耐热钢的焊接
李军
主要内容
耐热钢的定义、种类和性能 珠光体耐热钢的焊接
马氏体耐热钢的焊接
铁素体耐热钢的焊接
奥氏体耐热不锈钢的焊接
耐热钢的定义和分类


耐热钢是指钢在高温条件下既具有热稳定性，又具有 热强性的钢材。 热稳定性是指钢材在高温条件下能保持化学稳定性 (耐腐蚀、不氧化)。 热强性是指钢材在高温条件下具有足够的强度。 钢材的耐热性能主要是通过合金元素来保证的。最常 用的合金化元素有铬、钼、钨、钒、钛、铌、硼、硅 和稀土等元素。钢中加入的合金元素的种类和数量不 同，钢的组织状态和耐热性能就不一样。 根据小截面试样正火后的金相组织，耐热钢可分为： 珠光体耐热钢、奥氏体耐热钢、铁素体耐热钢和马氏 体耐热钢。
焊缝中的不同可分为结晶裂 纹、多边裂纹和液化裂纹。它们在凝固温度区间或凝固温 度以下，由于拉伸应力的作用，在焊缝金属中以及靠近熔 合区的热影响区，沿着晶界或二次边界产生的开裂称热裂 纹。在实际生产中应用的珠光体耐热钢，很少在热影响区 产生热裂纹，而多数在焊接中产生，特别是弧坑处。 热裂纹的产生与珠光体耐热钢的凝固温度区间的大小有直 接关系。 焊缝成形系数φ（φ=b/h）对热裂纹的产生也有一定的影 响，一般情况下，随焊缝的成形系数φ的增加则产生热裂 纹的倾向减小。
珠光体耐热钢焊接时容易产生的问题
焊接接头产生冷裂纹 焊缝中产生热裂纹 热影响区的再热裂纹 回火脆化现象

焊接接头冷裂纹



珠光体耐热钢焊接过程中最常见的焊接缺陷之一就是在热 影响区的粗晶区产生冷裂纹。 由于这类钢中含有铬和铜元素，有明显的淬硬倾向。 焊接时在焊缝和热影响区容易产生硬而脆的马氏体组织， 在较大的焊接应力的作用下，易使接头的热影响区产生冷 裂纹。焊接冷却过程中，热影响区奥氏体没有转变时，焊 缝中奥氏体转变已开始。这时焊缝中的氢因溶解度突然降 低而相近缝区尚未转变的奥氏体内扩散，待近缝区奥氏体 转变时，温度已很低，氢无法向外逸出，只能在马氏体中 呈饱和状态存在，使马氏体的脆性增加，这一切均增加了 近缝区产生冷裂纹的倾向，所以冷裂纹产生于近缝区。 在实际生产中，为了防止冷裂纹的出现，一般都采用焊前 预热、控制层间温度、焊后去氢处理、改善组织状态以及 减小和消除应力等处理方法。 另外，正确选择坡口形式，合理安排焊接顺序以及尽量减 小焊接接头应力集中程度，降低焊接接头残余应力值等， 这都是很有效的工艺措施。
常用奥氏体耐热不锈钢化学成分 （%）
常用奥氏体耐热不锈钢常温机械性能
珠光体耐热钢的焊接


珠光体耐热钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋 弧自动焊、钨极惰性气体保护焊、熔化极惰性气 体保护焊(MIG焊)、CO2气体保护焊、电子束焊、 电渣焊和钎焊等。 在薄板和小直径管子对焊时，也采用氧一乙炔焰 气焊方法，但由于这种焊接方法不能充分保证耐 热钢的接头质量，因此在大批量生产的情况下， 这种焊接方法已很少用。另外，对于小棒材和小 直径薄壁管也可采用电阻焊。无论采用那种焊接 方法，焊后必须满足其焊接接头的设计要求

珠光体耐热钢焊接工艺要点


预热和焊后热处理 除了薄板和管外，这类钢焊接一般都要焊前预热。为 了防止冷裂纹和消除近缝区硬化现象，正确选择预热温度和焊后热处理是 非常重要的。关于预热温度和焊后热处理的确定，不仅取决于钢的成分， 而且与 产品结构尺寸和结构拘束度等具体条件有很大关系。生产实际中， 必须结合具体条件，通过试验来确定预热温度及焊后热处理温度。 推荐常用珠光体耐热钢的焊前预热温度和焊后热处理温度见下表
回火脆化现象
Cr—Mo钢产生回火脆化的主要原因是由于 在回火脆化温度范围内长期加热后，杂质 元素P、As、Sn和Sb等在晶界上偏析而引起 的晶界脆化现象，此外与促进回火脆化元 素Mn和Si也有一定关系。 对基体金属来说，严格控制有害杂质元素 的含量，同时降低Mn和Si含量是解决脆化 的有效措施。
钢号 12CrMo 15CrMo 壁厚 （mm） >10 >10 焊前预热 （℃） >150 >150 焊后热处理 （℃） 650~700 680~700
20CrMo
12Cr1MoV 12Cr2WMoVTiB 12Cr5WMoVTiB

任何板厚
>6 任何板厚 任何板厚
>200
150~200 >200 >200
常用珠光体耐热钢及其化学成分（%）
常用珠光体耐热钢的常温机械性能
马氏体耐热钢



若钢中加入的合金元素能使等温转变曲线向右移动，使钢 在奥氏体状态下空冷到室温时，避免550℃左右的珠光体转 变，而马氏体转变温度（Ms）以下转变成马氏体，这种类 型的耐热钢称为马氏体耐热钢。如Cr13系列马氏体耐热钢 。 这类刚在650℃左右时具有较好的抗氧化性，600℃以下具 有一定的热强性，而且具有较大的淬硬倾向，焊接性能较 差。 在火电热力设备中应用的还有一种马氏体+铁素体类耐热钢， 如Cr12WMoV和Cr11MoV等，它们正火后的组织为马氏体+铁 素体。这类钢中由于加入了部分强化合金元素，因此，热 强性比1Cr13耐热钢高，而且还具有较好的组织稳定性、小 的线胀系数和减震性，对回火脆性不敏感，工艺性能也比 较好。
E5515－B2－ WV
ER55－ B2WVNbB
珠光体耐热钢焊接工艺要点
焊接方法的选用 原则上凡是经过焊接工 艺评定试验证实，所焊接头的性能符合相 应产品技术条件要求的任何焊接方法均可 以用于珠光体耐热钢的焊接。 目前，在生产实际应用的焊接方法有：焊 条电弧焊、埋弧自动焊、熔化极气体保护 焊、电渣焊、钨极氩弧焊等。
热影响区的再热裂纹

(3)焊接工艺的影响： ①选用低组配焊缝，这样焊缝金属具有良好的塑性，使焊接 残余应力通过焊缝的变形得到一定的释放，对防止再热裂纹 的产生有一定的作用。 ②焊前对焊接结构进行预热可以降低焊接残余应力、减缓焊 后冷却速，因此能降低再热裂纹的产生倾向。 ③再热裂纹的产生部位一般都在工件较厚的地方。所以，在 厚板结构的焊接过程中，当焊缝焊到一定厚度后，先进行一 次中间消除应力热处理，有利于防止再热裂纹的产生。 ④如前所述，焊接线能量越大，产生再热裂纹的倾向就越大。 所以，从防止再热裂纹产生方面考虑，应尽量选择小些的焊 接线能量。但焊接线能量越小，产生冷裂纹的倾向就越大。 因此，在实际焊接生产中，两者的利弊必须兼顾。 ⑤焊后用砂轮将焊缝余高和焊趾处进行打磨，使之圆滑过渡 可以降低焊接接头残余应力水平，对防止再热裂纹的产生十 分有利。
常用马氏体耐热钢及其化学成分（%）
部分马氏体耐热钢的常温机械性能
铁素体耐热钢
铁素体耐热钢为了提高其耐腐蚀性和耐热 性，加入了相当数量的铬、硅和铝等铁素 体元素，使钢从高温冷却下来获得单相铁 素体组织。如1Cr13Si3、1Cr18Si2和 1Cr25Si2等均属铁素体耐热钢。 由于这类钢中加入了较多的铁素体元素， 故具有很好的高温下不起氧化皮性能，但 其焊接性较差，并具有较大的脆化倾向。
720~760
720~760 740~780 740~780
如果焊后不能立即进行热处理时，则增加消氧处理措施，温度300～400℃， 保温时间视壁厚而定。
珠光体耐热钢焊接工艺要点

焊接注意事项
焊接这类钢必须严格预热、焊后缓冷措施。
一般焊后立即用棉布覆盖焊缝及近缝区，小 的焊件可按臵于棉布中缓冷。 焊接时一次焊完，最好不要中断。如需中间 暂停，应采取后热措施，使已焊部分缓冷。 厚板宜采用多层焊，层间温度不低于预热温 度。
珠光体耐热钢



这类钢的合金元素总含量一般不超过5％～7％，正火后得 到珠光体组织，在500℃～600℃时具有良好的热强性，冷 加工、热加工和焊接性能也良好，价格比较便宜。因此这 种钢被广泛地应用，其中使用最多的是铬钼钢和铬钼钒钢。 这类钢的含Cr量一般主0.5％～9％，含Mo量一般为0.5 ％—1％。随着Cr和Mo含量的增加，这类钢的高温强度、 抗氧化性能和抗硫化物腐蚀性能也随之提高。 这类钢中加入少量的合金元素V、W、Ti、Nb等，可进一步 提高热强性。
示例-12CrMo钢焊接

（1）焊接材料的选择 焊条电弧焊可采用R202和R207电焊条进行焊接。 热202为酸性焊条，可交、直流两用，能进行全 位臵焊接。此焊条可用来焊接工作温度510℃以下的 12CrMo珠光体耐热钢的蒸汽管道和过热器官等。 热207为碱性焊条，施焊时应采用直流反接，短 弧操作。可进行全位臵焊接。此焊条可用来焊接工 作温度为510℃以下的12CrMo珠光体耐热钢的高温高 压锅炉管道、化工容器等构件。 这种钢采用气焊和埋弧自动焊时，应选用 H12CrMo焊丝，焊前应将焊丝表面的油污和铁锈等杂 质清除干净。气焊时应注意选用中性火焰。
热影响区的再热裂纹


所谓再热裂纹是指在焊后消除应力热处理过程中或在高温 下工作一定时间后产生的裂纹。这种裂纹一般情况下都是 产生于热影响区的粗晶区，极少数产生在焊缝金属中。 影响再热裂纹的因素有如下几个方面。 (1)合金元素的影响：对再热裂纹的产生有较大影响的合 金元素有铬、钼、钒、铌和钛等，它们都是强烈碳化物形 成元素，会增加钢的再热裂纹敏感性。 (2)焊接残余应力的影响：焊后消除焊接残余应力过程中， 残余应力是通过金属的蠕变变形获得松弛的。焊后残余应 力越高，要达到同样消除残余应力程度所需要的蠕变变形 量就越大，此时，若材料的变形能力不能满足这种较大的 蠕变变形量要求时，就会产生再热裂纹。反之，就不产生 再热裂纹。所以，再热裂纹往往产生于焊接残余应力值高 的部位。焊接接头中的咬边、缺口、根部未焊透和焊趾处 焊接残余应力峰值较高，往往是再热裂纹的裂源。

部分铁素体耐热钢的化学成分（%）
部分铁素体耐热钢的常温机械性能
奥氏体耐热不锈钢





奥氏体钢中加入较多的奥氏体化元素，可使等温转变曲线向右 移动，并且还能使马氏体转变温度(Ms点)降至室温以下，这种 钢空冷到室温时，可以获得单相奥氏体组织。奥氏体钢具有优 良的热强性和耐蚀性，故又称其为奥氏体耐热不锈钢。 这类钢主要用于550℃以上的锅炉过热器管及主蒸汽管道和 650℃以下工作的汽轮导管及阀体等。 这类钢如果在540℃—870℃下长期工作，则会从奥氏体组织中 析出δ相，分布于晶介而使这类钢的脆性倾向增大。 lCrl8Ni9钢在敏化温度区间(450℃—850℃)加热时，有时还会 因碳化铬沿晶界析出，导致这种钢在腐蚀介质中产生晶间腐蚀。 不过这种钢加入钛和铌以及经稳定化处理后，可以避免和消除 晶间腐蚀的产生。 近些年来，我国的科学工作者根据本国的资源情况，研制出了 一系列的铬锰型和铬锰铌型奥氏体耐热不锈钢，使这类钢的成 本大幅度地降低。如Mnl7Cr7MoVNbBZr、Mnl8Crl8MoVB和 Crl8MnllSi2等钢种。