化工设备常用低合金耐热钢焊接工艺研究

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1、东北石油大学本科生毕业设计(论文)摘 要本文介绍了低合金耐热钢在化工设备中的应用，并对低合金耐热钢的焊接特点和焊接性进行分析，论述了低合金耐热钢的焊接工艺以及焊接接头力学性能的控制。在查阅文献和结合现场焊接工艺的基础上，分析了低合金耐热钢2.25Cr-1Mo的焊接特点与焊接性，通过对其碳当量、冷裂纹敏感指数的计算，确定了预热温度，并确定了焊接方法、焊接热参数以及焊后热处理工艺，制定了2.25Cr-1Mo钢制加氢反应器的焊接规范，完成2.25Cr-1Mo钢的焊接性试验。对2.25Cr-1Mo钢的焊接接头进行金相组织观察与分析，并进行力学性能试验与分析，完成了2.25Cr-1Mo钢的焊接性研究。关

2、键词：低合金耐热钢；焊接性；2.25Cr-1Mo钢；焊接工艺东北石油大学本科生毕业设计(论文)AbstractThis paper introduces the heat-resistant low-alloy steel applications in chemical equipment, analyzes the welding features and weldability of the heat-resistant low-alloy steel, and discusses the welding process of the heat-resistant low-alloy s

3、teel and the control of mechanical properties of weld joints. Based on the literature and combined with on-site welding process, the welding features and weldability of the heat-resistant low-alloy steel 2.25Cr-1Mo was analyzed. Through calculating its carbon equivalent and cold cracking sensitivity

4、 index, the preheating temperature, welding method, welding thermal parameters and heat treatment after welding were determined, and the welding standard of the hydrogenation reactor made by 2.25Cr-1Mo steel was determined and the welding test of the 2.25Cr-1Mo steel was completed. By observing and

5、analyzing the microstructure of weld joint, and testing and analyzing mechanical properties, the welding study of 2.25Cr-1Mo steel was completed. Keywords: heat-resistant low-alloy steel; weldability; 2.25Cr-1Mo steel; welding process东北石油大学本科生毕业设计(论文)目 录第1章 低合金耐热钢在化工设备中的应用11.1 低合金耐热钢的化学成分及性能特点11.2 化

6、工设备对耐热钢焊接接头的性能要求4第2章 低合金耐热钢的焊接性分析62.1 低合金耐热钢的焊接特点62.2 低合金耐热钢的焊接工艺92.3 低合金耐热钢焊接接头性能控制152.4 不同低合金耐热钢接头的焊接20第3章 2.25Cr-1Mo钢焊接性分析233.1 2.25Cr-1Mo钢的化学成分及力学性能233.2 2.25Cr-1Mo钢的焊接特点243.3 2.25Cr-1Mo钢焊接的技术要求24第4章 2.25Cr-1Mo焊接性试验及焊接工艺评定274.1 焊接性试验材料准备274.2 2.25Cr-1Mo钢焊接工艺试验284.3 2.25Cr-1Mo钢焊接接头的金相组织试验及分析324.4

7、 2.25Cr-1Mo钢焊接接头力学性能试验及分析36结 论41参考文献42致 谢43编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第44页 共48页第1章 低合金耐热钢在化工设备中的应用化工，特别是石油化工都是以高温高压的化学反应为主，而碳素结构钢的强度性能随着工作温度的提高而急剧下降，其极限工作温度为350。因而，在更高的温度下必须采用含有一定量合金元素的合金钢，这些合金钢统称为耐热钢，他们具有比普通碳素钢高得多的高温短时强度和持久强度。这些耐热钢必须具备高温化学稳定性、优良的高温机械性能（抗蠕变性能）、高温运行中组织的稳定性、良好的冷热加工及焊接性、经济性，此外还必须

8、具有优良的缺口韧性及抗热处理脆化的性能。以Cr-Mo为基的低、中合金耐热钢是动力工业、石油化工部门应用于高温条件下的重要结构材料。它具有良好的热稳定性和抗蚀性能；合金元素含量少，价格便宜，又具有良好的加工（包括焊接）性能和物理性能，应用广泛。1.1 低合金耐热钢的化学成分及性能特点耐热钢按其合金成分的质量分数可分为低合金、中合金和高合金耐热钢。合金元素总质量分数在5%以下的合金钢通称为低合金耐热钢，其合金系列有:C-Mo、C-Cr-Mo、C-Cr-Mo-V-Nb、C-Mo-V、C-Cr-Mo-V、C-Mn-Mo-V、C-Mn-Ni-Mo和C-Cr-Mo-W-V-Ti-B等。这些低合金耐热钢通常

9、以退火状态，或正火+回火状态供货，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15Mo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB、10Cr2Mo1、25Cr2Mo1V、20Cr3MoWV 等。1.1.1 低合金耐热钢的化学成分目前，在动力工程、石油化工工程和其他工业部门应用的低合金耐热钢已有20余种。其中最常用的是Cr-Mo型、Mn-Mo型耐热钢和Cr-Mo基多元合金耐热钢，如俄罗斯钢种122和我国自行研制的12Cr2MoWVT

10、iB等。低合金耐热钢以Cr、Mo 为基本元素，最多的是Cr-Mo钢和Cr-Mo-V钢。为改善其焊接性，碳的质量分数均控制在0.20%以下，某些合金成分较高的低合金耐热钢，标准规定的碳质量分数不高于0.150%。合金元素含量一般都不超过5%。表1-1列出已纳入国标的10余种国产低合金耐热钢的化学成分。表1-1 常用低合金耐热钢标准化学成分(GB 53101995、GB 66541996)钢号标准化学成分(质量分数，%)CSiMnPSMoCrNiV其他15Mo0.120.200.170.370.400.800.0300.0300.250.3520Mo0.150.250.170.370.400.80

11、0.0300.0300.440.6512CrMo0.080.150.170.370.400.700.0300.0300.400.550.40.715CrMo0.120.180.170.370.400.700.0300.0300.400.550.81.1012Cr1MoV0.080.150.170.370.400.700.0300.0300.250.350.91.200.150.3012Cr2Mo0.080.150.50.400.700.0300.0300.901.202.002.5012Cr2MoWVTiB0.080.150.450.750.450.650.0300.0300.450.651.

12、602.100.280.42W:0.30 0.55Ti:0.08 0.18B:0.002 0.00812Cr3MoWSiTiB0.090.150.600.900.500.800.0300.0301.001.202.53.000.250.35Ti:0.22 0.38B:0.005 0.01118MnMoNb0.220.150.501.201.600.0350.0300.450.65Nb:0.025 0.05013MnNiMoNb0.150.150.501.201.600.0350.0300.200.400.200.400.601.00Nb:0.005 0.0201.1.2 低合金耐热钢的力学性能

13、在普通碳钢中加入各种合金元素，可提高钢的高温强度，其中以Mo、V、Ti等元素的作用最强烈。但当单一的合金元素加入钢中时，这种低合金钢在高温长时作用下仍会发生组织不稳定现象，而降低高温蠕变强度。例如0.5Mo钢在450以上温度长期运行时就会发生石墨化过程，即钢中的碳化物以石墨形式分解而析出游离碳，从而使钢的高温强度和韧性降低。当钢中再加入其他合金元素，可明显提高钢的组织稳定性，如在钼钢中加入1.0%以上的Cr和微量Nb、W和B等碳化物形成元素，可进一步提高钢的蠕变强度和钢的组织稳定性。低合金耐热钢的强化方法主要是加入合金元素，以强化基体，增加回火时析出碳化物的稳定性以及通过热处理使基体得到比较稳

14、定的强化机构。铬可以显著提高钢的抗氧化能力，防止钢在长期使用过程中的石墨化，还可以提高铁素体的热强性。钼是提高热强性最有效的元素，它可以明显提高铁素体在高温时的抗蠕变能力，并可提高钢在形变强化后的软化温度和再结晶温度。强碳化合物形成元素钒、钨、钛等加入对提高钢的热强性有明显作用。表1-2列出了常用低合金耐热钢的标准力学性能数据。表1-2 常用低合金耐热钢的标准力学性能(GB 53101995、GB 66541996)钢号热处理状态厚度/mm力学性能b/MPas/MPa5(%)Akv/J备注15Mo正火2704506002702235横向Akv27J20Mo正火270415220223512Cr

15、Mo正火+回火270410560205213515CrMo正火+回火270440640235213512Cr1MoV正火+回火壁厚大于40mm淬火+回火270470640235213512Cr2Mo正火+回火2704506002802035壁厚大于1640mms允许降10MPa12Cr2MoWVTiB正火+回火270540735345183512Cr3MoVSiTiB正火+回火270610805440163518MnMoNb正火+回火3060590740440173460100570720410173413MnNiMoNb正火+回火10057072039018(0)31100120380181

16、.1.3 低合金耐热钢的热处理状态合金总质量分数接近或超过3%的低合金耐热钢具有空淬倾向，钢的力学性能很大程度上取决于热处理状态。对于压力容器和管道，设计规定的许用应力值均以钢在完全热处理状态下的强度指标为基础。在焊接的制造过程中，上临界点以上温度的热加工工艺，如热卷、锻造和加工后的热处理必将使材料产生组织变化，从而改变钢在原始状态下的强度和韧性。因此，在结构设计时必须注意在焊接结构的最终热处理状态下，钢材和接头的性能与原始热处理状态下相应性能的差别。在国产低合金耐热钢中，除了厚度30mm的C-Mo钢和C-Mn-Mo钢可以在热轧状态供货和直接使用外，其余各种耐热钢在任何厚度下均应以热处理状态供

17、货。这些热处理状态包括退火、正火、正火+回火、淬火+回火、高温回火和消除应力处理。对于耐热钢铸件还要求作均匀化处理1。各种低合金耐热钢标准规定的热处理要求及典型热处理工艺参数列于表1-3。表1-3 常用低合金耐热钢标的热处理参数钢号标准规定的热处理正火或淬火温度/退火温度/回火温度/保温时间/h15Mo正火91094020M0正火91094012CrMo正火+回火900930670720周期式炉2h连续炉1h15CrMo正火+回火930960680720同上12Cr1MoV正火+回火9801020720760同上或淬火+回火950990720760同上12Cr2Mo正火+回火900960700

18、75012Cr2MoWVTiB正火+回火10001035760790周期式炉2h连续炉1h12Cr3MoVSiTiB正火+回火10401090720770同上18MnMoNb正火+回火93096060064065068013MnNiMoNb正火+回火8909505306005805901.2 化工设备对耐热钢焊接接头的性能要求在石油精炼设备、加氢裂化装置以及其他高温设备中，为保证高温设备长期工作的可靠性和经济性，应考虑材料的常温和高温短时强度、高温持久强度和蠕变强度等因素。在不同的工况条件下，各种耐热钢容许的最高工作温度示于表1-4。 表1-4 不同工况条件下各种耐热钢容许的最高工作温度 (单

19、位：)运行条件钢种0.5Mo1.25Cr-0.5Mo1Cr-0.5Mo2.25Cr-1Mo1CrMoV2CrMoWVTi5Cr-0.5Mo9Cr-1Mo9CrMoV12Cr-MoV高温高压蒸汽500550570600620680常规炼油工艺450530560600650合成化工工艺410520560600650高压加氢裂化300340400550为保证耐热钢焊接结构在高温、高压和各种复杂介质下长期安全的运行，除了对耐热钢母材的性能要求外，对耐热钢焊接接头性能亦有基本要求，这取决于焊接结构复杂性及其运行条件和制造工艺过程，化工设备中耐热钢焊接接头的性能必须满足以下要求：（1） 接头的等强度和等塑

20、性。耐热钢焊接接头不仅应具有与母材基本相等的室温和高温短时强度，而且更重要的是应具有与母材相当的高温持久强度。耐热钢制焊接部件大多需经冷作，热冲压成形以及弯曲等加工，焊接接头也将经受较大的塑性变形，因而应具有与母材相近的塑性变形能力。（2）接头的抗氢性和抗氧化性。耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同的抗氢性和抗高温氧化性。为此，焊缝金属的合金成分质量分数应与母材基本相等。（3）接头的组织稳定性。耐热钢焊接接头在制造过程中，特别是厚壁接头将经受长时间多次热处理，在运行过程中则处于长期的高温高压作用下，为确保接头性能稳定，接头各区的组织不应产生明显的变化及由此引起的脆变或软化。（4）接头的抗脆断性。

21、虽然耐热钢制焊接结构均在高温下工作，但对于压力容器和管道，其最终的检验通常是在常温下以工作压力1.5倍的压力做液压试验或气压试验。高温受压设备准备投运或检修后，都要经历冷起动过程。因此，耐热钢焊接接头应具有一定的抗脆断性。（5）低合金耐热钢接头的物理均一性。低合金耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同的物理性能，接头材料的热膨胀系数和导热率直接决定了接头在高温运行过程中的热应力，过高的热应力将对接头的提前失效产生不利影响。第2章 低合金耐热钢的焊接性分析2.1 低合金耐热钢的焊接特点低合金耐热钢的焊接具有以下特点：首先，低合金耐热钢按其合金含量具有不同程度的淬硬倾向。在各种熔焊热循环决定的冷却速度

22、下，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂纹敏感的显微组织。其次，低合金耐热钢含有Cr、Mo、V、Nb、Ti等强碳化物形成元素，从而使接头过热区具有不同程度的再热裂纹（亦称消除应力裂纹）敏感性。最后，某些耐热钢焊接接头，当有害的残余元素总含量超过容许极限时，还会出现回火脆性或长时脆变2。2.1.1 淬硬性钢的淬硬性取决于它的碳含量、合金成分及其含量。低合金耐热钢中的主要合金元素铬和钼等都能显著提高钢的淬硬性，钼的作用比铬约大50倍。其作用机理是延迟了钢在冷却过程中的转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。在焊接冷却过程中，焊缝和热影响区很容易产生贝氏体或马氏体组织。例如，对于2.25Cr-1Mo钢焊接接头

23、，当接头冷却速度t8/5小于120s时，热影响区就有马氏体产生了；当t8/5小于15s时，就会产生100%的马氏体组织，其硬度超过HV430。如果焊接板厚大于20mm的2.25Cr-1Mo钢不预热的话，当焊接线能量较低时就可能产生100%马氏体组织3。通常，焊接接头中的马氏体组织，尤其是过热区的粗晶马氏体是产生焊接冷裂纹的重要原因之一，但这并不是说钢的淬透性高，容易获得马氏体，冷裂敏感性就一定很大。实际上，直接影响冷裂敏感性的是所形成的马氏体的硬度，即钢的淬硬性。淬硬性主要取决于马氏体的含碳量。在相同的奥氏体化温度下，含碳量越高，马氏体硬度越高。而对于含碳量一定的钢，奥氏体化温度越高，硬度越高

24、。在焊接状态下，含碳量对接头硬度的影响更为明显。从改善钢的焊接性角度出发，降低含碳量，钢的淬硬性降低，焊接冷裂敏感性明显减小。但降低含碳量将引起钢的蠕变强度急剧降低，这对于使用温度范围较高的中合金铬钼钢尤为不利。通常，为了兼顾焊接性和高温力学性能，中合金铬钼钢的含碳量一般控制在0.10%0.20%范围内。而低合金铬钼钢的含碳量可以更低些。防止铬钼钢焊接冷裂纹的主要工艺措施为选择低氢型焊条、焊前预热和焊后热处理。2.1.2 再热裂纹倾向为了防止低合金耐热钢焊接接头氢致延迟裂纹和改善接头性能，这类钢焊后往往需要进行消除应力处理。但是，在消除应力处理过程中会产生再热裂纹。低合金耐热钢焊接接头的再热裂

25、纹倾向主要取决于钢中碳化物形成元素的特性及其含量以及焊后热处理温度参数。当铬含量低于1%时，随铬含量增加，钢的再热裂纹敏感性增大；当铬含量超过1%时，随铬含量的增加再热裂纹敏感性反而减小。除了铬之外，碳和钒（以及铌、钛、钼等）对再热裂纹敏感性也有很大的影响，增加碳或钒含量，会引起再热裂纹敏感性的显著增大4。图2-1是Cr、Mo、V合金元素对钢材再热裂纹敏感性的影响。裂纹敏感性高无V加V随V含量增加裂纹敏感性低随Cr含量增加随V含量增加210w(Mo)(%)0 1 2 3w(Cr)(%)随Mo含量增加图2-1 Cr、Mo、V合金元素对钢材再热裂纹敏感性的影响再热裂纹总是产生在焊接热影响区的粗晶区

26、，再热裂纹的产生还取决于热处理制度。通常，产生再热裂纹的敏感温度区间是500700。通常可以Psr裂纹指数粗略地表征一种钢的再热裂纹敏感性。Psr可取钢的实际合金成分含量按下式计算： Psr = w(Cr) + w(Cu) + 2w(Mo) + 10w(V) + 7w(Nb) + 5w(Ti)2 (2-1)如Psr0，则就有可能产生再热裂纹。但在实际的结构中，再热裂纹的形成还与焊接热参数、接头的拘束应力以及热处理的工艺参数有关。对于某些再热裂纹倾向较高的耐热钢，当采用高热输入焊接方法焊接时，如多丝埋弧焊或带极埋弧堆焊，即使焊后未作消除应力热处理，在接头高拘束应力作用下也会形成焊缝层间或堆焊层下

27、过热区再热裂纹。为防止再热裂纹的形成，可采取下列冶金和工艺措施：（1） 严格控制母材和焊材中导致再热裂纹的合金成分，应保证钢材热强性的前提下，将V、Ti、Nb等合金元素的含量控制在最低的容许范围内；（2） 选用高温塑性优于母材的焊接填充材料；（3） 适当提高预热温度和层间温度，一般将预热温度提高至250以上；（4） 采用低热输入的焊接工艺，以缩小焊接接头过热区宽度，限制晶粒长大；（5） 选择合理的热处理工艺参数，尽量缩短在敏感温度区间的保温时间；（6） 合理设计接头的形式，降低接头的拘束度。2.1.3 回火脆性铬钼耐热钢及其焊接接头在370565温度区间长期运行过程中会发生渐进的脆变现象，称回

28、火脆性或长时脆变。如用2.25Cr-1Mo钢和10CrMo910钢制造的炼油设备，经332432下工作3000h后，与冲击吸收功40J对应的韧脆转变温度从-37提高到60，并最终导致灾难性脆性断裂事故。试验研究表明：钢的回火脆性与其杂质含量有着密切关系，这些杂质元素主要是钢中的P、As、Sn、Sb等，它们易沿晶界扩散偏析而引起脆化，其综合影响可以用脆性指数X来表征。对于焊缝金属，X可按下式计算：X = 10w(P) + 5w(Sb) + 4w(Sn) + w(As)/100 10-6 (2-2)X指数不应超过20。对于母材还应考虑Si、Mn等元素的影响，并引用J指数评定钢材的回火脆性。J =

29、w(Mn + Si) w(P + Sn) 104 (%) (2-3)如J指数超过150，则说明该种钢具有明显的回火脆性。为降低Cr-Mo钢的焊缝金属回火脆性倾向，可以采取冶金和工艺措施，其中最有效的措施是降低焊缝金属中的O、S和P的含量5。2.1.4 焊接热裂纹低合金耐热钢焊接热裂纹主要是焊缝结晶裂纹，而且多出现在弧坑处。这类钢焊接热影响区的液化裂纹比较少见。碳和镍都可增加热裂敏感性，其中碳的影响最大。碳是保证耐热钢热强性的主要元素，因此焊缝含碳量不可能太低。用冶金手段降低焊缝金属热裂敏感性的关键，是严格控制焊缝金属中有害杂质硫和磷的含量。现代炼钢技术已可保证将铬钼耐热钢中的硫和磷控制在较低的

30、程度。但是，对于厚壁结构的焊接来说，由于焊接结构的拘束度较高，热裂倾向仍然很大，因此在焊接时要采用较低的焊接线能量才能控制焊接热裂纹的产生6。2.1.5 焊接热影响区的软化低合金耐热钢焊接热影响区的软化是个普遍问题。对12Cr-MoV和15Cr-MoV两种钢进行的试验实验表明，两种铬钼钒耐热钢的焊接热影响区都出现了明显的软化带，而且焊前的原始硬度（或强度）越高，焊后的软化越严重；焊后730热处理不仅未能消除软化带和恢复软化区的硬度，反而使软化更为明显。铬钼钢焊接热影响区软化带在粗视磨片上是一条明显的“白带”，在光学显微镜或电子显微镜下观察时，其组织大部分是铁素体，其余是聚合碳化物和其他相。热影

31、响区软化带与焊前的组织状态、焊接规范以及焊后热处理有关。软化带在温室和高温短时静载拉伸时，没有太大的不良影响。但是，接头如果在高温下长期工作时，蠕变变形将集中于软化带，最后导致这一部位提前断裂失效。为了减小软化区及其软化程度，应尽量减少接头在Ac1温度附近的停留时间。此外，焊后正火+高温回火，可以基本上消除软化带。2.2 低合金耐热钢的焊接工艺低合金耐热钢的焊接工艺包括焊接方法的选择、焊前准备、焊接材料的选择和管理、焊前预热和焊后热处理及焊接参数的选择。2.2.1 焊接方法的选择低合金耐热钢一般是在热处理状态下焊接，焊后大多数要进行高温回火处理。常用的焊接方法以焊条电弧焊、埋弧自动焊为主，电渣

32、焊也经常应用，气体保护焊及窄间隙焊也正在扩大应用。埋弧焊由于熔敷效率高，焊缝质量好，在锅炉受压部件、压力容器、管道等的焊接中得到了广泛应用。目前，已能提供与各种耐热钢匹配的焊丝和焊剂，其中包括用于特种厚壁容器、要求抗回火脆性的高纯度焊丝及烧结焊剂。焊条电弧焊由于灵活、能做全位置焊接的特点，在低合金耐热钢焊接中应用广泛。为确保焊缝金属的韧性，降低裂纹倾向，低合金耐热钢的焊条电弧焊大都采用低氢型碱性焊条，但对于合金含量较低的耐热钢薄板，为改善工艺适应性，亦可采用高纤维素或高氧化钛酸性焊条。对于低合金耐热钢，焊条电弧焊的缺点是建立低氢焊接条件较困难，焊接工艺复杂，且效率低，焊条利用率不高。钨极氩弧焊

33、具有低氢，工艺适应性强，易于实现单面焊双面形成的特点，多半用于低合金耐热钢管道的封底层焊道或小直径薄壁管的焊接。用钨极氩弧焊打底，较容易实现单面焊双面成形，焊接质量较高。钨极氩弧焊可采用抗回火脆性能力较强的低硅焊丝，提高焊缝金属强度的纯度，这对于要求高韧性的耐热钢焊接结构具有重要意义。电渣焊效率相当高，可采用单丝、多丝、熔嘴和板极，一次行程可完成厚达40mm以上厚壁部件的接头，最大焊接厚度可达1000mm左右，在低合金耐热钢厚壁容器生产中得到稳定应用。在焊接过程中产生大量的热，可起到对母材预热作用，并且焊接区冷却速度相当缓慢，有利于氢的扩散逸出。在Cr-Mo耐热钢焊缝金属中，扩散氢含量增加容易

34、产生冷裂纹，所以，用电渣焊可尽量避免冷裂纹的产生。其缺点是焊缝和热影响区晶粒粗大，焊后必须经正火处理后才能使用7。2.2.2焊前准备焊前准备的主要内容是接缝边缘的切割下料、坡口加工、热切割边缘和坡口面的清理以及焊接材料的预处理。1接缝的焊前处理对于一般的低合金耐热钢焊件，可以采用各种热切割法下料。为防止厚板热切割边缘的开裂，应采取下列工艺措施：（1） 所有厚度的2.25Cr-Mo、3Cr-1Mo钢和15mm以上的1.25Cr-0.5Mo钢板热切割前应将割口边缘预热至150以上。热切割边缘应作机械加工并用磁粉检测是否存在表面裂纹；（2） 15mm以下的1.25Cr-0.5Mo钢板和15mm以上的

35、0.5Mo钢板热切割前应预热至100以上。热切割边缘应作机械加工并用磁粉检测是否存在表面裂纹；（3） 15mm以下的0.5Mo钢板热切割前不必预热。热切割边缘最好作机械加工，去除热影响区。对焊缝质量要求较高的焊件，焊前最好用丙酮擦净坡口表面。2焊接材料预处理焊接材料在使用前应作适当预处理。埋弧焊用光焊丝，应将表面的防锈油清除干净。镀铜焊丝亦应将表面积尘和污垢仔细清除。在Cr-Mo耐热钢焊缝金属中，扩散氢含量增加容易产生冷裂纹，且低氢型焊条容易吸潮，吸水分量与扩散氢量的关系如图2-2所示。图2-2 吸湿水份量与扩散氢含量的关系考虑到焊条和焊剂水份含量对于焊接无氢致裂纹接头的重要性，为保证焊缝金属

36、的低氢含量，焊条和埋弧焊用焊剂应当在使用前严格按工艺规程的规定进行烘干。表2-1列出了常用低合金耐热钢焊条和焊剂典型烘干参数。表2-1 常用耐热钢焊条和焊剂的烘干参数焊条和焊剂牌号烘干温度/烘干时间/h保持温度/R102、R202、R302150200125080R107、R207、R307、R407、R317、R347、R42735040012127150HJ350、HJ250、HJ380(熔炼焊剂)40045023120150SJ101、SJ301、SJ605(烧结焊剂)300350231201502.2.3 焊接材料的选择低合金耐热钢焊接材料的选择原则是焊缝金属的合金成分与强度性能应基本

37、符合母材标准规定的下限值或应达到产品技术条件规定的最低性能指标。如焊后需经退火、正火或热成形，则应选择合金成分和强度级别较高的焊接材料。为提高焊缝金属的抗裂性，通常焊接材料的碳含量应低于母材的碳含量。对于一些特殊用途的焊丝和焊条，例如为了免除焊后热处理所采用的焊条，其焊缝金属的w(C)控制在0.05%以下8。但是，对于1.25Cr-0.5Mo钢和2.25Cr-1Mo钢，焊缝金属的最佳w(C)为0.10%左右。在这种碳含量下焊缝金属具有最高的冲击韧性和与母材相当的高温蠕变强度。而碳含量过低的铬钼钢焊缝金属，经长时间的焊后热处理会促使铁素体的形成，导致韧性下降，故应谨慎使用碳含量过低的焊丝和焊条。

38、对于在我国常用的低合金耐热钢可按表2-2选择相应的焊接材料。表2-2 低合金耐热钢焊接材料选用表钢号焊条电弧焊埋弧焊气体保护焊实心焊丝药芯焊丝牌号型号牌号牌号型号15MoR102R107E5003-A1E5015-A1E7015-A1(AWS)H08MnMoA+HJ350H08MnSiMoTGR50M(TIG)E500T5-A1E500T1-A112CrMoR202R207E5503-B1E5515-B1E8015-B1(AWS)H10MoCrA+HJ350H08CrMnSiMoE550T1-B2E550T5-B2L续表2-2钢号焊条电弧焊埋弧焊气体保护焊实心焊丝药芯焊丝牌号型号牌号牌号型号1

39、5CrMoR302R307R306FeR307HE5503-B2E5515-B2E5518-B2E8018-B2(AWS)E8015-B2H08CrMoA+HJ350H12CrMo+HJ350H08CrMnSiMoTGR55CM(TIG)E550T5-B2E550T1-B2E550T5-B2L12Cr1MoVR312R316FeR317E5503-B2VE5518-B2VE5515-B2VH08CrMoV+HJ350H08CrMnSiMoVTGR55V(TIG)12Cr2MoR406FeR407E6018-B3E6015-B3E9015-B3(AWS)H08Cr3MoMnA+HJ350(SJ1

40、01)H08Cr3MoMnSiTGR59C2ME600T5-B3E600T1-B312Cr2MoWVTiBR347R340E5515-B3VH08Cr2MoWVNbB+HJ250H08cCr2MoWVNbBTGR55WB2.2.4 预热和焊后热处理（1）焊前预热预热是防止低合金耐热钢焊接接头冷裂纹和再热裂纹的有效措施之一。预热温度主要由钢的碳含量、接头的拘束度和焊缝金属的氢含量来决定。对于低合金耐热钢，预热温度并非愈高愈好。例如，对于w(Cr)大于2%的铬钼钢，为防止氢致裂纹的产生，规定较高的预热温度是必要的，但不应高于马氏体转变结束点Mf的温度，否则，当焊件作最终焊后热处理时，会使奥氏体不发

41、生转变，除非焊件的冷却过程加以严格控制，不然，这部分残余奥氏体就可能转变为马氏体，从而失去了焊后热处理对马氏体组织的回火作用。因此，预热和层间温度均应控制在Mf点以下，则焊接结束后奥氏体将在控制温度范围内完全转变成马氏体，马氏体随后可以通过焊后回火而改善韧性。为防止焊件在焊后热处理之前产生裂纹，最简单可靠的措施是将接头作23h的低温后热处理。后热处理的温度按钢种和壁厚而定，一般在250300之间。大型焊件的局部预热应注意保证预热区的宽度大于所焊壁厚的4倍，至少不小于150mm，且预热区内外表面均应达到规定的预热温度。世界各国压力容器和管道制造法规对低合金耐热钢规定的最低预热温度列于表2-3。由

42、表中数据可见，迄今只有英国标准考虑焊缝金属的氢含量高低来修正焊件的预热温度。对于厚壁容器壳体上插入式大直径接管的环向接头，钢结构件的十字接头等高拘束度焊件，其预热温度应比表2-3所推荐的高50。表2-3 各国压力容器法规规定的最低预热温度钢种推荐值ASMEBPVC BS5500(PD 5500)ASMEB31.1BS 3351(低氢焊条)BS 26331994(酸性焊条)厚度/mm温度/厚度/mm温度/厚度/mm温度/厚度/mm温度/厚度/mm温度/厚度/mm温度/0.5Mo2080168012100128012100381501Cr-0.5Mo1.25Cr-0.5Mo201201212012

43、12100150所有厚度150121210015012121502002.25Cr-1Mo1CrMoV10150122001212150200所有厚度1501212150200122002CrMoWVTiB所有厚度1502Mn-Mo2Mn-Ni-Mo30150美国机械工程学会标准中的锅炉压力容器法规。PD为英国标准，代替原BS5500。美国机械工程学会中的压力管道标准。（2）焊后热处理低合金耐热钢焊件可按对钢和接头性能的要求作下列焊后热处理：不作焊后热处理；580760温度范围内的回火或消除应力热处理；正火处理。对某些合金成分较低、壁厚较薄的低合金耐热钢接头，如焊前采取预热，使用低氢低碳级焊接

44、材料，且经焊接工艺试验证实接头具有足够的塑性和韧性，则焊件容许在焊后不作热处理。对于低合金耐热钢来说，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，而且更重要的是改善金相组织，提高接头的综合力学性能，包括降低焊缝及热影响区的硬度，提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性等9。因此，在拟定耐热钢接头的焊后热处理工艺参数时，应综合考虑下列冶金和工艺特点：焊后热处理应保证焊缝热影响区，主要是过热区组织的改善；加热温度应保证接头的类应力降低到尽可能低的水平；焊后热处理，包括多次的热处理不应使母材和焊接接头各项力学性能降低到产品技术条件规定的最低值以下；焊后热处理应尽量避免在所处理钢材回火脆性敏感的或对再热裂纹敏感

45、的温度范围内进行，并应规定在危险的温度范围内的加热和冷却的速度。表2-4列出了各国制造法规对低合金耐热钢焊件规定的最低焊后热处理温度。从表中数据可见，各国制造法规所要求的最低热处理温度有较大差异，这与各法规所遵循的设计准则、材料标准、工艺评定准则不同有关。法规所列的最低热处理温度不一定是最佳热处理温度，它应根据焊件的运行条件、材料的供货状态、对接头的性能要求以及焊接残余应力的水平等，应通过焊接工艺评定来确定。例如，英国BS标准已考虑按材料应达到的性能，如对最大程度的软化，最高的常温抗拉强度和最高蠕变强度等规定了不同的热处理工艺参数。 表2-4 各国制造法规要求的最低焊后热处理温度 (单位：)钢

46、种ASME B31.1ASME BPVC BS 3351PD 5500(BS 5500)推荐温度0.5Mo6006505956506806506806006200.5Cr-0.5Mo6006505956206401Cr-0.5Mo7007505956306706306706507006406801.25Cr-0.5Mo5956306706306706507006406802.25Cr-1Mo7007506806807207007506306706807207007506807001Cr-Mo-V7207402Cr-MoWVTiB760780以提高蠕变强度为主。以软化焊缝为主。以提高高温性能为主

47、。以提高常温强度为主。2.2.5 焊接热输入从降低冷却速度、防止接头淬硬冷裂角度考虑，应适当提高低合金耐热钢的焊接热输入。但是，提高焊接热输入可能增加这类钢对再热裂纹的敏感性。在各项力学性能指标中，冲击韧性受焊接热输入影响最大。焊接热输入较大的埋弧焊，其焊缝韧性较低。在气焊和电渣焊条件下，常在过热区出现如图2-3所示的魏氏组织10。低合金耐热钢焊接时以较低的焊接热输入为好，焊接时如果必须摆动电弧，摆幅也不应大于9.5mm或焊丝直径的2.5倍，或取二者的最小值。图2-3 魏氏组织2.2.6 焊后消氢处理由于低合金耐热钢的焊接特性，容器每条焊缝焊完后，为了消除应力和氢，需进行中间退火处理。这样，一

48、台设备往往要经过多次热处理，即会使焊接接头强度降低，又会增加制造成本，延长生产周期。为此，经过多次试验，采用了较低的温度进行后热消氢，可有效替代中间退火，使焊缝中的扩散氢充分逸出，从而避免裂纹产生。2.3 低合金耐热钢焊接接头性能控制与普通碳钢和低合金钢相比，对耐热钢接头的性能提出了较高的要求，不仅是常温力学性能，而且更重要的事高温性能，包括高温蠕变强度（高温持久强度），高温冲击韧性和抗回火脆性等都必须满足产品技术条件的要求。对于某些特殊的石化装置，对焊缝和热影响区的硬度还有严格规定。2.3.1对耐热钢接头性能的影响因素影响低合金耐热钢接头力学性能的主要因素有下列三个：（1）焊缝金属的合金成分

49、；（2）焊接热参数；（3）焊后热处理工艺参数。（1）合金成分的影响焊缝中的碳显著地提高了钢的强度，但急剧地降低了韧性，使脆性转变温度上移。在某些低合金钢中，碳含量的提高与韧性的下降并不成比例关系。例如，在2.25Cr-1Mo钢焊缝中，0.10%的碳含量是保证高韧性的最佳含量。而在Cr-Mo含量较低的焊缝中，最合适的碳含量是0.07%0.08%。焊缝中的Si也具有双重作用。硅作为一种还原元素对焊缝金属的性能起着有利作用，是保证焊缝致密性的必要元素之一。硅在Cr-Mo钢焊缝中，对消除应力处理后的韧性产生不利影响。尤其是通过焊剂向焊缝金属渗硅，将急剧加重回火脆性倾向。对于某些有回火脆性倾向的Cr-M

50、o钢焊缝金属，w(Si)应控制在0.1%以下。对于Cr-Mo含量较低的耐热钢焊缝金属，w(Si)和合适范围是0.15%0.35%。在Cr-Mo钢焊缝中，Mn的作用与Si相似，它促使偏析加剧，产生一定的有害影响。然而Mn又促使显微组织中形成针状铁素体，从而提高了焊缝金属的韧性。气体保护焊的Cr-Mo钢焊丝中，w(Mn)的合适范围是0.80%1.10%。磷对焊缝金属的回火脆性有很不利的作用，图2-4显示出磷含量与2.25Cr-1Mo钢焊缝金属40J转变温度的关系。从曲线可以看出，磷含量控制在0.012%以下，可将磷的有害作用限制到最小程度。w(C)=0.09%0.01%w(Si)=0.06%0.1

51、3%w(O)=0.025%0.035%()0.0025 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025w(P)(%)40302010010VTr40(VT r40VTr40)/图2-4 2.25Cr-1Mo钢焊缝金属磷含量与40J脆性转变温度位移量关系氧对Cr-Mo钢焊缝金属的韧性亦有不利影响。图2-5显示出2.25Cr-1Mo钢焊缝金属中氧含量与韧性的关系。由曲线可看出，为确保焊缝金属的韧性，w(O)应控制在0.04%以下。使用高碱度焊剂和碱性药皮焊条可获得w(O)低于0.035%的焊缝金属11。各种合金元素和杂质对焊缝金属韧性综合影响可以下式表达：Tr20 = 436w(C)5

52、4w(Mn) + 14w(Si) + 268w(P) + 819w(S)61w(Cu) 29w(Ni) + 13w(Cr) + 23w(Mo) + 355w(V)112w(Al) + 1138w(N) + 380w(O)235/1.8 (2-4)式中合金成分含量的适用范围如下：w(C)=0.03%0.11%，w(Mn)=0.2%1.16%，w(Si)=0.05%1.2%，w(S)=0.006%0.11%，w(Cu)=0.05%0.3%，w(Ni)=0.05%0.14%，w(Cr)=0.05%2.6%，w(Mo)1.2%，w(V)0.36%，w(N)=0.004%0.02%，w(O)=0.007

53、%0.19%。69026h消除应力处理+步冷处理69026h消除应力处理100 200 300 400 500 600 700焊缝中氧含量102030405060VTr40、VT r40/图2-5 2.25Cr-1Mo钢焊缝金属氧含量与40J转变温度的关系（2）焊接热参数的影响焊接热参数通常是指焊接热输入，预热温度和层间温度。焊接热参数直接影响接头的冷却条件。热参数愈高，冷却速度愈低，接头各区的晶粒愈粗大，强度和韧性愈低，采用低的热参数，则提高接头的冷却速度，有利于细化接头各区的晶粒，改善显微组织而提高冲击韧性。但在低合金耐热钢焊接中，预热和保持层间温度是防止接头冷裂纹和再热裂纹的必要条件之一

54、，故调整焊接热参数主要通过控制焊接热输入12。大多数低合金耐热钢对焊接热输入在一定范围内的改变并不敏感。当焊接热输入超过30kJ/cm，预热和层间温度高于250，则Cr-Mo钢焊缝金属的强度和冲击韧性会明显下降。图2-6显示出预热和层间温度对2.25Cr-1Mo钢埋弧焊焊缝金属冲击韧性的影响。（3）焊后热处理的影响焊后热处理的工艺参数对低合金耐热钢焊接接头的力学性能产生复杂的影响。通常利用回火参数P来评定其影响程度。P值由热处理温度和保温时间按下式计算： P = T (20 + lgt) 10-3 (2-5)式中 T热处理温度，K；t保温时间，h。在低合金耐热钢焊件的各种热处理参数中，回火参数

55、P的变化范围约为18.221.4。实际上，对于每种低合金耐热钢均有一个最佳范围，即最合适的热处理温度和保温时间范围。对于1.25Cr-0.5Mo钢焊缝金属，回火参数在20.020.6之间时，焊缝金属冲击吸收功达到最高值，如回火参数低于20.0即在较低回火温度和较短保温时间下，焊缝金属的韧性明显下降，而当回火参数高于20.6时，则由于碳化物的沉淀和集聚使韧性再度下降。SRSR+SC60(SR )60(SR +SC)80(SR )80(SR+SC )SR消除应力处理SC步冷处理0 100 150 200 250 300 预热、层间温度/506070804015105VTr40、VT r40/冲击吸

56、收功/J图2-6 预热及层间温度对2.25Cr-1Mo钢埋弧焊焊缝金属冲击韧性的影响回火参数对焊缝金属强度性能亦有一定的影响，如图2-7所示。随着回火参数的提高焊缝金属的抗拉强度和屈服强度不断下降。对于2.25Cr-1Mo钢焊缝金属，当回火参数超过20.65时，435的高温短时抗拉强度已降低到标准规定的下限值。回火参数20.65相当于69030h的回火处理。因此，为保证2.25Cr-1Mo钢焊缝金属的强度，在690回火时间不应超过30h，如制造工艺过程要求工件多次热处理累计时间超过30h，则应适当降低回火温度。焊接接头各区的硬度与回火参数的关系和抗拉强度相似。焊后热处理对低合金耐热钢焊接接头的

57、高温持久强度有独特的影响。图2-8对比了三种不同热处理状态的2.25Cr-1Mo钢焊缝金属的蠕变强度。从中可见，较高的回火温度由于提高了组织稳定性而延长了蠕变断裂时间。延长回火处理保温时间同样有利于提高接头的高温持久强度。室温 b室温 s435 b 435 s b 室温460MPaASME -2 b 435460MPaASME -220.0 20.5 0.6 0.7 0.8 0.9 21.0回火参数P=T(20+lgt)10-3650600550500450400350200抗拉强度和屈服强度/MPa(=50150mm)w(C)=0.12%、w(Cr)=2.24%、w(Mo)=0.94%图2-7 回火参数对2.25Cr-1Mo焊缝金属抗拉强度的影响0.1 1 10 100 1000 10000 100000蠕变断裂时间/h试验温度：500FC=炉