珠光体耐热钢采用奥氏体焊材焊接与应用
上海永鑫波纹管有限公司朱洪明
摘要：在本文中笔者介绍了用奥氏体焊接材料焊接珠光体耐热钢，其本质是异种金属焊接的一种型式，母材金属相同而填充金属不同的接头。

焊后不进行热处理，工艺简单，适合不具备热处理的情况下采用。

关键词：珠光体耐热钢（12Cr2Mo1R）：异种钢焊接：熔合比：低氢焊接方法Welding&Application of Austenitic Electrode with the
Pearlitic Heat Resistant Steel
Shanghai YongXin Bellows CO., LTD Hongming Zhu
Abstract: In this article, the writer will introduce how to weld the Austenitic Electrode with the Pearlitic Heat Resistant Steel. The fact is the form of diversity metal welding and the joint has same base metal and the different full metal. It does n’t need heat treatment after welding. It has easy process and available on the condition without heat treatment equipment.
Key Word: Pearlitic Heat Resistant Steel (12Cr2Mo1R); Diversity Metal Welding; Fusion Ratio; Low-hydrogen Welding
一、引言
12Cr2Mo1R钢是电力行业使用温度400～500℃压力容器和压力管道常用的钢种，亦称为珠光体耐热钢，此种材料在高温下，具有足够强度和抗氧化，抗腐蚀性，如采用化学成份相同焊材进行焊接，工艺苛刻。

必须做到焊前预热，后热，消应力热处理，稍有不慎仍有冷裂纹出现可能。

采用奥氏体焊材后，工艺简单，焊后不进行热处理，但需要严格控制热输入量和焊缝金属与被熔化的母材金属之间的比例，即熔合比，才能获得符合使用要求的焊接接头。

在焊接试验和工艺评定合格后已成功应用在产品上。

二、异种钢焊接特点
1.对于珠光体耐热钢（12Cr2Mo1R钢），用奥氏体焊材焊接，虽然两侧母材是同钢种，
但从焊缝的材质来考虑，仍具用异钢种焊接的特质，其本质是异种金属焊接的一种型式，母材金属相同而填充金属不同的接头。

同时在异种钢的焊接时通常会出现以下三个问题：
①焊缝成分的稀释（熔合比）
②熔合区过渡层低塑性带及碳的迁移
③接头的应力差异（残余应力）
2.焊缝成分的稀释（熔合比）
异种钢焊接一个突出问题就是焊缝化学成分不均，焊缝金属的成分是由填充金属的成分，母材金属的成分及其熔合比所确定。

由于珠光体耐热钢(12Cr2Mo1R)的合金成分较低，用奥氏体焊材ER309L焊接，若熔合比过大，焊缝金属成分被稀释，使焊缝的奥氏体元素含量不足，结果使焊缝出现脆性马氏体组织，恶化了接头质量，有产生裂纹的危险。

根据12Cr2Mo1R钢及焊材ER309L铬镍当量值（表一）。

表一
在舍夫勒组织图（不锈钢组织图1）上我们可以看到：
图1
①当母材金属G1+G2≤30%以下，焊缝金属Z≥70%以上，才能避免出现马氏体组织，
此时的焊缝组织为：奥氏体加铁素体（A+F）
图2
对接接头的熔合比=%1002
121⨯+++G G Z G G ，其中G 1≤15% , G 2≤15% ②当熔合比≥40%以上，即G 1≥20% , G 2≥20%，焊缝就会出现脆性组织（A+M ）。

从以上的内容我们可以了解到：异种钢焊接时要获得小熔合比，必须要有较小的焊接电流和较大坡口角度相配合。

如电流太大，不仅在焊缝中出现马氏体脆性组织，还会造成低熔点共晶体渗入晶界，导致焊缝金属从液相到固相时，产生结晶裂纹，也是我们通常所称的结晶热裂纹。

3．熔合线上低塑性带及碳的迁移
异钢种焊接，在熔合线处总存在一个低塑性带约0.2～0.6㎜的宽度，它的存在会降低接头的冲击韧性，因此在焊接应力和拘束应力较大的情况时，要考虑这一因素。

低塑性带形成原因: 在焊接过程中，在熔合线处发生碳的适移现象，碳从珠光体侧向奥氏体焊缝扩散，产生脱碳层形成铁素体而软化，奥氏体焊缝侧产生增碳层形成铬的碳化场析出而硬化，（见图3）其结果对接头的高温持久强度有减弱的影响，因此在主受力接头上要慎重异种钢焊接。

图3
4．焊接接头的应力差异 由于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢在20℃～600℃的范围内线膨胀系数不同，焊接后，熔合附近产生拉应力，稍远离熔合成附近产生压缩应力。

拉应力在高温工况下，因热疲劳可能导致焊缝与母材断裂。

因此在压力容器或压力管道的纵焊缝上很少使用这种方法。

因为纵焊缝在2倍的受力情况下，具有风险。

必要时采用镍基焊材，因为镍基焊材的膨胀系数介于珠光体和奥氏体这间，可以有效地克服应力差异。

三、 焊接工艺评定
1. 根据上述分析结果，并依据ASME-IX 制定了预焊接工艺规范PWPS:
①焊接方法为: FCAW 药芯焊丝（低氢焊接方法：虽然奥氏体对氢不敏感，但珠光体侧仍需低氢焊接，防止在焊缝边缘产生氢致裂缝）
②坡口尺寸: 图4
图4
③焊材：E309L-T1 φ1.2 保护气体：CO2 100% 流量：15~18L/min
④工艺参数：I=200~220A; U=24~26; V=360~380mm/min; 极性：DCEP
⑤Q=8~10kJ/cm
⑥预热和层间温度100℃＜T＜150℃
说明：珠焊接时不用预热是我们认识上的误区，如不预热，在焊缝的热影响区仍有淬硬性和冷裂纹的出现。

2.焊缝力学性能测试结果：
①拉伸：1#拉伸610Mpa，2#拉伸610Mpa 均＞520 Mpa ，结论为合格。

②背弯，面弯：弯角180°，弯曲直径D=40 mm, 受拉面完好，结论为合格。

四、应用：
五、结论：
一、珠光体耐热钢用奥氏体焊材焊接工艺简单，不需焊后热处理，。

二、异种钢焊接时采用较小电流和大的坡口角，确保对接接头的熔合比在30%以下。

三、在焊接应力和拘束应力较大或主焊缝的结构上慎重使用。

参考资料：
【1】陈祝年焊接工程师手册
【2】哈培IWE培训资料
【3】张其枢不锈钢焊接
【4】李亚汇异种难焊材料的焊接及应用
朱洪明，男，国际焊接工程师
上海宝山区锦秋路88号 200444
E-mail:zhuhongming18@。