5-3常见异种金属材料的焊接

珠光体钢一侧抗氧化性能较差，易被氧化形成缺口，在反复热应力的作用
下，缺口便沿着薄弱的脱碳层扩展，形成所谓热疲劳裂纹。 这类异种钢接头焊后热处理并不能消除残余应力，只能引起应力的重 新分布，这一点与同种金属的焊接有很大的不同。
常见异种金属材料的焊接 5. 延迟裂纹 氢在不同的组织中，溶解度并不相同，并且与温度有关。当温度为500℃
常见异种金属材料的焊接
2．过渡层的形成 当马氏体区较宽时，会显著降低焊接接头的韧性，使用过程中
容易出现局部脆性破坏。因此，当工作条件要求接头的低温冲击韧
度较好时，应选用含镍较高的焊条。
常见异种金属材料的焊接 • 3．熔合区扩散层的形成 奥氏体钢和珠光体钢组成的焊接接头中，由于珠光体钢的合碳量较高， 但合金元素含量较少（主要指碳化物形成元素）而奥氏体钢则相反，这样在 熔合区珠光体钢一侧的碳和碳化物形成元素含量差。当接头在温度高于
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（3）母材含碳量的影响
珠光体钢中含碳量越高，扩散层的发展越 （4）镍的影响 镍是一种石墨化元素，它会降低碳化物的稳定性，并削弱碳化物形成元素对碳 的结合能力，因此提高焊缝中的镍含量，可以减弱扩散层。在金属材料中增加镍
含量，是一种抑制熔合区扩散过程的有效手段。
扩散层是这两种异种钢焊接接头中的薄弱环节，对接头的常温和高温瞬时力学 性能影响不大，但会降低接头的高温持久强度，一般要降低10%-20%左右。
焊接过程中奥氏体组织还未完全转变，立即升温进行回火热处理时，碳化物 会从奥氏体晶界析出，得到粗大的铁素体加碳化物组织，性质很脆，容易造 成焊接接头脆断。
常见异种金属材料的焊接 2、焊后层间温度的控制及回火热处理 如果将焊接接头焊后冷却到室温后进行回火热处理，此时2Cr13、F12钢 将出现空气淬硬倾向，造成常温塑性降低，并且在常温下残余奥氏体将继续 转变为马氏体组织，使焊接接头变得又硬又脆，组织应力也随之增加。如果
1.0-1.5mm宽的脱碳层。
常见异种金属材料的焊接 二、焊接工艺 这类异种钢焊接时，由于焊接性较差，所以必须采取严格的工艺措施。 1、预热与层间温度
焊前预热和控制层间温度的目的是预防裂纹和残余应力。例如珠光体钢
ZG15Cr1MoV和马氏体钢F12进行焊接时，预热温度按F12要求进行选择，温 度控制在300-450℃，并保持此层间温度。
采用整体预热，而且多层焊时层间温度不能低于此温度，并一直
要保持到焊接结束。焊接过程如果间断，则焊件应保温后再缓慢
冷却，必要时，还应进行脱氢处理，再施焊时，仍按原要求重新
进行预热。
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• 四、焊接材料和坡口 珠光体耐热钢与低合金钢焊接时，应根据钢材的力学性能来选 择相应强度等级的焊接材料，而不是根据珠光体耐热钢的化学成 分来选择焊接材料。 焊接坡口的选择原则是希望珠光体耐热钢熔入焊缝金属的量越 少越好，即熔合比越小越好。其目的是为了减少热影响区脆硬的 马氏体组织，避免或减少出现冷裂纹。
扩散层加宽。因此在通常情况下，这类异种钢接头不宜进行焊后热处
理。
常见异种金属材料的焊接 影响脱碳层发展的因素有： （2）碳化物形成元素的影响 奥氏体钢种碳化物形成元素的种类和数量对珠光体钢中脱碳层的宽度有 不同的影响。碳化物形成元素按由弱到强接下列次序排列：Fe、Mn、Cr、
Mo、W、V、Nb、Ti。 在数量相同的情况下，与碳亲和力越大的元素，则在 珠光体钢中形成的脱碳层越宽。对于某一种碳化物形成元素，随着数量增加， 脱碳层加宽。 反之，当珠光体钢中碳化物形成元素增加时，能降低扩散层的发展。因 此，在珠光体钢中加入Cr、Mo等元素，而且其数量要足以完全把碳固定在稳 定碳化物中，是抑制这两类异种钢熔合区扩散层的有效手段，通常叫稳定珠 光体钢。
较差的钢种即F12钢进行选择，常用回火 热处理温度为720-780℃，保温时间根据焊 接壁厚，控制在2-5h范围内。 F12钢与ZG15Cr1MoV钢焊接接头热处 理过程的工艺参数，如图所示。
常见异种金属材料的焊接 3、焊接材料 珠光体钢与马氏体钢焊接时，可以选择三种不同的焊接材料：一种与珠 光体钢相似；一种与马氏体钢相似；再一种是与这两类钢完全不同的焊接材 料，即奥氏体焊条或焊丝。
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在焊接热循环作用下，经高温放热，焊缝及熔合线附近晶粒急剧长 大，加上焊接残余应力的作用，极易形成冷裂纹。此外，这两类钢种的 碳当量值均较高，如珠光体钢的碳当量为0.626%，马氏体钢碳当量为 2.99%，均超过产生冷裂纹的碳当量极限值0.4%，所以冷裂纹倾向均很 大。
常见异种金属材料的焊接 2、形成增碳层和脱碳层 为了提高马氏体钢的高温强度，常在这类钢种加入Mo、V、W等易形成碳化 物的元素，从而在焊接接头中导致珠光体钢焊缝熔合线附近的碳扩散形成脱碳
常见异种金属材料的焊接
• 五、焊后热处理 为了减少焊接接头的残余应力，消除延迟裂纹，改善焊接
接头的力学性能，防止在使用过程中产生变形，焊后必须进行
回火热处理。当焊后不能立即进行回火热处理时，要及时进行 后热处理间热到（200～350℃，保温2～6h）焊后热处理的温 度要以珠光体耐热钢为基准(600 ℃ -650 ℃)。
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珠光体钢与马氏体钢的焊接
马氏体钢是介于珠光体钢与奥氏体钢之间的钢种，含铬量5%-9%和
12%的高铬钢。由于含铬量较高，所以抗氧化性能好，在高温580℃以上，
高温持久强度比一般常用的珠光体耐热钢高，并且有较好的抗蠕变性能。 • 一、焊接性 这类异种焊接接头的焊接性较差，主要表现在两个方面： 1、淬硬倾向 马氏体钢具有明显的空气淬硬倾向，焊后易得到硬度很高的马氏体 组织，使焊缝金属脆性增加。
层，而马氏体钢一侧，由于碳的迁入，形成增碳层。如F11钢与12Cr1MoV钢焊
接时，选用E2-11MoVNiW-15焊条，焊缝金属中含铬量高，由于碳和铬的亲和力
很强，于是在12Cr1MoV钢焊缝熔合区中的碳向着焊缝金属迁移，在焊接热循环
的作用下，较短时间内，扩散距离可在0.05-0.20mm。
常见异种金属材料的焊接 2、形成增碳层和脱碳层 如果焊后再760℃、保温4-5h进行回火热处理，则为碳扩散创造 了更充分的条件，在靠近12Cr1MoV钢一侧焊缝的熔合区形成了一个
350～400℃长期工作时，熔合区便出现明显的碳的扩散，即碳从珠光体钢一
侧通过熔合区向奥氏体焊缝扩散。结果，在靠近熔合区的珠光体钢母材上形 成了一层脱碳软化层，在奥氏体焊缝一侧产生了增碳硬化。
常见异种金属材料的焊接 影响脱碳层发展的因素有： （1）接头加热温度和在高温停留的时间 焊后状态，特别是在单层焊缝的接头中，即使采用大功率的韩恶 疾参数，扩散层也是很弱的。但把接头重新加热到较高温度（500℃左 右），并保温一定时间，扩散层就开始明显发展起来，到了600～ 800℃时最为强烈 ，800℃时达到最大值，并且随着加热时间的延长，
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5-3 常见异种金属材料的焊接
常见异种金属材料的焊接
珠光体耐热钢与低合金钢的焊接
• 一、焊接性
这类异种钢焊接时的主要问题是焊接接头的热影响区或熔合区容易产
生冷裂纹。为了消除或减少冷裂纹的形成，在设计焊接结构时，要选择合 理的结构形式，尽量避免焊接接头应力过于集中，减少T形和十字接头的 焊接结构；同时在焊前应严格控制氢的来源，要严格清理。清洗焊丝，烘 干焊剂和焊条，尽量选用低氢型焊条，彻底清理坡口两侧20mm内的油污、
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二、珠光体钢和奥氏体钢的焊接工艺
1．焊接方法的选择 由于焊条电弧焊时熔合比比较小．而且操作灵活，不受 焊件形状的限制，所以，焊接这类钢时焊条电弧焊应用最 为普遍。
常见异种金属材料的焊接 • 2．焊接材料的选择
珠光体钢与奥氏体钢焊接时，焊缝及熔合区的组织和性能主要取决于填充
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珠光体钢与奥氏体钢的焊接
• 一、珠光体钢和奥氏体钢的焊接性
1．焊缝的稀释 由于珠光体钢合金元素含量相对较低，所以它对整个焊缝金属的合金 具有稀释作用，从而使焊缝的奥氏体形成元素含量减少，结果焊缝中可能会 出现马氏体组织，导致焊接接头性能恶化，严重时甚至可能出现裂纹。
焊缝的组织决定于焊缝的成分，而焊缝的成分决定于母材的熔入量，即
采用奥氏体钢焊条或焊丝时，可以使焊缝金属得到奥氏体组织，抗裂性
能较好。缺点是焊后回火热处理过程中，容易发生碳的迁移，另外奥氏体钢 热膨胀系数比马氏体钢约大50%，使焊缝祖师产生较大的内应力。所以一般 都避免使用奥氏体钢焊条或焊丝。
常见异种金属材料的焊接 3、焊接材料 采用与珠光体钢相似的E5515-B2-VNb焊条焊接F12与ZG15Cr1MoV异种钢 时，在接头处未发现脱碳层和增碳层现象。经过力学性能试验，冲击韧度大 于100J/cm2，硬度值大于250HBS，其高温强度与马氏体耐热钢相等。
常见异种金属材料的焊接 2、焊后层间温度的控制及回火热处理 马氏体钢的焊接接头，如2Cr13、F12，焊后必须缓慢冷却到Mf点以下， 大约在150-100℃，保温0.5-10h，使其焊接接头完全转变成马氏体组织，然 后升温，进行热处理。
马氏体钢的焊接接头，焊后不宜在较高温度下立即升温回火，是因为在
铁锈和油漆等；正确选用焊接参数。焊前要将待焊处进行预热，采用较大
的焊接热输人进行焊接，焊后进行缓冷或热处理，选择合理的焊接顺序以 减少焊接残余应力。
常见异种金属材料的焊接
迁钢3#炉坡口（Q345+15GrMo）
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常见异种金属材料的焊接
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• 二、焊接方法 这类异种钢可以选用焊条电弧焊和气体保护电弧
焊等焊接方法。对于重要的高压管道，可先采用手工钨
极氩弧焊（TIG）打底，然后用焊条电弧焊盖面，以保 证焊缝质量。
常见异种金属材料的焊接
• 三、预热温度和层间温度
无论是定位焊，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ是正式施焊，焊前均应进行预热。预热温度
可根据珠光体耐热钢的要求(4d or150mm)进行选择。可以整体或
局部预热。对于焊接结构刚度比较大、质量要求高的产品，最好
常见异种金属材料的焊接 4. 焊接接头应力状态的特点 由于奥氏体钢和焊缝金属的线膨系数比珠光体钢大30％～50％，而热导
率却只有珠光体钢的50％左右。因此，这种异种钢的焊接接头将会产生很
大的热应力，特别当温度变化速度较快时，由热应力引起的热冲击力像合 金钢淬火一样容易引起焊件开裂。此外，在交变温度条件下工作时，由于
常见异种金属材料的焊接 2．过渡层的形成
在紧靠珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中，会形成和焊缝金属内部成 分不同的过渡层。离熔合线越近，珠光体的稀释作用越强烈，过渡层中含 铬、镍量也越小，因此，其铬当量和镍当量也相应减少。对照舍夫勒组织 图可以看出，此时过渡层将由奥氏体区十马氏体，过渡层的宽度决定于所 用焊条的类型。
熔合比。因此，一定的熔合比决定了一定的焊缝成分和组织。熔合比发生变 化时，焊缝的成分和组织都要随之发生相应的变化，这种变化可以根据舍夫 勒不锈钢的组织图来表示。
常见异种金属材料的焊接
常见异种金属材料的焊接 2．过渡层的形成 在焊接热源的作用下，熔化的母材和填充金属材料相互混合的程度在 熔池边缘是不相同的。在熔池边缘，液态金属温度较低，流动性较差，在 液态停留时间较短。由于珠光体钢与奥氏体钢填充金属材料的成分相差悬 殊。
再加上扩散氢的聚集，焊接接头中就可能产生裂纹。所以， 2Cr13、F12钢的
焊接接头，焊后一定要缓冷到150-100℃，保温0.5-1.0h，才能进行回火热处 理。
常见异种金属材料的焊接 2、焊后层间温度的控制及回火热处理 对于F12钢与ZG15Cr1MoV钢的异种钢
焊接接头的回火热处理参数，均按焊接性
时，氢在奥氏体组织中的溶解度为4cm3/100g，而在铁素体组织中为0.75
cm3/100g，在100℃时，氢在奥氏体组织中的溶解度降到0.9cm3/100g，在 铁素体组织中溶解度只有0.2cm3/100g。这类异种钢的焊接熔池在结晶过程 中，既有奥氏体组织又有铁素体组织，两者相互接近，气体可以进行扩散， 使扩散氢得以聚集，为产生延迟裂纹创造了条件，使焊接接头受到破坏。