耐热钢焊接

• 化学成分
对于T/P91钢，当Creq≤10时，钢中不会出现δ-Fe。 Creq=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+9Ti+12Al-40C-30N4Ni-2Mn-1Cu
钢材所含铁素体形成元素越多，形成δ铁素体的倾向 越大。若焊缝与母材的成分相同，则在焊接凝固和冷 却条件下，当焊接工艺条件不恰当时，焊缝中很容易 出现δ-Fe。
TP321H、TP347H 、Super304H、 TP347HPG等，属 于Cr<20%的低铬钢。 后两种为细晶奥氏体耐热钢。
细晶钢奥氏体钢 • Super304H 对TP304H钢进一步合金化（添加了 3%Cu和0.4% Nb）而得到的细晶钢，其蠕变断裂强度 极高，在600~650℃下的许用应力比TP304H高30%。 • TP347HPG 通过特定的热加工和热处理工艺得到的细 晶钢，比TP347H粗晶钢的许用应力高20%以上，且有 极好的抗蒸汽氧化性能。 上述两种细晶钢已广泛用于超超临界机组锅炉过热器、 再热器管。
多层多道焊时，先焊焊道不可避免地要落入后焊焊道 的热影响区，而被加热到不同的温度。焊道越厚，其 热影响区越宽，先焊焊道落入后焊焊道750~550℃热 影响区的比例就越大，多层焊缝整体韧度就会越差。 实践证明，焊接P91厚壁构件时，把焊道厚度控制在 3mm内，预热和层间温度保持在200~300℃，较易获 得合格的焊缝韧度。 反之，过高的预热、层间温度及焊道厚度超过4mm， 焊缝韧度往往极其低劣。 总之，焊缝韧度对焊道厚度（线能量及后焊焊道的加 热温度）、预热温度和层间温度都很敏感。
理的优化配比。其中，N的含量应控制在除了析出Nb、V
的氮化物外，不能有多余存在。
上述微合金元素对焊缝韧度的影响规律可作为焊接TMCP生产的 钢材时选择焊接材料和研制焊接材料应重视的原则。
四. 焊缝中的δ相
δ相是高温一次结晶铁素体，它会明显降低材料的蠕 变断裂强度和冲击韧度，是一种不希望出现的组织。
焊态下Nb、V、N等合金元素大部分处于固溶状态，只有 在它们以细小的碳、氮化合物的形式充分析出后，韧性才 会改善。而它们析出的时机只有两个： 一是后焊焊道对先焊焊道加热时；二是焊后热处理过程。 前者加热循环时间很短，析出过程很难充分。充分析出只 能希望在焊后热处理过程中进行。 此外，Nb、V、N等微合金化元素是以Nb、V、N的碳、 氮化合物形式析出的。因此应注意寻求这些元素相互间合
• T91钢焊接裂纹敏感性
T91钢合金元素种类多，总含量达10％左右，具有 相当高的空淬特性，由于HAZ淬硬倾向大，冷裂纹 敏感性仍较大； 同时钢中含有C、Nb等促进热裂的元素，因此该钢 还有一定的热裂倾向。易产生弧坑裂纹。
T91再热裂纹倾向都很低。 TCMP工艺生产的低合金高强度结构钢，由于钢质 的纯净度高，塑性和韧度高，故这类钢的焊接裂纹 倾向比相同合金系统的非TCMP钢小。
马氏体耐热钢 一般在正火+回火状态下使用，组织为回火马氏体。 典型钢种：T91、T92 T91（9Cr1MoVNb）是一种新型马氏体耐热钢，既具 有高强度，有具有优异的韧性，属于细晶强韧型铁素 体耐热钢。 T91钢的强化措施 • 钢质纯净化，即严格限制损害塑性和韧性的杂质元 素的含量。 • 采用Nb、V、N进行微合金化。 • 采用控轧控冷（TMCP）成材加工工艺。
二、焊缝韧度
强韧型铁素体耐热钢存在着焊缝韧度偏低并且对焊接 工艺和工艺参数很敏感的现象。
焊缝韧度降低的原因
焊缝金属是一次结晶粗大的铸造组织，它没有机会经受 TMCP过程，晶粒得不到细化、Nb等为合金化元素还固 溶在基体内，没有机会充分析出。因此，焊缝金属的韧 度比母材差很多。
影响焊缝金属韧度的因素 焊接工艺参数、焊后处理
过大的焊接线能量、过高的预热温度和层间温度都会
增大t8/5，导致低劣的焊缝韧度。因此，合理选择这 些工艺参数，对确保焊缝韧度至关重要。
焊缝金属的韧度对后焊焊道的加热温度也比较敏感。
后焊焊道的加热会不同程度地降低先焊焊道的韧度。 后焊焊道加热到900℃时，焊缝韧度有少许降低；加 热温度低于750 ℃时，先焊焊道的韧度急剧降低。
耐热钢的焊接
材料科学与工程系
山东电力高等专科学校
耐热钢概述
耐热钢即高温下使用的钢，它是抗氧化钢和热强钢的 总称。热强钢在高温下具有较高的强韧性和一定的抗 氧化性。 耐热钢一般用于制造动力机械（如内燃机汽轮机和燃 气机等）、锅炉、工业炉及石油化工设备中长期在高 温工作的零部件。 锅炉用耐热钢可分为二大类，即铁素体耐热钢和奥氏 体耐热钢。铁素体（F）耐热钢则是珠光体（P）、 贝氏体（B）、马氏体（M）耐热钢的统称。
强韧型铁素体耐热钢具有共同的冶金特性，其焊接性也有很 多共同点。T92钢的焊接性在很多方面和T91钢相似。因此， 有关T91钢的焊接工艺原则也适合T92。
奥氏体耐热钢 通常在固溶状态下使用，金相组织为单一奥氏体， 无磁性，具有高热强性和优良耐蚀性。
锅炉中常用奥氏体钢为18Cr-8Ni型，如TP304H、
锅炉管道常用材料
铁素体耐热钢 12CrMo 15CrMo 工作温度/℃ ≤540 ≤540 奥氏体耐热钢 1Cr18Ni9Ti TP304H ≤700 工作温度/℃
12Cr1MoV
T22 (10CrMo910) 钢102 (12Cr2MoWVTiB)
≤580
≤580 ≤600
TP321H
TP347H TP310NbN (HR3C) ＜ 650 ＜ 700
转变而保留在焊缝组织中。
因此，过高的预热温度、层间温度以及过大的焊接热输入 会造成热影响区和焊缝中形成δ铁素体。 总之，为了避免焊缝和热影响区出现δ铁素体导致的韧度 和蠕变断裂强度的恶化，除了应选择合理铬当量的焊接 材料外，还要注意避免过高的预热温度和层间温度以及 过大的焊接热输入。
五、接头蠕变断裂强度 传统耐热钢和新型耐热钢接头的热影响区均存在一 个蠕变断裂强度（CRS）降低的区域，导致焊接接 头的寿命低于母材的寿命和焊缝的寿命。
导致材料的韧度降低。 TIG焊接方法获得的焊缝金属氧含量低，是促使韧性好的
重要因素；采用脉冲热丝TIG焊时，有利于获得较细的一
次组织（线能量小、熔池体积小、焊道薄）
4. 焊缝化学成分对焊缝韧度的影响 Nb、V、N等对强韧型F钢焊缝金属韧度有很大影响。 Nb对焊缝金属韧度有害。通常焊缝金属中的Nb含量
3. 焊接方法对焊缝韧度的影响 采用TIG焊方法得到的焊缝，其韧度都很高，达到与 母材韧度相当的水平，而用焊条电弧焊的都很低。
焊条电弧焊时，焊缝金属的氧含量较高，氧化物和硅酸盐 夹杂较多。这些夹杂物会把Nb、V等元素吸附在它们周围， 使这些元素和其周围的氧结合，形成比原来大的夹杂物，
这在客观上抑制了Nb、V等元素以细小碳、氮化合物析出，
δ 含量增加，韧度降低。 （δ相致脆）
常温冲击吸收功(J)
•δ相的控制 9Cr（如T91）、12Cr钢含有众多的铁素体形成元素， 大大扩大了δ铁素体区域，很容易出现δ相。因此，材 料设计人员总是努力控制成分，使钢获得单一的马氏 体组织或把δ铁素体的数量限制在较低范围内。
对于焊接来说，为避免出现δ铁素体或限制铁素体的 数量，首先要控制好焊缝成分，其次要控制好焊接工 艺参数。
工艺、焊接方法、焊缝化学成分等。
1. 焊接工艺参数的影响
T/P91钢对线能量、t8/5（800~500℃的冷却时间）极 其敏感。 焊缝韧度随t8/5的增加而降低（焊缝组织变粗大）， 当t8/5>100s，焊缝韧度降低的更加厉害。
工件形状和尺寸确定以后，t8/5由焊接线能量、预热 温度和层间温度确定。
2. 焊后热处理工艺对焊缝韧度的影响
在临界温度Ac1以下，提高焊后回火温度或延长回火 时间，有利于使M得到尽可能充分的回火和提高焊缝 韧度。较高的回火温度、较长的回火时间，可以得到 较高的韧度。 从焊接施工角度出发，希望采用较高的回火温度，以 便缩短回火时间，但回火温度受焊缝金属Ac1的限制.
为了保证焊缝金属的韧度，往往希望焊缝金属含有较低的 Nb和较高的Ni与Mn，而Ni和Mn是使Ac1降低的元素，因 此，焊缝金属的Ac1可能会比母材的低。 为了防止焊缝金属的Ac1降得过分低，欧洲国家规定焊缝 金属中Ni+Mn总量不得大于1.5%。
T92（NF616）是在T91基础上添加1.5%~2.0%W开 发而成的马氏体耐热钢，它具有更高的高温强度和 蠕变性能。 T92钢在正火和回火状态下使用，组织为单一的回 火马氏体，回火马氏体中存在M23C6碳化物和MX型 V/Nb碳氮化物等析出物，这些析出物通过沉淀强化 改善了材料的蠕变断裂强度。另外，W、Mo的固溶 强化也起到了强化作用。
珠光体耐热钢通常是退火状态或正火+回火供货。 w(Me)<2.5%时，钢的组织为珠光体+铁素体；
w(Me)>3%时，钢的组织为贝氏体+铁素体，即贝氏 体耐热钢。
这类钢在500~600℃具有良好的耐热性，但在高温 长期运行中会出现碳化物球化及聚集长大等现象。 珠光体耐热钢焊接的主要问题是冷裂纹、再热裂纹 和回火脆性。
铁素体耐热钢的焊接性
焊接裂纹敏感性
焊缝和热影响区韧度降低
接头时效
δ相致脆
接头蠕变断裂强度降低
一、焊接裂纹敏感性 铁素体耐热钢碳及合金元素含量较高，脆硬倾向较 大，具有较强的冷裂敏感性。因此，焊前需对焊件 进行预热，焊后需对焊件进行热处理。 12Cr1MoV钢对再热裂纹比较敏感。但该管道在 535℃以下运行，再热裂纹的敏感性很低，在采用 焊前预热，控制层间温度的情况下，再热裂纹是可 以抑制的。
典型钢种：12CrMo ，15CrMo，12Cr1MoV，
15Cr1MoV，10CrMo910， 钢102(12Cr2MoWVTiB)
合金元素的作用与强化机理 • Cr 提高耐腐蚀性（氧化物致密，不易分解，溶入 Fe3C后可使碳化物具有很大的热稳定性） • Mo 主要强化元素（固溶强化），提高钢的热强性， 还能降低热脆敏感性。 • V 强碳化物形成元素，形成的VC弥散分布，能促进 Mo全部进入固溶体，提高钢的高温强度。 • 微量元素B、Ti等 能吸附于晶界，延长合金元素沿 晶界扩散，从而强化晶界，增加钢的热强性。 强化机理：固溶强化、弥散强化、晶界强化
控制在0.05%以下为宜。
不适当的V、N含量也会对焊缝韧度产生有害作用。 建议应把V含量控制在0.2%~0.25%；N含量控制在 0.03%~0.04%。 添加适当的Ni对焊缝金属韧度是有利的。 因此，焊缝金属的化学成分常与强韧型铁素体耐热钢 母材不同，焊缝金属常含有0.5%左右或稍高的Ni，含 有比母材低的Nb、V、Ti、N等微合金化元素。
T91钢的强韧化机理 • 固溶强化 固溶在基体中的Cr、Mo通过形成Cr-C或 Cr-C-Cr型间隙原子群，阻止位错移动而提高强度。 • 沉淀强化 Nb、V等与C、N形成弥散细小的碳、氮 化合物（MX相），起沉淀强化作用；同时尽力保护 Cr、Mo，使之继续留在固溶体内强化基体。 • 细晶强韧化 T91钢组织为极细密的回火马氏体，马氏体基体上存 在高温下析出的微细Nb和V碳、氮化合物及高密度 位错和众多亚晶界，使钢材成为强韧型的铁素体耐 热钢。
因此，要避免焊缝出现δ-Fe，可适当增加焊接材料中 奥氏体形成元素Ni、Mn等的含量。但Ni+Mn的总量 不应超过1.5%，以避免使钢的Ac1降低得太多。
• 焊接工艺参数
焊接工艺参数会影响δ铁素体的形成。采用大的热输入时，
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T/P91等钢的焊缝和热影响区都可能形成δ铁素体。
提高预热温度和层间温度以及增大焊接热输入，会导致γ区 缩小，δ区扩大，甚至导致有部分高温δ铁素体没有经过δ→γ
T91(9Cr1MoVNb)
T92(9Cr0.5Mo2W VNb)
≤600
≤620
TP347HFG
Super304H ＜ 650
珠光体耐热钢 属于低、中合金结构钢，主要合金元素为Cr、Mo， Cr≤3%，Mo ≤1%，合金元素总量在5%~7%以下。 钢中往往添加少量的W、V、Nb、Ti、Ni等，以进一 步提高钢的热强度和组织稳定性，。 工作温度在350 ~ 620℃范围。