低合金耐热钢的焊接工艺要点及注意事项

低合金耐热钢的焊接工艺要点及注意事项

低合金耐热钢在现代工业中被广泛应用于锅炉、压力容器等领域。掌握其焊接技术，能够有效保证结构件在高温条件下的安全与稳定。本文将深入探讨低合金耐热钢的焊接工艺及其注意事项，以确保焊接接头的质量和性能。

一、低合金耐热钢的基本概念

1. 什么是低合金耐热钢？

耐热钢是指在高温环境下仍能保持较高强度、良好抗氧化性的钢材。根据合金元素的含量，耐热钢可以分为低合金、中合金和高合金耐热钢。其中，低合金耐热钢的合金元素总含量通常在5%以下，常见的合金系列包括Mo、Cr-Mo、Mo-V、Cr-Mo-V、Mn-Ni-Mo等。这类钢材在焊接结构中，碳含量一般控制在0.2%以下，以提高其焊接性。

2. 低合金耐热钢的组织特征

在供货状态下，低合金耐热钢通常呈现珠光体加铁素体的组织，这一微观结构使其在高温下具备优良的力学性能和耐蚀性。对于焊接过程中的组织变化，合理的焊接工艺和热处理措施至关重要。

二、低合金耐热钢的焊接工艺要点

1. 焊接方法

低合金耐热钢的焊接几乎可以采用各种焊接方法，但常用的焊接方式包括：

• 焊条电弧焊：适合小型与现场焊接，灵活性高。
• 埋弧焊：适用于大面积焊接，焊接质量稳定。
• 钨极氩弧焊：适用于对焊接质量要求高的场合，焊缝美观且强度高。

2. 焊接材料

焊接接头的质量直接影响疲劳强度和高温工作性能。接头材料的选择需满足以下基本要求：

• 接头的等强性：焊接接头的强度需要与母材相当，尤其是高温强度和持久强度。
• 接头的抗氧化性：焊接金属的抗氧化性能应与母材相近，以防止高温下的氧化腐蚀。
• 接头的组织稳定性：焊接后，接头区域应保持稳定的组织状态，不应出现硬化或脆化现象。
• 接头的抗脆断性：特别是在液压试验及冷启动的情况下，焊接接头必须具备良好的韧性，以避免脆断。
• 接头的物理均一性：确保焊接接头的线胀系数和热导率与母材一致，避免因热应力导致的提前失效。

3. 焊接工艺措施

为了确保低合金耐热钢的焊接质量，需要采取以下工艺措施：

• 焊接材料选择：选用高温塑性优于母材的焊接材料，并适当提高预热及层间温度，以防再热裂纹的产生。合理的热输入和热处理参数能有效缩小热影响区，避免晶粒粗大化。
• 降低杂质含量：焊接材料中的硫、磷及其他有害杂质会降低焊缝金属的韧性，因而在材料的选择上需进行严格的控制。
• 焊条类型：使用低氢型碱性焊条，有效降低焊缝金属的氢含量，从而提高焊接接头的韧性，降低裂纹倾向。
• 坡口处理：厚度超过15mm的钢板在火焰切割前需预热至100℃以上，确保坡口边缘平整，焊接前可进行磁粉检测或机械加工，以减少缺陷。
• 预热和层间温度控制：通过预热和维持层间温度，避免冷裂纹和再热裂纹的产生，预热温度应根据钢材的碳当量和接头的拘束度进行调整。

4. 焊后热处理

焊后热处理是保障焊接接头性能的重要环节，主要包括后热、消氢处理和去应力热处理。焊后热处理的主要目的在于改善焊缝热影响区组织，降低内应力，增强韧性，防止脆性断裂，从而提高焊接接头的整体性能。

(1) 后热和消氢处理

后热是一种加热处理方法，通常在焊接完成后，适当的温度范围内保持一定时间，以实现氢的扩散和消散。对于低合金耐热钢的推荐后热温度和时间需根据具体材料和焊接工艺而定，通常建议在300-500℃的温度范围内保持1-2小时。此过程能有效消除焊缝中的氢气，降低因氢导致的冷裂纹风险。

(2) 焊后去应力热处理

焊后去应力热处理的主要目的是降低焊接接头及其热影响区的内应力，确保结构稳定性。以下是焊后去应力热处理的关键点：

• 加热温度：需控制在适当范围内，通常在560-700℃进行热处理，具体温度依据焊接材料和工艺条件进行调整。
• 保温时间：保温时间应根据焊接接头的厚度和种类确定。通常在这个温度下，保持1-2小时，确保热影响区的应力降低到最小。
• 缓慢冷却：热处理完成后，缓慢冷却可以减少因温度骤变产生的热应力，确保焊缝的微观结构稳定。
• 避免脆性区温度：尽量避免在钢材的脆性敏感温度范围进行热处理，以防止产生新的缺陷。

5. 焊接质量的检测与评定

焊接质量的检测是确保焊接结构安全性和可靠性的重要环节。常用的焊接质量检测方法包括：

• 目视检测：通过目视检查焊缝外观，识别明显缺陷，如气孔、未焊透、裂纹等。
• 无损检测：应用超声波检测（UT）、射线检测（RT）、涡流检测（ET）等无损检测技术，评估焊接内部缺陷。
• 机械性能测试：拉伸试验、冲击试验和硬度测试等，评估焊缝金属及母材的力学性能，确保符合设计和标准。

6. 焊接工艺的记录

在进行焊接过程中，详细记录焊接工艺参数、材料批号、焊工信息等，对后续的质量追溯、事故分析和焊接工艺改进具有重要意义。焊接工艺规范（WPS）及合格评定记录（PQR）应严格落实和保留，为今后的焊接作业提供指导。

总结

低合金耐热钢的焊接工艺涉及多个方面，从材料选择、焊接技术到焊后处理都需严格把关。通过合理的焊接工艺措施和严格的质量检测，可以有效提高焊接接头的性能，确保压力容器等设备在高温、高压环境下的安全运行。只有充分理解和掌握这些焊接技术，才能在实际操作中达到高质量的焊接成果，并确保结构件的长期使用安全。