耐热钢不锈钢焊接.pptx

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1、(3）接头的组织稳定性(4）接头的物理均一性11.1.3 不锈钢的分类及特性：1.不锈钢的分类不锈钢中的合金元素可分为两大类：一类是扩大 区元素，称为奥氏体形成元素（Ni、C、Mn。等）；另一类是缩小 区、扩大 区元素，称为铁素体形成元素(Cr、Mo、Si、Nb 等）。马氏体不锈钢 铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢 铁素体一奥氏体双相不锈钢 第1页/共23页2.不锈钢的特性 耐蚀性是不锈钢性能的基本要求，钢腐蚀的性质主要为电化学腐蚀。通过合金化提高金属电极电位是提高不锈钢耐蚀性的主要方法，钢中加人 Cr 元素形成 Fe-Cr固溶体，可使电极电位得到显著提高,从而使钢钝化。此外，使钢获得单相组织，并具

2、有均匀的化学成分、组织结构，也有助于提高耐蚀性。3.不锈钢腐蚀失效形式 不锈钢腐蚀失效形式很多,晶间腐蚀是最严重的一种。对于奥氏体不锈钢，使用前一般经过了固溶处理，钢中碳原子处于过饱和固溶状态，这种组织是不稳定的。当钢在 500-800 范围加热时（称为敏化处理）,碳向晶界扩散，在品界附近与铬结合为 Cr23C6，造成晶界附近贫铬（贫铬层厚度约 1.5 一 2.0 m）。当该区含铬量降至钝化所需极限以下时，在腐蚀介质作用下，就会出现该区选择性腐蚀，即晶间腐蚀。第2页/共23页11.2.1概述 珠光体耐热钢是一种以 Cr、Mo为主要合金元素的低、中合金钢。一般 WCr=0.5 一 5%,WMn=

3、0.5 或 1%，随着使用温度的提高，钢中往往还加入 V、W、Nb、B 等微量强化元素，合金元素总的质量分数一般小于 5。其中合金元素偏高的钢组织会出现较多贝氏体组织，亦称为贝氏体耐热钢。11.2.1珠光体耐热钢的焊接性 1.淬硬性及冷裂纹敏感性 珠光体耐热钢的主要合金元素是 C r和 Mo，它们显著提高钢的悴硬性，如果焊接冷却速度较快，在焊缝及热影响区可能形成对冷裂纹敏感的显微组织如马氏体和上贝氏体。11.2珠光体（含贝氏体）耐热钢的焊接2.再热裂纹（消除应力处理裂纹）珠光体耐热钢中含有 V、Nb、Ti、Cr、Mo 等强碳化物形成元素。如果结构拘束度较大，那么在消除应力处理或高温长期使用时，

4、粗晶部位容易出现再热裂纹。第3页/共23页（1）形成条件：形成再热裂纹的敏感温度区间一般为 500-700 ，并且总是出现在残余应力较高的部位，如接头咬边，未焊透等应力集中处，这些部位在加热过程中，残余应力得到释放，蠕变变形较大，容易出现在热裂纹：（2）防止再热裂纹的措施有：n严格控制母材与焊材的合金成分，特别是要限制 V、Nb、Ti 的含量。n选用高温塑性优于母材的焊接材料，并降低接头残余应力和应力集中，焊后用砂轮将焊缝余高和焊趾打磨圆滑。n采用低热输人焊接工艺和方法，缩小焊接过热区宽度，细化晶粒。n选择合理的热处理制度，避免在敏感温度区间停留较长时间。第4页/共23页3.HAZ 的软化 珠

5、光体耐热钢软化区的金相组织特征是铁素体和少量碳化物，在粗视磨片上观察到一条明显的白带，硬度明显下降。软化与母材焊前的组织状态、焊接时冷却速度以及焊后热处理有很大关系。母材合金化越高，焊前原始硬度越大，焊后软化程度越严重。焊后高温回火不但不能使“软化区”硬度恢复，甚至还会稍有降低，只有经正火回火后才能消除软化问题。4.回火脆性 Cr 一 M o耐热钢在 350-500 温度区间内长期使用过程中发生剧烈脆变的现象，称为回火脆化。钢的回火脆化与其杂质含最有着密切的关系，这些杂质元素主要是钢中的 P、A s、Sn、Sb 等，它们易在晶界偏析，削弱晶间结合力而引起脆化,因此焊缝中更容易产生回火脆性 第5

6、页/共23页11.2.3珠光体耐热钢的焊接工艺 1.焊接方法 焊接珠光体耐热钢的常用方法有焊条电弧焊、钨极和熔化极氩弧焊、埋弧焊和电渣焊。2.焊接材料 珠光体耐热钢焊接材料的选择原则是焊缝金属的合金成分、强度性能应基本上与母材一致。如果成分相差很大，这样的焊接接头在高温长期使用后，会因成分不均匀而导致合金元素的扩散，使接头高温性能不稳定；考虑焊缝强度时兼顾塑性，以免使塑性变差，冷弯角变小，甚至形成裂纹。为了防止焊缝出现热裂纹。3.预热可以降低冷却速度，是防止焊接冷裂纹的有效工艺措施。珠光体耐热钢焊接预热温度范围一般在 80-150 。第6页/共23页4.焊后热处理 对于珠光体耐热钢来说，焊后热

7、处理目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是改善组织，提高接头的综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及 HAZ 的硬度。珠光体耐热钢焊后一般作高温回火处理，回火参数主要是加热温度和保温时间。第7页/共23页 马氏体和铁素体钢都是含铬量较高的 Fe-Cr-C 合金，它们既可用于不锈钢，又可用作耐热钢。11.2珠光体（含贝氏体）耐热钢的焊接11.2.1 简介11.2.1 铁素体钢的焊接性1.铁素体钢的类型和特性铁素体钢是含 Cr=12-30 的高合金钢，其化学成分特点是低碳、高 Cr。随着 Cr 含量的增加、碳含量的降低，奥氏体区范围逐渐减少，如 C=0.03%，Cr=12

8、 或，Cr=17 钢中，不再形成奥氏体，即从熔点附近至室温一直保持铁素体组织。铁素体钢耐蚀性好，主要用作不锈钢（耐硝酸、氨水腐蚀）,也可用于抗高温氧化钢，但很难用作热强钢。按含 Cr 量不同，铁素体钢可分成三种类型：Crl3 型、Cr17 型和 Cr25-Cr28 型。铁素体钢脆性转变温度在室温以上，在室温下韧性极低：铁素体钢铸态组织晶粒粗大，一般通过压力加工（热轧、锻造）细化晶粒。第8页/共23页2.铁素体钢焊接特点（1）存在的问题铁素体钢加热冷却过程中无同素异形转变，焊缝及 HAZ 品粒长大严重，易形成粗大铁素体组织 多层焊时，焊道间重复加热，也可能导致 相析出和 475 脆性，进一步增加

9、接头脆化。高铬钢在370540温度下长期加热后，会出现强度升高、韧性大幅度降低的现象。这种现象在475左右尤为强烈，因此称为475脆性。475脆性在含铬13.7%以上的钢中就有可能出现，在含铬较高的马氏体铁素体钢、188型奥氏体钢及沉淀硬化钢中亦曾发现，但远不及高铬铁素体钢明显。475脆性是铬原子在钢中不均匀的偏聚，引出发点阵畸变和内应力增加造成的，已产生475脆性的钢，可通过600以上加热，然后快冷予以消除。晶间腐蚀第9页/共23页选择合适的焊接材料。若理选用与母材相近的铁素体铬钢作为填充材料，为了改善性能，可向焊缝中加人少过变质剂（Nb 等），细化焊缝组织。选用奥氏体钢焊材时，由于焊缝塑性

10、好，改善了接头的性能，但在某些腐蚀介质中，耐蚀性可能低于同质接头。用于高温条件下的铁素体钢，必须采用成分基本与母材匹配的填充材料；（2）铁素体钢焊接要点低温预热至 150-230 ，使材料在富有韧性的状态下焊接。含 Cr 量越高，预热温度应越高。铁素体钢过热敏感性大，焊接时应尽可能减少接头在高温下的停留时间。焊后进行 750-800 退火处理，使铬均匀化，恢复耐蚀性，并可改善接头塑性。退火后应快冷，防止出现 相及 475 脆化。第10页/共23页1.马氏体钢类型和特点11.2.2 马素体钢的焊接性普通 Crl3 型马氏体主要有 1 Crl3、2Crl3、3Crl3、4Crl3 等。这类钢高温组

11、织稳定性差，但含 Cr 量较高，具有 较好耐均匀腐蚀能力，一般用作不锈钢。热强马氏体钢以马氏体为基体的耐热钢，目前应用最多的是 Cr9和 Cr12系列马氏体热强钢。2.马氏体钢焊接特点马氏体钢在空冷条件下即能淬硬，当接头拘束度大，再有氢的作用，很容易产生冷裂纹。马氏体钢导热性差，焊接时易过热，热影响区易形成粗大的马氏体组织。马氏体钢属于调质钢容易接头软化。易生成网状的铁素体，脆性较大。第11页/共23页1 焊接方法:马氏体钢与低合金珠光体耐热钢相比，具有更高的淬硬倾向，对焊接冷裂纹更为敏感，必须严格限制接头中氢的含量，如采用低氢、甚至超低氢的焊接条件：使用低氢型碱性药皮焊条和焊剂，对于拘束度大

12、的接头，最好采用无氢源的钨极和熔化极氢弧焊。3.马氏体钢焊接特点2 焊接材料:马氏体钢焊接材料选择有两种方案：一种是采用与母材成分基本相同的同类焊材；另一种采用奥氏体填充金属。由于奥氏体焊缝金属具有良好的塑性，可以缓解接头的残余应力，它还可溶解大量的氢，因此可大大降低接头冷裂纹的可能性，简化焊接工艺。第12页/共23页3 预热:是防止冷裂纹、降低接头各区硬度和应力峰值的有效措施预热温度范围一般在1 50 一 400 之间，主要根据钢中的含碳圾、焊件的厚度、填充材料等，由抗裂性试验结果来确定。4 焊后热处理马氏体钢一般在调质状态下焊接，故焊后只需作高温回火处理。第13页/共23页11.4奥氏体钢

13、的焊接11.4.1 简介 奥氏体钢是在耐热、耐蚀条件使用的钢种，它是以铁为基，主要以镍、铬、锰、氮等元素合金化，使马氏体转变点降至室温以下，空冷至室温时，组织仍然是奥氏体。11.4.2 奥氏体钢的分类和特性耐蚀钢：在不锈钢中，奥氏体不锈钢应用最广泛，约占不锈钢总产量的2/3，奥氏体钢具有优良的耐蚀性（通常称耐酸钢），奥氏体不锈钢的化学成分特点是高Cr、低碳或超低碳，用18%Cr与9%Nj配合获得单相奥氏体组织，习惯称为18-8钢，它是铬镍奥氏体钢最典型、最基本的成分。在18-8钢的基础上再增加Cr、Ni量，都能提高钢的钝化陆能，进一步提高锕的耐蚀性能，还可以向钢中添加Ti、Nb、Mo、Cu等元

14、素，加Ti、Nb是为消除晶间腐蚀，加Mn、Cu是为了提高钢耐酸以及提高抗点蚀能力。第14页/共23页热强钢：在奥氏体不锈钢基础上，适当提高含碳量，进一步稳定相区，同时能时效析出碳化物强化相，从而提高其高温强度。按照合金化方法及强化机制，奥氏体耐热钢可分为以下三类：固溶强化型(加Mo、W)；碳化物沉淀强化（加V、B）；金属间化台物沉淀强化（加Ti、Al）。奥氏体钢的热处理方法有固溶处理和稳定化处理。固溶处理：是把钢加热到单一奥氏体区（1050-1 150 ），得到成分均匀的单相奥氏体组织，然后快冷，使高温过饱和固溶体组织状态保持到室温。固溶处理后，奥氏体钢具有最低的强度和硬度、最好的耐蚀性，是防

15、止晶间腐蚀和应力腐蚀的重要手段。但固溶处理后的奥氏体钢再加热至 400-800 ，容易沿晶界析出铬的碳化物，使钢对晶间腐蚀更敏感，这一温度范围内的加热被称为敏化处理出现敏化现象的奥氏体钢可再次用固溶处理消除。第15页/共23页稳定化处理:是针对含稳定剂的奥氏体钢而设计的一种热处理工艺。奥氏体钢中加稳定剂（Ti 或 Nb）的目的是让钢中的碳与 Ti 或 Nb 形成稳定的 TiC 或 NbC，而不形成 Cr23 C6，从而防止晶间腐蚀。稳定化处理加热温度高于 Cr23 C6 的溶解温度，低于产 riC 或 NbC 的溶解温度，般在 850-900 ，并保温 2-4h。稳定化处理也可用于消除因敏化加

16、热而产生的晶间腐蚀倾向。第16页/共23页1.容易出现问题：焊缝及热影响区热裂纹敏感性大；接头产生碳化铬沉淀析出，耐蚀性下降；接头中铁素体含童高时，可能出现 475 脆性或 相脆化。11.4.3 奥氏体钢的焊接性2.焊接热裂纹：奥氏体钢中合金元素较多，尤其是含有一定数量的镍，它易和硫、磷等杂质形成低熔点共晶，如 Ni-S 共晶熔点为 645 ，Ni-P 共晶为 880 ，比 Fe-S、Fe-P 共品的熔点更低，危害性也更大。其他一些元素如硼、硅等的偏析，也将促使产生热裂纹。奥氏体钢焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质元素的偏析，从而促使形成连续的晶间液膜，提高了热裂纹敏感性。第1

17、7页/共23页（1）防止热裂纹的主要措施：严格控制有害杂质硫、磷的含量钢中含镍量越高，越应该严格控制。调整焊缝化学成分使焊缝金属中出现双相组织，是提高抗裂性的有效方法。在不允许采用双相组织的焊缝时，必须进行合理的合金化。如在单相稳定奥氏体钢中适当增加 Mn、C、N 的含量，可以提高焊缝的抗裂性能。此外、加人少量的铈、锆、钽等微量元素，可以细化焊缝组织、净化晶界，也可减少焊缝的热裂纹敏感性。工艺措施：施焊时应尽量减小熔池过热，以防止形成粗大的柱状晶。因此焊接奥氏体钢时宜采用小热输人及小截面的焊道。第18页/共23页（2）接头耐蚀性晶间腐蚀：根据母材类型和所采用焊材与工艺不同，奥氏体钢焊接接头可能

18、发生焊缝晶间腐蚀、HAZ 敏化区晶间腐蚀、熔合区附近的刀状腐蚀。焊缝和 HAZ 敏化区的晶间腐蚀奥氏体钢焊缝和 HAz 敏化区的晶间腐蚀，都与敏化处理使晶界形成贫铬层有关。刀状腐蚀刀状腐蚀简称刀蚀，它是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀只发生在含有 Ti、Nb 等稳定化元素的奥氏体钢焊接接头中。腐蚀部位沿熔合线发展，处于 HAZ 的过热区，由于区域很窄（电弧焊一般为 1.0 一 1.5 mm)，形状有如刀削切口，故称为刀状腐蚀。产生原因：高温过热和中温敏化是导致接头过热区产生刀蚀的重要条件。刀蚀产生原因也与晶界碳化铬沉淀造成贫铬层有关。含有稳定剂的奥氏体钢，钢中大部分碳与 Ti、Nb 形成 TIC、

19、NbC。焊接时，在温度超过 1200 的过热区，钛和铌的碳化物将溶人固溶体中。在高温下，由于碳的扩散能力较强，所以溶解的碳能迅速向晶界处迁移，冷却后偏聚在晶界附近形成过饱和状态，而 Ti、Nb 则因扩散能力低而留于晶内。如果焊接接头在敏化温度区间再次加热时，过饱和的碳将在奥氏体晶界以Cr23 C6 形式析出，而 Ti、Nb 由于在奥氏体相里的扩散速度非常慢，很难迁移到晶界与碳再次结合，这样它们失去了稳定化元素的作用，使晶界形成贫铬层，在腐蚀介质作用下就会产生晶间腐蚀。第19页/共23页刀蚀的防止措施：(l）降低母材料含碳量这是防止刀蚀的有效措施，超低碳奥氏体不锈钢焊接接头不会产生刀蚀。(2）采

20、用合理的焊接工艺尽量选择较小的热输入，以减少过热区在高温停留时间，并注意避免在焊接过程产生“中温敏化”的效果。.应力腐蚀：（SCC)是在拉应力和特定腐蚀介质共同作用下而发生的一种破坏，随着拉应力加大，发生破裂时间缩短，当取消应力时，腐蚀量很小，并且不发生破裂。SCC 是奥氏体不锈钢非常敏感且经常发生的腐蚀破坏形式.第20页/共23页 为了避免焊接接头的脆化，应尽量限制焊缝中的 相数最；多层焊时，采用较小的焊接线能量，以提高冷却速度，缩短高温停留时间；对于已出现相的焊缝，可将接头进行固溶处理，使相重新溶入奥氏体中。奥氏体钢由于含 Cr量高，也有类似铁素体钢的脆化问题，主要是 475 脆性和，相脆化。（3）焊接接头脆化第21页/共23页11.4.2 奥氏体钢的焊接工艺1.焊接方法：奥氏体钢可以采用所有的熔焊方法，如焊条电弧焊、钨极和熔化极缸弧焊、埋弧焊等。第22页/共23页感谢您的观看！第23页/共23页