的抗裂性。在Cr25Ni20钢的焊缝中，加入5%～6%的锰代替部分镍，以及适当提高碳含量，对提高抗裂性亦有效。奥氏体耐热钢的焊条选用见表10－27。
表10－27 几种奥氏体耐热钢焊条的选用
