1、15CrMo钢焊接讲解耐热钢1.1 耐热钢的定义、分类及应用 在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢。耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两类。抗氧化钢又简称不起皮钢，一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。中国自1952年开始生产耐热钢。以后研制出一些新型的低合金热强钢，从而使珠光体热强钢的工作温度提高到6
2、00620；此外，还发展出一些新的低铬镍抗氧化钢种。耐热钢的分类有以下几种：（1） 珠光体耐热钢珠光体钢耐热钢中合金元素以铬、钼为主，质量分数总量一般不超过5%。其组织除珠光体、铁素体外,还有贝氏体。这类钢在500600有良好的高温强度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作 600以下的耐热部件。如锅炉钢管、汽轮机叶轮、转子、紧固件及高压容器、管道等。典型钢种有：16Mo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB、10Cr2Mo1以及25Cr2Mo1V、20Cr3MoWV等。 （2） 马氏体耐热钢马氏体钢中含铬的质量分数一般为713%，在650以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽
3、腐蚀的能力，但焊接性较差。含铬12%左右的1Cr13、2Cr13,以及在此基础上发展出来的钢号如1Cr11MoV、1Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，通常用来制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。此外，作为制造内燃机排气阀用的4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo等也属于马氏体耐热钢。 （3） 铁素体耐热钢铁素体钢中含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，但高温强度较低，室温脆性较大，焊接性较差。如1Cr13SiAl，1Cr25Si2等。一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。（4） 奥氏体耐热钢奥氏体钢中含有较多的镍、锰、氮
4、等奥氏体形成元素，在 600以上时，有较好的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。通常用作在 600以上工作的热强材料。典型钢种有 1Cr18Ni9Ti，1Cr23Ni13，1Cr25Ni20Si2，2Cr20Mn9Ni2Si2N，4Cr14Ni14W2Mo等1。尤其指出的是，本课题研究的材料15CrMo钢是一种铬、钼珠光体耐热钢，它是应用于动力工业、石油化工等部门高温条件下的重要材料。主要用于制造工作温度高于450的压力容器、锅炉管道等。它不仅有很好的抗氧化性、热强性，还有比较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀性能，并且合金元素含量少，具有较好的工艺性能和物理性能，用途很广。1.2 我国耐热钢的发展 近几
5、年来，随着国家经济建设的发展，我国的国民经济持续高速增长，工业，建筑，冶金钢铁，热处理，航天，矿山，玻璃，石油工业，电力等行业相继快速发展。这些行业的发展都离不开钢结构，而且所用的钢都不是一般性质的钢。因为这些都不是一般性质的行业，其设备要求苛刻。性能太差就会严重影响行业的正常运作。工业与石油工业设备，锅炉等都需要一定的高温。所以在这样特殊条件下，对钢的要求就非常严格。一般新产品的诞生都是随着市场需求而产生的。耐热钢就是在这种情况下出现的。耐热钢，能在高温的条件下保持良好的性能，能抗高温。大部分的耐热钢都是由合金组成，因为合金比单一金属的稳固性更好更强。我国从50年代就开始生产耐热钢了，从最初
6、的几家企业发展到现在千余家，一些企业也从最初的小规模发展到现在国内知名品牌生产企业。随着科技的发展，为满足石油行业设备以及管道对钢材的抗高温抗腐蚀日趋苛刻，耐热钢需要更新的技术来解决所面临的问题。很多企业为解决耐热钢所面临的问题，不断引进新的技术，成立专门的研究部门，研究高性能的耐热钢，以满足市场需求。在20世纪30年代，经过专业人士的不断的研究，发现了钼。钼元素对耐热钢的耐热强性有很大的帮助，在碳钢中加入钼，工作温度可以大大的提高。50年代初，我国引进低合金铬钼钢，并开始大量生产，解决了电站锅炉以及石油化工等耐高温的问题。再加上其价格便宜，性能好，被广泛的应用于工业生产和其他行业中。经过不断
7、的开发与研究，引进国外先进的技术，在研究人员的努力下，研制出可在更高温度下使用的低合金热强钢。耐热钢及其制品的发展空间很大，市场也很广阔2。1.3 15CrMo钢焊接的基本要求 由于耐热钢广泛应用于石油化工、电力等行业，常用来制造蒸汽导管、石油管道等特殊部件，因此其对焊缝组织致密性、组织连续性、焊缝缺陷等提出了更高的要求，现列如下：（1） 接头的等强性 15CrMo钢焊接接头不仅应具有与母材金属基本相等的室温和高温和高温短时强度，而且适应具有与母材金属相当的高温持久强度。（2） 足够的抗氧化性 15CrMo钢焊接接头应具有与母材金属基本相同的抗氢性和高温抗氧化性。为此，焊缝金属的合金成分和含量
8、与母材基本相等。（3） 组织的稳定性 15CrMo钢焊接接头在制造过程中，尤其是厚壁接头将经受长时间的多次热处理，在运行过程中将经受长期的高温高压作用。在这些长时的热作用过程中，接头各区不应产生降低高温持久强度的组织变化，以及由此引起的脆变和软化。（4） 抗脆断性 由于15CrMo钢长用来制造压力容器和管道，在设备受压检修后，都要经历冷启动过程。因此15CrMo钢焊接接头亦应具有足够的抗脆断性3。1.4 15CrMo钢的焊接性分析 金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度金属焊接性分为工艺焊接性和使用焊接工艺焊接性是指特定的材料在指定工
9、艺条件下形成优质焊接接头的能力；使用焊接性是指形成的接头适应使用要求的程度，两者都是材料在焊接过程中力学和冶金行为发展变化的结果。随着新的焊接方法的不断涌现，材料制造工艺的不断完善和新材料的出现，以及生产应用对结构越来越高的性能要求，有关金属焊接性的研究日趋显出其重要的地位。钢材的焊接性主要取决于它的化学成分，随钢材强度级别的提高，其焊接性变差。焊接性变差一般表现在两个方面：一是焊接过程中焊缝熔敷金属的各种冶金缺陷；二是焊接过程中材料性能的变化4。1.4.1 15CrMo钢的化学成分及性能 珠光体耐热钢的含Cr量一般为0.5%9%，含Mo量一般为0.5%或1%。随着Co、Mo的增加，钢的抗氧化
10、性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。在Co-Mo钢中加入少量的W、Ti、Nb等元素后，可进一步提高钢的热强性。15CrMo钢属Cr-Mo合金系统，为低碳珠光体热强钢，其国标成分和试验中试板成分见下表1.1。 表1.1 15CrMo钢的成分 (质量分数) %名称CSiMnCrMoSP15CrMo（国标）0.120.180.170.370.400.700.81.10.400.550.040.04 合金元素Cr能形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性能。当钢中Cr1.5%时，随Cr的增加钢的蠕变强度；Cr1.5%后，钢的蠕变强度随含铬量的增加而降低。Mo是耐热钢中的强化元素，弱碳化物元素，Mo优先溶
11、入固溶体，强化固溶体。Mo的熔点高达2625，固溶后可提高钢的再结晶温度，有效地提高钢的高温强度和抗蠕变能力。Mo可以减小钢材的热脆性，还可以提高钢材的抗腐蚀能力。 钢中的V能形成细小弥散的碳化物和氮化物，分布在晶内和晶界，阻碍碳化物聚集长大，提高蠕变强度。V与C的亲和力比Cr和Mo高，否则V的碳化物高温下聚集长大，造成Cr和Mo的固溶强化作用。钢中W的作用和Mo相似，能强化固溶体，提高结晶温度，增加回火稳定性，提高蠕变强度。钢中Nb和Ti都是碳化物形成元素，可以析出细小弥散的金属间化合物，提高钢材的高温强度、抗晶间腐蚀和抗高温氧化能力，并可显著提高蠕变强度，改善钢的焊接性。钢中加入B和稀土元
12、素，可净化晶界，提高晶界强度，组织晶粒长大，提高钢的蠕变强度和高温持久强度等56。表1.2是15CrMo钢的室温力学性能。表1.2 15CrMo钢的室温力学性能钢号热处理状态取样位置力学性能屈服强度 s/MPa抗拉强度 b/ MPa伸长率 5（%）冲击吸收功AKV/Jcm-215CrMo930960正火+680730回火横向2404502159纵向23045020491.4.2 15CrMo钢的焊接性分析珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存在的主要问题是冷裂纹、焊接热影响区的硬化、软化以及焊后热处理或高温长时间使用中的消除应力裂纹（SR裂纹）。如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生
13、热裂纹。（1） 15CrMo钢的裂纹敏感性分析碳当量法(Calculation of carbon equivalents)是把钢中包括碳在内的合金元素对淬硬、冷裂和脆化的影响折合成碳的相当含量，用以进行焊接性分析的间接试验方法。碳当量越高，则材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。该试验中所用的15CrMo钢材是由济南钢铁股份有限公司购进，其厚度为10mm，主要化学成分见下表1.3所示： 表1.3 本试验所用15CrMo钢的成分(质量分数) （%）元素CSiMnCrMoSP15CrMo(试板)0.140.280.510.950.450.0030.0321） 焊接热裂纹敏感性分析依据热裂纹敏感性计算
14、公式见公式1.1，有：HCS （1.1） HCS =2.24当HCS4时，一般不会产生热裂纹。HCS越大的金属材料，其热裂纹敏感性分析越高。该公式适用于一般低合金钢，包括低温钢和珠光体耐热钢。根据RaileyN.(1977式)经验公式，对于含碳的质量分数为0.080.23的钢，其热裂纹敏感性UCS计算公式如下式1.2： UCS=230C+75P+45Nb-5.4Mn-1 (1.2)裂纹敏感值为0。15CrMo钢的UCS值为： UCS=230*0.14+75*0.032-123*0.28-5.4*0.51-1=-6.10有上可以看出，15CrMo钢的热裂纹可能性比较小。2） 焊接冷裂纹敏感性分析
15、 国际焊接学会（W）推荐公式如下公式1.3，有： CE= （1.3） CE=使用国际焊接学会（W）推荐的碳当量公式时，对于板厚20mm的钢材，当CE0.5时，钢材易淬硬，表明焊接性变差，焊接时需预热才能防止裂纹，随板厚增大到预热温度要相应提高。如上计算，本试验试板的CE0.5%，淬硬倾向大。 美国焊接学会提出的公式如式1.4: Ceq= （1.4） Ceq= 使用美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量公式时，应根据计算出来的某钢种的碳当量再结合焊件的厚度查找相应图表。结合本实验结果，可查得相应结果为：淬硬性大。 日本的JIS和WES推荐计算公式如下式1.5： Ceq(JIS)= （1.5） Ceq
16、(JIS)= 使用日本工业标准（JIS）推荐的碳当量公式时，当板厚0.46%。3） 焊接再热裂纹敏感性分析 预测低合金结构钢时，根据合金元素对消除应力裂纹敏感性的影响，可采用消除应力裂纹敏感性指数法进行评定。其中G法公式见如下公式1.6： G=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C(%) (1.6) G=0.95+3.3*0.45+8.1*0-2+10*0.14=1.835当G2时，对消除应力裂纹敏感；1.5G2时，对产生消除应力裂纹较敏感； G1.5时，对消除应力裂纹不敏感2。本实验上式计算结果表明，该15CrMo钢试板对消除应力裂纹较敏感。1.4.3 15CrMo钢的裂纹分析（1） 热影响
17、区硬化分析钢的脆硬性能取决于它的碳含量、合金成分及其含量15CrMo钢中的主要合金元素是铬和钼，在焊接过程中，由于热源对热影响区(HAZ)的影响，加之焊后冷却速度较快，热影响区就易产生脆硬的马氏体组织，变得硬脆。这将成为接头的薄弱环节。通过控制冷却速度，可以防止热影响区的硬化，通过焊接前预热和采用小线能量，可降低冷却速度及焊接峰值温度防止马氏体出现及晶粒粗大。（2） 冷裂纹分析1) 冷裂纹的特征 对于15CrMo钢，冷裂纹主要发生在具有缺口效应的焊接热影响区。冷裂纹的断裂行径，有时沿晶界扩展，有时也穿晶。冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间才开始少量出现，随着时间增长逐渐增多和扩展。
18、大量的生产实践和理论研究证明，钢材的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布以及焊接接头所承受的拘束应力状态是造成冷裂纹的原因。2) 冷裂纹产生机理 淬硬倾向 钢的脆硬倾向主要取决于自身的化学成分，其次是结构的厚度、焊接工艺和冷却条件。对于15CrMo钢，因为Ceq0.5%，在焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。这种马氏体呈片状，而且在片内有平行的孪晶，是一种脆硬的组织，特别是中厚板的焊接，在焊接热循环决定的冷却条件下，形成大量的晶格缺陷，这些缺陷主要是空位和位错在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓
19、度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。 焊接接头的含氢量 焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的原因。焊接时，由于电弧高温作用，将有大量的氢分解原子或者离子状态并大量溶解在熔池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却太快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，使焊缝中的氢处于过饱和状态，使氢极力扩散，当氢的浓度越高，马氏体更加脆化。 焊接接头的应力 实验研究证明，在焊接条件下主要存在以下几种应力，一是不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力在焊接时，焊接区由于受热而发生膨胀
20、，因而承受压应力，冷却时由于收缩承受拉应力，一直到焊后将产生不同程度的残余应力。二是金属相变时产生的组织应力奥氏体分解时会引起体积膨胀，而且转变后的组织都具有较小的膨胀系数，这将减轻焊后收缩时产生的拉伸应力结构自身拘束条件所造成的应力，这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件自重、负载情况以及其他受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接接头承受不同的应力。对于本课题所研究的15CrMo钢试板，由于结构尺寸小，而且不存在拘束应力，在焊接生产过程中，试板各个部分虽不均匀受热，但各部分温差较小，焊后产生较小的残余应力，最后形成冷裂纹可能性也较小。3) 冷裂纹的防止措施 由于淬硬组织，钢中的含氢量
21、和应力值是形成冷裂纹的主要因素。为了获得完好的焊接接头，就必须尽量控制这些因素的影响，从而防止冷裂纹的产生。 冶金方面 主要有两个方面：一是尽可能选用低氢的焊接方法和焊接材料；二是严格控制氢的来源和用微量合金元素改善焊缝的韧性等，以及采用低匹配的焊接材料。对于15CrMo钢，普遍采用低氢碱性焊材。因为碱性焊材药皮的主要成分是大理石和萤石。焊接时，从大理石中分解出的CO2和CO在电弧气氛中占主导地位，焊缝金属中含氢量比酸性焊材要低的多。同时在焊前应高温烘干，尽量除去焊材中的水分，并贮存在100150的恒温箱中，在使用时放入保温筒内并随用随取，在保温筒内存放时间不得超过4h，否则要按原烘干温度重新
22、烘干，重复烘干不得超过两次。仅采用低氢焊材和烘干还不能保证获得低氢的焊缝，还要严格控制氢的来源。因此必须彻底去除焊接坡口表面（带坡口的还有坡口两侧20mm范围内）的油污、水分、铁锈及其他杂物。 焊接工艺 对于压力容器、锅炉管道等焊接结构，对焊接线能量的控制是严格的，必须采用合适的线能量。线能量过大，会引起热影响区过热使晶粒粗大，软化区宽度增加，降低接头的抗裂性能，使得焊接结构整体的力学性能下降。线能量过小，由于降低冷却时间t800500。和t100，使得焊缝热影响区出现淬硬组织，也不利于氢的逸出，焊缝容易产生冷裂纹。选用适当的焊前预热温度和预热范围。适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更易
23、从焊缝熔池向大气中扩散，减少焊缝中的扩散氢含量，并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度，减少硬度高马氏体的含量，减小温差应力。预热温度应通过工艺评定来确定。当环境温度低时还应增大预热温度和预热范围。对纵缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热。热处理的主要作用是进一步除氢，继续预热所起的作用，弥补预热的不足，焊后立即施行热处理，使扩散氢有充分的时间逸出，起到了很好的消氢作用，同时还可以降低焊缝中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。另外还可以降低预热温度，有利于生产操作。（3） 再热裂纹分析再热裂纹是焊件在焊接后重新加热(如焊后500700消除应力)处理或者在高温下工作而在焊接热影响区产生的裂纹，
24、一般又称为去应力裂纹。它与再热过程的加热、冷却速度无关。1） 再热裂纹主要特征 再热裂纹产生的部位均在近缝区的粗晶粒区中，焊缝、热影响区的细晶区和母材均不产生再热裂纹。裂纹沿熔合线方向在奥氏体粗晶晶界发展，终止于细晶区。裂纹并不一定是连续的，并且具有晶间开裂的特征。 焊接再热裂纹的产生必须存在较大的残余应力和应变，并且有不同程度的应力集中，二者必须同时存在如焊缝向母材过渡不平滑、余高过大、有咬边、焊瘤、未焊透、边缘未熔合等都有可能促使再热裂纹的发生。 焊后不会自行发生，只是在焊后消除应力处理及焊后高温使用中产生，并与加热温度与加热时间有密切关系。且存在一个宜于产生再热裂纹的敏感温度范围对于15
25、CrMo钢，产生裂纹的再加热温度范围一般在500700，600附近最为敏感。 含有一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。2） 再热裂纹产生机理 根据高温金相显微镜及扫描电镜的观察，认为再热裂纹是由晶界滑移，导致微裂形成而发生和扩展的，即在焊后热处理过程中，残余应力松弛时，粗晶区应力集中处的某些晶界塑性变形量超过了该处的塑性变形能力，就会产生再热裂纹，即在理论上产生再热裂纹的条件可用下式1.7表达：e0.4%时，易形成低熔点的硅酸盐杂质，从而增加了结晶裂纹的倾向。Cr:对于15CrMo钢，随着Cr的含量增加，裂纹倾向逐渐减少。Mo能够降低蠕变塑性，增加裂纹。其作用是通过对相变特性
26、的影响及碳化钼的析出而实现的。因此，随着Mo的含量增加，提高了再热裂纹的敏感性，应严格控制Mo的含量。焊接热影响区粗晶区的晶粒大小对再热裂纹的敏感性有较大的影响。晶粒度越大，裂纹敏感性大；晶粒度越小，晶界所占的面积就大，在其他条件均相同的情况下，晶界所承受的蠕变变形量相对大，产生再热裂纹的倾向也就相应变小。另外，钢中的杂质越多，也会降低晶界开裂所需的应力，再热裂纹也越大。 工艺方面 首先要选择塑性和韧性好的焊接材料。消除应力热处理过程中，塑性变形首先发生在焊接接头中残余应力水平高同时强度级别又较低的部位，由于热影响区粗晶区很狭小，不足以抵偿消除应力的变形要求而发生开裂。如果消除应力所要求发生的
27、塑性变形集中到体积比热影响区大得多而塑性又十分良好的焊缝金属中去，则就可以防止再热裂纹的产生。近年来的许多试验表明，适当降低在SR温度区间焊缝的强度，提高它的塑性和韧性，从而可以缓和焊接接头的受力状态，降低再热裂纹的敏感性。其次要选择合理的焊接规范参数。焊接规范参数主要体现在焊接热输入量上，焊接线能量对再热裂纹的影响有两个方面，一是大的线能量可以有利于降低拘束应力，降低粗晶区的硬度，使得晶内的沉淀增多，减弱焊后加热时析出的强化程度，有利于减少再热裂纹的倾向。二是大的焊接线能量可使过热区过热程度大，晶粒更加粗大，晶界结合力更加脆弱，从而增加了再热裂纹的倾向。因此，我们必须从多个方面来分析，要避免
28、焊件快速冷却，以防止产生硬而脆的马氏体和可能出现的裂纹同时也要避免焊件冷却太慢，以防止出现低塑性的热影响区组织。焊前预热及焊后热处理。为防止再热裂纹的产生，焊前预热降低残余应力、形成对裂纹不敏感的组织等是十分有效的。日本焊接专家认为，预热可以提高热影响区粗晶区的强度。珠光体耐热钢焊前预热，在很大程度上可以防止再热裂纹的产生试验表明，珠光体耐热钢焊后进行150200的后热处理，可以有效地消除焊缝中地扩散氢，从而减少焊缝中残存的空穴，有利于防止再热裂纹的产生。同时焊后热处理可以使得焊缝晶界的有害杂质S、P等进一步弥散，减少因S、P等杂质偏析而导致的再热裂纹。焊后在不太高的温度下进行等温处理，可以产生类似预热的效果，这样还可以降低焊前的预热温度78。
