3.4中碳调质钢的焊接
中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，通过调质处理（淬火+回火）可获得
较高的强度性能。
中碳调质钢合金元素的加入主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的 作用，而其强度性能主要还是取决于含碳量。
但随着碳含量的提高，钢的焊接性明显变 差，焊接难度增大。
3.4.1
中碳调质钢的成分和性能 中碳调质钢的屈服强度达880~1176MPa以上。
钢中的含碳量（wC=0.25%~0.5%）较 高，并加入合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、B及Mo、
W、V、Ti等），以保证钢的淬透 性，消除回火脆性，再通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。
中碳调质钢的主要特 点是高的比强度和高硬度（例如作为火箭外壳和装甲钢等），中碳调质钢的淬硬性比低碳 调质钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大 的困难。
常用的中碳调质钢的化学成分和力学性能见表
3-24和表3-25。
表3-24 中碳调质钢的化学成分（质量分数）（%） 钢号30CrMnSiA30CrMnSiNi2A40CrMnSiMoVA35CrMoA35CrMoVA34CrNi3MoA40CrNiMoA (美)4340(美)H1130Cr3SiNiMoVA C 0.28~0.350.27~0.340.37~0.420.30~0.400.30~0.380.3~0.40.36~0.440.38~0.400.3~0.4 0.32 Mn0.8~1.11.0~1.30.8~1.20.4~0.70.4~0.70.5~0.80.5~0.80.6~0.80.2~0.4 0.70 Si 0.9~1.20.9~1.21.2~1.60.17~0.350.2~0.40.27~0.370.17~0.370.2~0.350.8~1.2 0.96 Cr0.8~1.10.9~1.21.2~1.50.9~1.31.0~1.30.7~1.10.6~0.90.7~0.94.75~ 5.53.10 Ni Mo
V ≤0.30 1.4~1.8 ≤0.25 2.75~3.251.25~1.751.62~2.00 0.91 0.45~0.600.2~0.30.2~0.30.25~0.40.15~0.250.2~0.31.25~1.75 0.70 0.07~0.12 0.1~0.2 0.3~0.50.11 S≤0.030≤0.025≤0.025≤0.030≤0.030≤0.030≤0.030≤0.025≤0.01 0.003 P≤0.035≤0.025≤0.025≤0.035≤0.035≤0.035≤0.030≤0.025≤0.01 0.019 中碳调质钢的合金系统可以归纳为以下几种类型：(1)40Cr是一种广泛应用的含Cr中碳调质钢，钢中加入wCr<1.5%时能有效的提高钢的淬透性，继续增加Cr含量无实际意义。
wCr约1%时对钢的塑性、韧性略有提高，超过2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。
Cr能增加低温或高温的回火稳定性，但Cr钢有回火脆性。
40Cr钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，可用于制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件，如用于制造齿轮和轴类。
40 钢号 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A40Cr 40CrMnSiMoVA35CrMoA35CrMoVA 34CrNi3MoA40CrNiMoA (美)4340(美)H1130Cr3SiNiMoVA 表3-25中碳调质钢的力学性能 热处理规范 870~890C油淬510~550C回火 870~890C油淬200~260C回火890~910C油淬200~300C回火850C油淬520C回火(水或油)890~970C油淬250~270C回火, 空冷860~880C油淬560~580C回火880~900C油淬640~660C回火850~870C油淬580~670C回火840~860C油淬550~650C水冷或空冷 约870C油淬约425C回火980~1040C空淬540C回火480C回火910C油淬280C回火 屈服强度 s/MPa ≥833— ≥1372≥785 —≥490≥686≥833833 1305—— 抗拉强度 b/MPa ≥1078≥1568≥1568≥980≥1862 ≥657≥814≥931 980 148017252070≥1666 伸长率(%)≥10≥5≥9≥9≥8≥15≥13≥12 12 14—≥
9 断面收缩率(%)≥40—≥45≥45≥35 ≥35≥35≥35 55 50— — 冲击吸收功AKV/J≥49 ≥25 硬度HB 346~363 ≥444 ≥59≥444 ≥47≥49≥49≥39≥39 ≥207 ≥52HRC 197~241255~302285~341 78 269 25 435 — — — — (2)35CrMoA和35CrMoVA属于Cr-Mo系统，是在Cr钢基础上发展起来的中碳调质钢。
加入少量Mo（wMo=0.15%~0.25%）可以消除Cr钢的回火脆性，提高淬透性并使钢具有较好的强度与韧性匹配，同时Mo还能提高钢的高温强度。
V可以细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，增加高温回火稳定性。
这类钢一般在动力设备中用于制造一些承受较高负荷、截面较大的重要零部件，如汽轮机叶轮、主轴和发电机转子等。
这类钢的含碳量较高，淬透性较大，因此焊接性较差，一般要求焊前预热、焊后热处理等。
(3)30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA属于Cr-Mn-Si系统，以及在该基础上发展起来的含Ni钢。
30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系的中碳调质钢，是前苏联的主要合金钢种，不含贵重的Ni元素，在我国得到了较为广泛的应用。
这种钢退火状态下的组织是铁素体和珠光体，调质状态下的组织为回火索氏体。
Cr-Mn-Si钢具有回火脆性的缺点，在300~450℃出现第一类回火脆性，因此回火时必须避开该温度范围。
这类钢还具有第二类回火脆性，因此高温回火时必须采取快冷的办法，否则冲击韧性会显著降低。
41 这类钢除了在调质状态下应用外，有时在损失一定韧性的情况下，为了提高钢的强度，减轻结构重量，采用200~250℃的低温回火，以便得到具有很高强度的低温回火马氏体组织。
当工件厚度小于25mm时，可采用等温淬火，得到下贝氏体组织，此时强度与塑性、韧性得到良好的配合。
这种钢在飞机制造中用得较为普遍。
30CrMnSiNi2A钢是在Cr-Mn-Si系基础上发展起来的，其特点主要是增加Ni，大大提高了钢的淬透性。
与30CrMnSiA相比，调质后的强度有较大提高，并保持了良好的韧性，但它的焊接性较差，具有较大的冷裂倾向。
40CrMnSiMoVA属于低Cr无Ni中碳调质高强钢，其中加入了淬透性强的Mo元素，与30CrMnSiNi2A相比，因含碳量高且不含Ni，焊接性要差一些，可用来代替30CrMnSiNi2A制造飞机上的一些构件。
(4)40CrNiMoA和34CrNi3MoA属于Cr-Ni-Mo系的调质钢，由于加入了质量分数为3%Ni和Mo，显著地提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性也有好处，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好、淬透性大等优点。
主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等。
3.4.2中碳调质钢的焊接性分析
1．焊缝中的热裂纹中碳调质钢含碳量及合金元素含量较高，焊缝凝固结晶时，固-液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。
例如30CrMnSi由于
C、Si含量较高，因此热裂倾向较大。
为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝中wC限制在0.15%以下，最高不超过0.25%），严格限制母材及焊丝中的
S、P含量（wS+wP<0.03%~0.035%），对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S和P总的质量分数限制在0.025%以下。
焊接中碳调质钢时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽可能选用碳含量低以及含
S、P杂质少的焊接材料。
在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。
因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是在多层焊时第一层的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。
2．淬硬性和冷裂纹中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。
母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向也越大。
中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体难以产生“自回火”效应。
由于马氏体中的碳含量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。
屈服强度588~980MPa的低、中碳调质钢的碳当量（Ceq）一般都超过了0.5%，多数超过了0.6%，属于高淬硬倾向的钢。
从碳当量来看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不很显著。
二者的焊接性却差别很大。
因此，中碳调质钢的冷裂倾向比低碳调质钢更为 42 严重的原因主要在马氏体的类型和性能上。
低碳马氏体有“自回火”作用，所以冷裂纹倾向较小。
分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。
焊接中碳调质钢时，为了防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，除了采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。
此外，中碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。
这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀介质中。
为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输入，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。
3．热影响区的脆化和软化
(1)热影响区脆化中碳调质钢由于碳含量较高（一般wC=0.25%~0.45%），合金元素较多，有相当大的淬硬倾向，马氏体转变温度(Ms)低（一般低于400℃），无“自回火”过程，因而在焊接热影响区容易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。
生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。
图3-31a为40CrNi2Mo钢模拟焊接热影响区粗晶区的CCT图。
图3-31b和图3-31c分别为不同t8/3的组织图及硬度变化图。
表3-26是几种常用中碳调质钢模拟热影响区的连续冷却组织转变的特征参数。
从这些图表可以看出，马氏体起始转变温度Ms点一般低于400℃，马氏体的硬度≥500HV，这样高硬度的马氏体组织必然导致较低的韧性。
《焊接手册》材料的焊接P285 图3-3140CrNi2Mo钢模拟热影响区粗晶区的CCT图及不同t8/3的组织图及硬度变化 a)40CrNi2Mo钢模拟热影响区粗晶区的CCT图b)不同t8/3的组织图c)不同t8/3的硬度变化 表3-26 钢种 30CrMo40CrMnMo40CrNi2Mo 几种常用中碳调质钢模拟热影响区的连续冷却组织转变的特征参数 Ms/℃ Mf/℃ t’b/s 370 ≈220 8① t’m/s45① t’f/s240① t’p/s460① 最高硬度HVmax600 320 ≈140 95 300 1800 2300 675 300 ≈120 140 320 2000 2800 800 ①为t8/5，其他为t8/3 为了减少热影响区脆化，从减小淬硬倾向出发，本应采用大热输入才有利，但由于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输入还难以避免马氏体的形成，相反却增大了奥氏体的过热，促使形成粗大的马氏体，反而使热影响区过热区的脆化更为严重。
因此，防止热影响区脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时采取预热、缓冷和后热等措施。
因 43 为采用小热输入减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却速度，这对改善热影响区的性能是有利的。
(2)热影响区软化焊前为调质状态的钢材焊接时，被加热到该钢调质处理的回火温度以上时，焊接热影响区将出现强度、硬度低于母材的软化区。
如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为降低接头区强度的薄弱区。
中碳调质钢的强度级别越高时，软化问题越突出。
因此，在调质状态下焊接时应考虑热影响区的软化问题。
母材焊前所处的热处理状态不同，软化区的温度范围和软化程度有很大差别。
低温回火的钢材，热影响区软化区的温度范围最大，相对于母材的软化程度也越大。
从韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的环节。
中碳调质钢热影响区软化最明显的部位，是温度处于A1~A3之间的区段，这与该区段的不完全淬火过程有密切关系。
因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度，铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解，造成这个区段的组织强度和硬度都较低。
图3-32是30CrMnSi调质钢焊接热影响区的强度分布，其中在AC1附近失强最大。
热影响区软化程度和软化区的宽度与焊接热输入、焊接方法等有很大关系。
焊接热输入越小，加热和冷却速度越快，软化程度越小，软化区的宽度越窄。
30CrMnSi钢经气焊后，热影响区软化区的抗拉强度（σb）降为590~685MPa；而采用焊条电弧焊时，软化区的抗拉强度为880~1030MPa。
气焊时的热影响区软化区比电弧焊时宽得多（见图3-32b），因此焊接热源越集中，对减少软化越有利。
《金属焊接性》47 图3-32调质状态的30CrMnSi钢焊接接头区的强度分布 a)焊条电弧焊 b)气焊 3.4.3中碳调质钢的焊接工艺特点中碳调质钢的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体， 不仅冷裂纹敏感性大，而且焊后若不经热处理时，热影响区性能达不到原来基体金属的性能。
中碳调质钢焊前母材所处的状态非常重要，它决定了焊接时出现的问题性质和采取的工艺措施，而且对焊接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格。
1．退火或正火状态下焊接中碳调质钢最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后通过整体调质处理获得性能满足要求的焊接接头，这是焊接中碳调质钢的一种比较合理的工艺方案。
这时焊接中所要解决的主要是裂纹问题，热影响区和焊缝的性能通过焊后的调质处理来保证。
选择焊接 44 材料的要求是不产生冷、热裂纹，而且要求焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相同性能的焊接接头。
这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制，常用的一些焊接方法（焊条电弧焊、埋弧焊、TIG和MIG、等离子弧焊等）都能采用。
在选择焊接材料时，除了要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即焊缝金属的调质处理规范应与母材的一致，以保证调质后的接头性能也与母材相同。
因此，焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素（如
C、Si、
S、P等）应加以严格控制。
在焊后调质的情况下，焊接参数的确定主要是保证在调质处理之前不出现裂纹，接头性能由焊后热处理来保证。
因此可采用很高的预热温度（200~350℃）和层间温度。
另外，在很多情况下焊后往往来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷却到室温后在调质处理前不致产生延迟裂纹，还须在焊后及时进行一次中间热处理。
这种热处理一般是在焊后等于或高于预热温度下保持一段时间，目的是为了从两方面来防止延迟裂纹：一是起到扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组织。
当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。
例如在退火状态下焊接厚度大于3mm的30CrMnSiA时，为了防止冷裂纹应将工件预热到250~350℃，并在整个焊接过程中保持该温度。
采用局部预热时，预热的温度范围离焊缝两侧应不小于100mm，焊后若不能及时调质处理应进行680℃回火处理。
产品结构复杂和有许多条焊缝时，焊完一定数量的焊缝后应及时进行中间回火处理，这样就能避免等到最后处理时，先焊接的部位已经出现延迟裂纹。
中间回火的次数，要根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。
对于淬硬倾向更大的30CrMnSiNi2A，为了防止冷裂纹的产生，焊后须立即（焊缝处的金属不能冷到低于250℃）入炉加热到（650±10）℃或680℃回火，然后按规定进行调质处理。
2．调质状态下焊接如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时的主要问题是防止焊接裂纹和避免热影响区软化。
除了裂纹外，热影响区的主要问题是：高碳马氏体引起的硬化和脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。
高碳马氏体引起的硬化和脆化可以通过焊后的回火处理来解决。
但高温回火区软化引起的强度下降，在焊后不能调质处理的情况下是无法弥补的。
由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可与母材有差别。
为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好的奥氏体焊条。
为了消除热影响区的淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须适当采用预热、层间温度控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理。
上述工艺过程的温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低50℃。
为了减少热影响区的软化，从焊接方法考虑，应该是采用热量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。
这一点与低碳调质钢的焊接是一致的。
因此气 45 焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是钨极氩弧焊，它的热量比较容 易控制，焊接质量容易保证，因此常用它来焊接一些焊接性很差的高强钢。
另外，脉冲氩 弧焊、等离子弧焊和电子束焊等工艺方法，用于这类钢的焊接是很有前途的。
从经济和方 便性考虑，目前在焊接这类钢时，焊条电弧焊还是用得最为普遍。
对于必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时热 影响区性能的下降是很难解决的。
因此应采用尽可能小的焊接热输入。
由于焊后不再进行调质处理，选择焊接材料时没有必要考虑成分和热处理规范与母 材相匹配的问题。
从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性较好的奥氏体铬镍钢 焊条或镍基焊条。
这时在工艺上应注意到异种钢焊接时的一些特点。
例如在调质状态下 焊接
30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A时采用镍基奥氏体焊条，焊后采用250℃×2h或更长 时间的低温回火处理。
在焊接像30CrMnSiNi2A淬硬倾向很大的钢材时，除了焊后低温 回火外，还要采取一定的预热措施，预热温度应低于母材淬火后的回火温度，一般采用 的预热和层间温度为200~250℃。
3．焊接方法及焊接材料
(1)焊接方法中碳调质钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等。
采用热量集中的脉冲氩弧焊、等离子弧焊及电子束焊等方法，有利于减小焊接热影响区 宽度，获得细晶组织，提高焊接接头的力学性能。
一些薄板焊接多采用气体保护焊、钨 极氩弧焊和微束等离子弧焊等。
中碳调质钢应采用尽可能小的焊接热输入，这样可以降低热影响区淬火区的脆化， 同时采用预热、后热等措施，还能提高抗冷裂性能，改善淬火区的组织性能，采用小热 输入还有利于减小软化区，降低软化程度。
常用的中碳调质钢的焊接参数见表
3-27。
在确定中碳调质钢的焊接参数时，主要应 从防止冷裂纹和避免热影响区软化出发。
采用较高的预热温度（200~350℃）和层间温 度、焊后立即进行热处理等，以达到防止裂纹的目的。
表
3-27中碳调质钢的焊接参数举例 焊接方法 焊条电弧焊 埋弧焊 CO2气体保护焊钨极氩 钢号 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A 30CrMnSiA45CrNiMoV 板材厚度/mm 4 10 726242.5 焊丝或焊条直径 /mm 3.23.24.02.53.04.0 0.8 1.6 焊接电压/V 20~2521~3221~3830~35 17~19 9~12 焊接电流/A 90~110130~140200~220290~400 280~450 75~8585~110100~200 工艺参数 焊接速度/mh-
1 送丝速度/mh-
1 — — — — 27 — — — — 120~150 — 150~180 6.75 30~52.5 焊剂或保护气流量/Lmin-1— — HJ431HJ350 CO2,7~8CO2,10~14 Ar,10~20 说明 — 预热350
C,焊后680C回火 焊接3层焊接13层 短路过渡 预热260℃,焊后650℃回火 46 弧焊 23 预热300℃, 12~14250~300 4.5 30~57Ar14,He5焊后670℃回火
(2)焊接材料中碳调质钢焊接材料应采用低碳合金系，降低焊缝金属的
S、P杂 质含量，以确保焊缝金属的韧性、塑性和强度，提高焊缝金属的抗裂性。
对于焊后需要 热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与基体金属相近。
应根据焊缝受力条件、性能要 求及焊后热处理情况选择焊接材料。
中碳调质钢焊接材料的选用见表
3-28。
钢号 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A35CrMoA35CrMoVA 34CrNi3MoA40Cr 表3-28 中碳调质钢焊接材料的选用 焊条电弧焊 气体保护焊 焊条型号 焊条牌号 保护气体 焊丝 J857Cr H08Mn2SiMoA CO2 J107Cr H08Mn2SiA E8515-
G HT-1(H08CrMoA
焊芯) E10015-
G HT-3(H08A焊芯) Ar H18CrMoA HT-3(H08CrMoA焊芯) — HT-3(H08CrMoA焊芯) Ar H18CrMoA E10015-GE8515-GE10015-GE8515-GE8515-GE9015-GE10015-
G J107CrJ857CrJ107CrJ857CrJ857CrJ907CrJ107Cr Ar H20CrMoA Ar H20CrMoA Ar H20Cr3MoNiA — — 埋弧焊 焊丝 焊剂 H20CrMoAH18CrMoA HJ431HJ431HJ260 H18CrMoAH20CrMoA HJ350-1HJ260HJ260 — — — — — —
(3)预热和焊后热处理预热和焊后热处理是中碳调质钢的重要工艺措施，是否预 热以及预热温度的高低根据焊件结构和生产条件而定。
除了拘束度小，构造简单的薄壁 壳体或焊件不用预热外，一般情况下，中碳调质钢焊接时都要采取预热或及时后热的措 施，预热温度一般为
200~350℃。
表3-29为常用中碳调质钢焊接的预热温度。
表3-29 钢号30CrMnSiA 40Cr30CrMnSiNi2A 常用中碳调质钢焊接的预热温度 预热温度/C200~300200~300300~350 说明薄板可不预热 —预热温度应一直保持到焊后热处理 如果焊接结构件焊后不能及时进行调质处理，须焊后及时进行中间热处理，即在等于或高于预热温度下保温一定时间的热处理，如低温回火或650~680℃高温回火。
若焊件焊前为调质状态时，预热温度、层间温度及热处理温度应比母材淬火后的回火温度低50℃。
进行局部预热时，应在焊缝两侧100mm内均匀加热。
常见中碳调质钢的焊后热处理见表3-30。
47 钢号30CrMnSiA30CrMnSiNi2A30CrMnSiA30CrMnSiNi2A 表3-30常用中碳调质钢的焊后热处理 焊后热处理/C淬火+回火：480~700淬火+回火：200~300 说明使焊缝金属组织均匀化，焊接接头获得最佳性能 回火：500~700 消除焊接应力，以便于冷加工 3.5珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金钢为主，加入合金元素Cr、Mo、
V， 有时还加入少量
W、Ti、Nb、B等，合金元素添加总的质量分数小于10%。
低、中合金珠光体耐热钢具有很好的抗氧化性和热强性，工作温度可高达600℃，广泛用于制造蒸汽动力发电设备。
这类钢还具有良好的抗硫和氢腐蚀的能力，在石油、化工和其他工业部门也得到了广泛的应用。
3.5.1珠光体耐热钢的成分及性能 珠光体耐热钢Cr的质量分数一般为0.5%~9%，Mo的质量分数一般为0.5%或1%。
随着Cr、Mo含量的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。
在Cr-Mo钢中加入少量的
V、W、Nb、Ti等元素后，可进一步提高钢的热强性。
珠光体耐热钢的合金系基本上是：Cr-Mo、Cr-Mo-
V、Cr-Mo-W-
V、Cr-Mo-W-V-
B、Cr-Mo-V-Ti-B等。
表3-31为常用珠光体耐热钢的化学成分，表3-32为常用珠光体耐热钢的室温力学性能。
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wCr<1.5%时，随Cr的增加钢的蠕变强度也增加；wCr≥1.5%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，形成碳化物的能力比Cr弱，Mo优先溶入固溶体，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大，可阻碍Cr和Mo形成碳化物，促进Cr和Mo的固溶强化作用。
钢中的V含量不宜过高，否则V的碳化物高温下会聚集长大，造成钢的热强性下降，或使钢材脆化。
钢中W的作用和Mo相似，能强化固溶体，提高再结晶温度，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、抗晶间腐蚀能力和抗氧化能力，并可显著提高蠕变强度，改善钢的焊接性。
钢中加入B和稀土元素，可净化晶界，提高晶界强度，阻止晶粒长大，提高钢的蠕变强度。
48 表3-31 常用珠光体耐热钢的化学成分（质量分数） （%） 钢号
C Si Mn Cr Mo
V W Ti
S P
B RE 其他 12CrMo ≤0.15
0.20~0.400.40~0.700.40~0.700.40~0.55 — — — ≤0.04≤0.04 — —Cu≤0.30 15CrMo 0.12~0.180.17~0.370.40~0.700.80~1.100.40~0.55 — — — ≤0.04≤0.04 — — — 20CrMo 0.17~0.240.20~0.400.40~0.700.80~1.100.15~0.25 — — — ≤.04≤0.04 — — — 12CrMoV0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.90~1.200.25~0.350.15~0.30 — — ≤.04≤0.04 — — — 12Cr3MoVSiTiB0.09~0.150.60~0.900.50~0.802.50~3.001.00~1.200.25~0.35 — 0.22~0.38≤0.035≤0.0350.005~0.011— — (П11) 12Cr2MoWVB0.08~0.150.45~0.700.45~0.651.60~2.100.50~0.650.28~0.420.30~0.420.30~0.55≤0.035≤0.035 <0.008 — — (102钢) — — 13CrMo440.10~0.180.15~0.350.40~0.700.70~1.000.40~0.50 — — — ≤0.04≤0.04 — — — 14CrV63 0.10~0.180.15~0.350.30~0.600.30~0.600.50~0.650.25~0.35 — — ≤0.04≤0.04 — — — 10CrMo910 ≤0.150.15~0.500.40~0.602.00~2.500.90~1.10 — — — ≤0.04≤0.04 — — — 10CrSiMoV7≤0.120.90~1.200.35~0.751.60~2.00.25~0.350.25~0.35 — — ≤0.04≤0.04 — — — WB36 0.10~0.170.25~0.500.80~1.20≤0.30 0.25~0.50 Ni Cu Nb ≤0.03≤0.03N≤0.02 —Al≤0.05 (15NiCuMoNb5) 1.00~1.300.50~0.800.015~0.045 钢号 12CrMo15CrMo 20CrMo12Cr1MoV 12Cr3MoVSiTiB(П11)12Cr2MoWVB(钢102) 13CrMo4414MoV6310CrMo91010CrSiMoV7WB36(15NiCuMoNb5) 表3-32 热处理状态 900~930℃正火+680~730℃回火930~960℃正火+680~730℃回火 880~900℃淬水，水或油冷+580~600℃回火980~1020℃正火+720~760℃回火 1040~1090℃正火+720~770℃回火1000~1035℃正火+760~780℃回火910~940℃正火+650~720℃回火950~980℃正火+690~720℃回火900~960℃正火+680~780℃回火970~1000℃正火+730~780℃回火900~980℃正火+580~660℃回火 珠光体耐热钢的室温力学性能 力学性能 取样位置 —纵向横向—纵向横向——————纵向横向 屈服强度 s/MPa 210240230550260260450350300370270300449— 抗拉强度 b/MPa 420450450700480450640550450~580500~700450~600500~650622~775— 伸长率 5/% 2121201621191818222020201917 49 冲击吸收功AKV/Jcm2 685949785949———————— 珠光体耐热钢的室温强度并不太高，通常是在退火状态或正火+回火状态供货，在 正火+回火或淬火+回火状态下使用。
合金元素的质量分数小于2.5%时，钢的组织为珠光体+铁素体；合金元素的质量分 数大于3%时，为贝氏体+铁素体（即贝氏体耐热钢）。
这类钢在500~600℃具有良好的耐 热性，工艺性能好，又比较经济，是电力、石油和化工部门用于高温条件下的主要结构 材料，如加氢、裂解氢和煤液化的高压容器等。
但这类钢在高温长期运行中会出现碳化 物球化及碳化物聚集长大等现象。
厚度不超过
30mm的Mo钢和Mn-Mo钢可以在热轧状态供货或使用，其他的耐热 钢应以热处理状态供货。
热处理的目的是使钢材获得所要求的组织、晶粒尺寸和力学性 能。
常见珠光体耐热钢的热处理制度见表3-33。
表3-33 常见珠光体耐热钢的热处理制度 钢种15Mo312CrMo15CrMo12Cr1MoV 10CrMo910 12Cr2MoWVTiB14MnMoV18MnMoNb13MnNiMoNb 规格要求的热处理退火处理正火+回火处理或正火处理正火处理或正火+回火处理正火+回火处理退火,正火+回火处理或完全退火处理正火+回火处理 正火+回火处理 正火+回火处理 正火温度/℃— 900~930900~920960~980 920~940 1000~1035 930~960 890~950 退火温度/℃650~700——— 670~690 740~780 600~640 530~600 回火温度/℃620~650650~680630~650740~760 680~700 760~790 650~680 580~690 在电站、核动力装置、石化加氢裂化装置、合成化工容器及其他高温加工设备中，耐热钢的应用相当普遍。
耐热钢对保证高温高压设备长期工作的可靠性有重要的意义。
要求抗氧化和高温强度的运行条件下，各种耐热钢的极限工作温度如图3-33所示。
在不同的运行条件下，各种耐热钢允许的最高工作温度见表3-34。
在高压氢介质中，各种Cr-Mo钢的适用温度范围如图3-34所示。
《焊接手册》306 图3-33各种耐热钢的极限工作温度 《焊接手册》306 图3-34 高压氢介质中各种Cr-Mo钢的适用温度范围
1 钢种 高温高压蒸气常规炼油工艺合成化工工艺高压加氢裂化 表3-34不同的运行条件下各种耐热钢允许的最高工作温度 0.5Mo 500450410300 1.25Cr-0.5Mo1Cr-0.5Mo 550530520340 2.25Cr-1Mo1CrMoV 570560560400 最高工作温度/℃ 2CrMoWVTi5Cr-0.5Mo 9Cr-1Mo9CrMoV9CrMoWVNb 600 620 600 650 600 650 550 — 12Cr-MoV 680——— 18-8CrNi(Nb) 760750800750 为了提高耐热钢的热强性，可通过以下三种合金化方式实现强化：
(1)基体固溶强化加入合金元素强化铁素体基体，常用的Cr、Mo、
W、Nb元素能显著提高热强性。
其中，Mo、W的固溶强化作用最显著；Cr在wCr=1%左右的强化作用已很显著，继续增加Cr含量的强化效果不显著，但可提高持久强度。
(2)第二相沉淀强化在铁素体为基体的耐热钢中，强化相主要是合金碳化物（V4C3或VC、NbC、TiC等）。
沉淀强化作用可维持到0.7TM（TM为熔点,绝对温度），固溶强化效果在0.6TM以上显著减弱。
但碳化物种类、形态及其弥散度对热强性影响很大。
其中体心立方晶系的碳化物V4C3、NbC、TiC等最为有效；Mo2C在温度低于520℃时有一定沉淀强化作用；Cr7C3及Cr23C6在540℃左右已极不稳定而易于聚集。
(3)晶界强化加入微量元素（RE、
B、Ti+B等）能吸附于晶界，延缓合金元素沿晶界的扩散，从而强化晶界。
在能形成稳定合金碳化物的前提下，提高含碳量对热强性是有利的。
在Cr-Mo-V或Cr-Mo-W-V低合金钢中，V/C质量分数比为4时，V与C可全部结合成V4C3，且呈细小弥散分布，蠕变抗力和持久强度最高。
如果钢中同时存在V与Ti，当(V+Ti)/C=4.5~6时具有最高的热强性。
显然，碳和强碳化物形成元素的含量要有适宜的配合。
若钢中不存在强碳化物形成元素时，例如Mo钢或低Cr-Mo钢，提高含碳量不利于提高热强性。
因为这时形成的碳化物为Mo2C或Cr7C3不稳定而易于聚集长大，同时还减少Mo、Cr的固溶强化作用，所以热强性反而降低。
这种情况下，含碳量偏低一些有好处。
在低合金耐热钢中，Cr对热强性的影响比较复杂。
最佳Cr含量同钢中其他成分有关，也与试验温度有关。
例如Cr-0.5%Mo钢在595℃时，wCr在5%左右具有最大的蠕变抗力。
而Cr-1%Mo钢在595℃时，wCr在7.5%左右具有最大的蠕变抗力。
Cr-Mo-V钢在600℃时，wCr=1%~2%r即可得到最大的持久强度。
3.5.2珠光体耐热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、热影响区的硬化、软化，以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹。
如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。
2 1．热影响区硬化及冷裂纹珠光体耐热钢中的Cr、Mo元素能显著提高钢的淬硬性，这些合金元素推迟了冷却过程中的组织转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。
对于成分一定的耐热钢，最高硬度取决于奥氏体相的冷却速度。
在焊接热输入过小时，热影响区易出现淬硬组织；焊接热输入过大时，热影响区晶粒明显粗化。
淬硬性大的珠光体耐热钢焊接中可能出现冷裂纹，裂纹倾向一般随着钢材中Cr、Mo含量的提高而增大。
当焊缝中扩散氢含量过高、焊接热输入较小时，由于淬硬组织和扩散氢的作用，常在珠光体耐热钢的焊接接头中出现冷裂纹。
可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围，加上适当的预热、后热措施，来避免产生焊接冷裂纹。
实际焊接生产中，正确选定预热温度和焊后回火温度对防止冷裂纹是非常重要的。
2．再热裂纹珠光体耐热钢再热裂纹取决于钢中碳化物形成元素（Mo、V等）的特性及其含量。
再热裂纹出现在焊接热影响区的粗晶区，与焊接工艺及焊接残余应力有关。
这种裂纹一般在500~700℃的敏感温度范围形成，裂纹倾向还取决于热处理制度。
采用大热输入的焊接方法时，如多丝埋弧焊或带极埋弧焊，在接头处高拘束应力作用下，焊层间或堆焊层下的过热区易出现再热裂纹。
珠光体耐热钢中的Mo含量增多时，Cr对再热裂纹的影响也增大，如图3-35所示。
Mo的质量分数从0.5%增加至1.0%时，再热裂纹敏感性最大的Cr的质量分数从1.0%降低至0.5%。
但钢中如有质量分数为0.1%的V元素时，即使wMo=0.5%，再热裂纹倾向也很大。
《焊接物理冶金》P167 图3-35合金元素对钢材再热裂纹敏感性的影响 a)Cr、Mo含量对再热裂纹的影响(600℃×2h)1—1Mo2—0.5Mo3—0.5Mo-0.1Vb)Cr、Mo、V对再热裂纹的影响 碳元素在1Cr-0.5Mo钢中对再热裂纹敏感性的影响见图3-36，可以看出，随着钢中V含量增加，碳的影响也加剧。
图3-37是
V、Nb、Ti对再热裂纹敏感性的影响，其中V的影响最显著。
《焊接物理冶金》P168 图3-36碳元素对再热裂纹的影响（600℃×2h，炉冷）1—1Cr-0.5Mo-(0.08~0.09)V2—1Cr-0.5Mo-(0.04~0.05)V
3 《焊接物理冶金》P168 图3-37V、Nb、Ti对再热裂纹的影响（600℃×2h，炉冷） ●▲■—0.6Cr-0.5Mo-
V、Nb、Ti ○△□—1Cr-0.5Mo-
V、Nb、Ti 防止再热裂纹的措施如下：1)采用高温塑性高于母材的焊接材料，限制母材和焊接材料的合金成分，特别是要严格限制
V、Ti、Nb等合金元素的含量到最低的程度；2)将预热温度提高到250℃以上，层间温度控制在300℃左右；3)采用小热输入的焊接工艺，减小焊接过热区宽度，细化晶粒；4)选择合适的热处理制度、避免在敏感温度区间停留较长时间。
3．回火脆性铬钼耐热钢及其焊接接头在350~500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。
产生回火脆性的主要原因，是由于在回火脆化温度范围内长期加热后，
P、As、Sb、Sn等杂质元素在奥氏体晶界偏析而引起的晶界脆化；此外，与促进回火脆化的元素Mn、Si也有关。
因此，对于基体金属来说，严格控制有害杂质元素的含量，获得低回火脆性的焊缝金属须严格控制P和Si含量，同时降低Si、Mn含量是解决回火脆性的有效措施。
2.25Cr-1Mo耐热钢是近年来在电力、石油化工行业广泛应用的钢种。
这种钢具有良好的抗氢腐蚀、抗回火脆化、抗再热脆化等性能。
2.25Cr-1Mo钢抗回火脆性的特点如下：1)是否脆化，可用回火前后冲击试验韧脆转变温度的变化加以比较。
2)含有
P、Sb、Sn、As等杂质元素的低合金钢，在375~575℃温度区间长时间加热易发生脆化。
脆化试样的冲击断口是从原奥氏体晶界起裂的。
发生脆化的钢加热到某一温度以上，韧性可得到恢复。
3)除上述杂质元素外，Mn、Si、Cr、Ni也加剧脆化，而Mo、W可推迟脆化过程。
4)化学成分相同的钢，其脆化程度随着组织不同依如下顺序减小：马氏体、贝氏体、珠光体。
若奥氏体晶粒粗大，其脆化程度也大。
焊缝金属回火脆化的敏感性比锻、轧材料更大，因为焊接材料中的杂质难以控制。
一般认为要获得低回火脆性的焊缝金属必须严格控制P和Si的含量，通过俄歇电子能谱观察到P在晶界上的偏析，而且偏析的浓度与Si含量有关。
研究还发现Si和P在晶界上形成Si-P复合物，促使晶界脆化，因此除了要严格限制杂质P的含量（wP≤0.015%）外，焊缝中Si含量要控制在质量分数为0.15%以下。
3.5.3珠光体耐热钢的焊接工艺特点
4 珠光体耐热钢一般在预热状态下焊接，焊后大多要进行高温回火处理。
珠光体耐热 钢定位焊和正式施焊前都需预热，若焊件刚性大，宜整体预热。
焊条电弧焊时应尽量减 小接头的拘束度。
焊接过程中保持焊件的温度不低于预热温度（包括多层焊时的层间温 度），尽量避免中断，不得已中断焊接时，应保证焊件缓慢冷却。
重新施焊的焊接件焊前 仍须预热，焊接完毕应将焊件保持在预热温度以上数小时，然后再缓慢冷却。
焊缝正面 的余高不宜过高。
1．常用焊接方法和焊接材料
(1)
焊接方法焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极氩弧焊等 均可用于珠光体耐热钢的焊接。
但是，常用的焊接方法以焊条电弧焊为主，埋弧焊和电 渣焊也经常应用，气体保护焊和窄间隙焊也正在扩大应用。
钨极氩弧焊用于管道生产可以实现单面焊双面成形，但当母材
Cr的质量分数超过 3%时，焊缝背面应通氩气保护，以改善成形，防止焊缝表面氧化。
钨极氩弧焊具有超低 氢的特点，焊接时可以适当降低预热温度。
这种焊接方法的缺点是焊接效率低，生产中 往往采用钨极氩弧焊焊接根部焊道，而填充层采用其他高效率的焊接方法，以提高生产 率。
低合金耐热钢的管件和棒材可采用电阻压力焊、感应加热压力焊以及电阻感应焊。
这些焊接方法的优点是无需填充金属，但须严格控制焊接参数，才能获得优质的焊接接 头。
在焊接合金含量较高的耐热钢时，必须向焊接区吹送
Ar等保护气体，以保证接头 的致密性。
此外，局部加热往往导致Cr-Mo钢焊后产生低塑性组织，而需对接头作相应 的热处理。
(2)焊接材料的选用为了保证焊缝性能与母材匹配，具有必要的热强性，珠光体 耐热钢的焊缝成分应与母材相近，这与其他合金结构钢不同。
为了防止焊缝有较大的热 裂倾向，焊缝碳的质量分数要求比母材低一些（一般不希望低于
0.07%）。
实践中，若焊 接材料选择适当，焊缝的性能是可以和母材匹配的。
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及使用温度下的强度性 能应与母材相应的指标一致，或应达到产品技术条件提出的最低性能指标。
焊件如焊后 需经退火、正火或热成形等热处理或热加工，应选择合金成分或强度级别较高的焊接材 料。
珠光体耐热钢焊接材料的选用见表
3-35。
当需要将珠光体耐热钢和普通碳钢焊在
一 起时，一般选用珠光体耐热钢焊条或焊丝进行焊接。
钢号15Mo12CrMo 表3-35 珠光体耐热钢焊接材料的选用 焊条电弧焊 气体保护焊 埋弧焊(焊丝+焊剂) 焊条型号(牌号)焊丝型号(牌号) 牌号 型号 E5015-A1(R107) E5505-B1(R207) ER55-D2(H08MnSiMo) ER55-B2(H08CrMnSiMo) H08MnMoA+HJ350 H10CrMoA+HJ350 F5114-H08MnMoAF5114-H10CrMoA
5 氩弧焊焊丝型号(牌号)TGR50M(TIG)(H08MnSiMo)TGR50M(TIG)(H08CrMnSiMo) 15CrMo E5515-B2(R307) ER55-B2(H08Mn2SiCrMo) H08CrMoVA+HJ350 F5114-H08CrMoA 20CrMoE5515-B2—H08CrMoV— (R307) +HJ350 12Cr1MoV E5515-B2-V(R317) ER55-B2MnV(H08CrMnSiMoV) H08CrMoA+HJ350 F6114-H08CrMoV 12Cr2Mo E6015-B3(R407) ER62-B3(08Cr3MoMnSi) H08Cr3MoMnA+HJ350或SJ101 F6124H08Cr3MnMoA E5515-B3-VWB12Cr2MoWVB (R347) ER62-
G (08Cr2MoWVNbB) H08Cr2MoWVNbB +HJ250 F6111- H08Cr2MoWVNbB 10CrMo910 E6015-B3 — — — (R407) 10CrSiMoV7 E5515-B2-
V — H08CrMoV — (R317) +HJ350 注：气体保护焊的保护气体为
CO2或Ar+20%CO2或Ar+(1~5)%O2。
TGR55CM(TIG)(H08CrMnSiMo) H05Cr1MoVTiRE TGR55V(TIG)(H08CrMnSiMoV)TGR59C2M(TIG)(H08Cr3MoMnSi)TGR55WB(TIG)(H08Cr2MoWVNbB) (H05Cr2MoTiRE) (H05Cr1MoVTiRE) 控制焊接材料的含水量是防止焊接裂纹的主要措施之
一，而珠光体耐热钢所用的焊 条和焊剂都容易吸潮。
在焊接工艺要求中应规定焊条和焊剂的保存和烘干制度。
常用珠 光体耐热钢焊条和焊剂的烘干制度见表
3-36。
表3-36常用珠光体耐热钢焊条和焊剂的烘干制度 焊条、焊剂的型号(牌号) 烘干温度/℃ 烘干时间/h E5003-A1(R102),E5503-B1(R202),E5503-B2(R302) 150~200 1~
2 E5015-A1(R107),E5515-B1(R207),E5515-B2(R307), 350~400 1~
2 E5515-B2-V(R317),E6015-B3(R407),E5515-B3-VWB(R347) F5114(HJ350),F6111(HJ250) 400~450 2~
3 F7124(SJ101),F5123(SJ301) 300~350 2~
3 保存温度/℃ 50~80 127~150 120~150120~150 焊接在回火脆性温度区间长期工作的2.25Cr-1Mo耐热钢时，应选择具有低回火脆化倾向的焊接材料。
焊补缺陷或焊后不能进行热处理时，为了防止产生冷裂纹可采用奥氏体焊条（如E309-16、E309Mo-16等）。
采用奥氏体焊条时，焊前预热，焊后一般不进行回火处理。
奥氏体焊缝与母材线膨胀系数不同以及在高温下长期工作时有碳的扩散迁移，在交变温度下工作时易导致熔合区的开裂。
另外，长期高温工作还可能引起焊缝中的σ相脆化。
这些问题是采用奥氏体焊条时所要考虑的。
(3)预热及焊后热处理耐热钢的坡口加工可以采用火焰切割法，但切割边缘的淬硬层往往成为后续加工的开裂源。
为了防止切割边缘开裂，厚度15mm以上的Cr-Mo耐热钢板，切割前应预热150℃以上。
切割边缘应机械加工并用磁粉探伤检查是否存在表面裂纹；厚度在15mm以下的耐热钢板，切割前不必预热，切割边缘最好进行机械加工。
珠光体耐热钢焊接时，为了防止冷裂纹和消除热影响区硬化现象，正确选定预热温度和焊后回火温度是非常重要的。
生产中必须结合具体条件，通过试验来确定预热及焊后热处理温度。
预热温度的确定主要是依据钢的合金成分、接头的拘束度和焊缝金属的
6 氢含量。
母材碳当量大于0.45%、最高硬度大于350HV时，应考虑焊前预热。
珠光体耐 热钢的预热温度和焊后热处理见表3-37。
表3-37珠光体耐热钢的预热温度和焊后热处理 钢号 预热温度/℃ 焊后热处理温度/℃ 钢号 预热温度/℃ 焊后热处理温度/℃ 12CrMo15CrMo 200~250200~250 650~700670~700 12MoVWBSiRE12Cr2MoWVB① 200~300250~300 750~770760~780 12Cr1MoV 250~350 710~750 12Cr3MoVSiTiB300~350 740~760 17CrMo1V 350~450 680~700 20CrMo 250~300 650~700 20Cr3MoWV 400~450 650~670 20CrMoV 300~350 680~720 Cr2.25Mo 250~350 720~750 15CrMoV 300~400 710~730 注：①12Cr2MoWVB
气焊接头焊后应正火+回火处理，推荐：正火1000~1030℃+回火760~780℃。
后热去氢处理是防止冷裂纹的重要措施之
一。
氢在珠光体中的扩散速度较慢，一般焊后加热到250℃以上，保温一定时间，可以促使氢加速逸出，降低冷裂纹的敏感性。
采用后热处理可以降低预热温度约50~100℃。
焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是改善焊接区组织和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，降低焊缝及热影响区硬度等。
3.6低温钢的焊接通常把-10~-196℃的温度范围称为“低温”（我国从-40℃算起），低于-196℃（直到 -273℃）时称为“超低温”。
低温钢主要是为了适应能源、石油化工的需要而迅速发展起来的一种专用钢。
低温钢要求在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，同时应具有良好的加工性能，主要用于制造-20~-253℃低温下工作的焊接结构，如贮存和运输各类液化气体的容器等。
3.6.1低温钢的分类、成分及性能
1．低温钢的分类
(1)按使用温度等级分类分为-10~-40℃、-50~-90℃、-100~-120℃和-196~-273℃等级低温钢。
(2)按合金含量和组织分类分为低合金铁素体低温钢、中合金低温钢和高合金奥氏体低温钢。
(3)按有无镍、铬元素分类分为无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢。
(4)按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。
常用低温钢的类型及使用温度范围如图3-38所示。
《金属焊接性》53
7 图3-38低温钢类型及使用的温度范围
2．低温钢的化学成分和组织低温用钢包括的钢种很广泛，从低碳铝镇静钢、低合金高强钢、低Ni钢，一直到wNi=9％i的钢。
常用低温钢的温度等级和化学成分见表3-38。
(1)低合金低温钢（无Ni低温钢）铝镇静Si-Mn低温钢是先用Si、Mn进行脱氧，再用铝进行强烈脱氧的优质钢种。
为了提高韧性，从成分上采取了降低碳含量和提高Mn/C比（Mn/C>11）的措施。
该钢正火处理或淬火+回火处理可细化晶粒，明显提高其低温韧性，多用于-40℃以上的结构。
低合金铁素体低温钢是在Si-Mn优质钢基础上，加入少量合金元素（如Nb、
V、Ti、Al、Cu、RE等）得到的低温钢（σs≥441MPa），组织为铁素体加少量珠光体。
其中Mn、Ni以及能促使晶粒细化的微量元素都有利于提高低温韧性。
为了保证良好的综合力学性能和焊接性，一般要求低C和低
S、P。
这种钢具有高的塑性和韧性，多用于-50℃以上的结构，如Q345、09MnTiCuRE、06AlCuNbN等。
(2)中合金低温钢（含Ni低温钢）合金元素总的质量分数为5%~10%，其组织与热处理工艺有关。
其中5Ni钢（wNi=5%）、9Ni钢（wNi=9%）是典型的中合金低温钢。
8 表3-38 常用低温钢的温度等级和化学成分（质量分数） （%） 分温度等级 组织 类/℃钢号状态CMnSiVNbCuAlCrNi其他 -40 Q345 正火≤0.201.20~1.600.20~0.60 — — — — — — — 09Mn2VRE正火 1.40~1.800.20~0.500.04~0.10 — — — — — — -70 ≤0.12 无 09MnTiCuRE正火 1.40~1.70 ≤0.40 — Ti — 0.20~0.40 — — — 0.30~0.80 镍 低 -90 06MnNb 正火≤0.071.20~1.600.17~0.37 — 0.02~0.04 — — — 温 -100 06MnVTi正火≤0.071.40~1.800.17~0.370.04~0.10 — — 0.04~0.08 — 钢 -105 06AlCuNbN正火≤0.080.80~1.20 ≤0.35 — 0.04~0.080.30~0.400.04~0.15 — RE*0.15 — — — — —N 0.010~0.015 N0.03~0.08 -196 26Mn23Al固溶0.1~0.2521.0~26.0 ≤0.50 0.06~0.12 — 0.10~0.200.7~1.2 — —
B 0.001~0.005 -253 15Mn26Al4固溶0.13~0.1924.5~27.0 ≤0.80 — — — 3.8~4.7 — — — 0.5NiA ≤0.140.70~1.50 0.30~0.70 1.5NiA 正火≤0.140.30~0.70 1.30~1.60 -60 1.5NiB 或 ≤0.180.50~1.500.10~0.300.02~0.050.15~0.50 ≤0.35 0.15~0.50≤0.251.30~1.70Mo≤0.10 2.5NiA 调质≤0.14 ≤0.80 2.00~2.50 2.5NiB ≤0.18 ≤0.80 2.00~2.50 含 -100 镍 3.5NiA 正火≤0.14 或 ≤0.80 0.10~0.300.02~0.050.15~0.50 ≤0.35 0.10~0.50≤0.253.25~3.75 — 3.5NiB 调质≤0.18 低温-120~钢-170 淬火 5Ni +回≤0.12 ≤0.80 0.10~0.300.02~0.050.15~0.50 ≤0.35 0.10~0.50≤0.254.75~5.25 — 火 淬火 -196 9Ni +回≤0.10 ≤0.80 0.10~0.300.02~0.050.15~0.50 ≤0.35 0.10~0.50≤0.258.0~10.0 — 火 -196~ Cr18Ni9 17.0~
1 — ≤1.0 9.0~11.0 -253 Cr18Ni9Ti固溶≤0.08 ≤2.0 — — — — 9.0 5wTiwC~0.8 -269 Cr25Ni20 ≤1.5 24~2619~22 — 注:*表示加入量。
9 Ni是发展低温钢的一个重要元素。
为了提高钢的低温性能，可加入Ni元素，形成含 Ni的铁素体低温钢，如1.5Ni钢（wNi=1.5%）、2.5Ni钢（wNi=2.5%）、3.5Ni钢（wNi=3.5%） 以及5Ni钢（wNi=5%）等。
在提高Ni的同时，应降低含碳量和严格限制
S、P含量及
N、
H、O的含量，防止产生时效脆性和回火脆性等。
这类钢的热处理条件为正火、正火+回火 和淬火+回火等。
5Ni钢通过化学成分调整和热处理控制组织，在-162~-196℃的低温下具有良好的低温 韧性。
若加入质量分数为0.25%的Mo，可增加析出奥氏体的数量并使之稳定化，还可起 到细化晶粒的作用。
采用淬火、回火和回复退火的热处理方法来控制组织，使5%Ni钢具 有高的强度、塑性和低温韧性。
9%Ni钢具有一定的回火脆性敏感性，并随着P含量的增 加而显著增加，因此应严格控制9%Ni钢中的P含量。
9%Ni低温钢由于Ni含量较高，具 有很高的低温韧性，能用于-196℃，比奥氏体不锈钢有更高的强度，适宜制造贮存液化气 的大型容器。
3．低温钢的力学性能 对低温钢的性能要求，首先应满足低温下的力学性能，特别是低温条件下的缺口韧性。
常用低温钢的力学性能见表
3-39。
表3-39常用低温钢的力学性能 钢号 热处理状态 试验温度/℃ 屈服强度 σs/MPa 抗拉强度 σb/MPa 伸长率δ5(%) Q345 正火 -40 ≥343 ≥510 ≥21 09Mn2V 正火 -70 ≥343 ≥490 ≥20 09MnTiCuRE 正火 -70 ≥343 ≥490 ≥20 06MnNb 正火 -90 ≥294 ≥432 ≥21 06AlCuNbN 正火 -120 ≥294 ≥392 ≥20 2.5Ni 正火 -50 ≥255 450~530
≥23 3.5Ni 正火 -101 ≥255 450~530≥23 5Ni 正火＋回火 -170 ≥448 655~790≥20 9Ni淬火＋回火-196≥517690~828≥20 -196 ≥585 690~828≥20 注：冲击吸收功为三个试样的平均值，*为U形缺口。
σs/σb 0.650.700.700.680.750.57~0.480.57~0.480.68~0.540.75~0.630.85~0.71 冲击吸收功AKV/J≥34*≥47*≥47*≥47*≥20.5≥20.5*≥20.5*≥34.5≥34.5≥34.5 这类钢须具备的最重要的性能是抗低温脆化。
在一些重要结构上，为了防止意外事故的发生，还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能，即一旦出现脆性破坏后可以停止继续破坏。
从安全角度考虑，希望低温钢的屈强比（σs/σb）不要太高，因为屈强比是衡量低温缺口敏感性的指标之
一。
屈强比越大，表明塑性变形能力的储备越小，在应力集中部位的应力再分配能力越低，从而易于促使脆性断裂。
对于低碳铝镇静钢，最低使用温度下的V形缺口冲击吸收功（纵向取样）保证值规定为20.5J；对于屈强比较高的低温钢，要提高到34.5J；对屈强比更高的调质钢，希望提高到47.0J。
无论是无Ni或含Ni的低温钢，在冲击韧性上都可以满足规定低温下的使用要求，但是无Ni低温钢的屈强比不如含Ni低温钢的屈强比高。
10 除了面心立方金属外（如奥氏体钢、铝、铜等），所有体心立方或六方晶格的金属均有低温脆化现象。
可以通过细化晶粒、合金化和提高纯净度等措施来改善铁素体钢的低温韧性。
Mn-Si系钢中各种氮化物细化奥氏体晶粒的效果如图3-39所示。
可见，Ti、Al、Nb等有很好的细化晶粒作用。
低温钢的含碳量不高，在常温下具有较好的塑性和韧性，冷或热加工均可采用。
铁素体低温钢的加工性能与低碳钢及低合金钢相近；奥氏体低温钢的加工性能与奥氏体不锈钢相近。
《金属焊接性》53 图3-39Mn-Si系钢中各种氮化物细化晶粒的效果 对于具有一定时效脆性敏感性和回火脆性敏感性的低温钢，须正确选择加工方法和工艺参数，控制冷卷、冷压及其他冷加工时的变形量，防止变形量过大而造成低温韧性下降。
具有一定回火脆性敏感性的钢种，回火后低温韧性明显下降，如06AlCuNbN钢经550~650℃回火后，在-100℃时的V形缺口冲击吸收功从151.9J急剧下降到17.6~9.8J。
因此应合理地选择回火温度和回火时间。
3.6.2低温钢的焊接性分析
1．无Ni低温钢的焊接性特点不含Ni元素的铁素体低温钢碳的质量分数约为0.06%~0.20%，合金元素总的质量分数≤5%，碳当量为0.27%~0.57%，焊接性良好。
由于碳当量不高，淬硬倾向较小，室温焊接时不易形成冷裂纹；钢中
S、P等杂质元素的含量较低，也不易产生热裂纹。
这类钢在用铝脱氧时形成了稳定的AlN，阻止了接头区脆化。
铁素体低温钢通过加入细化晶粒的合金元素（Ti、Al、Nb等）以及正火处理提高低温韧性，韧性指标一般能得到保证。
这类钢焊接性分析时应注意以下问题：1)严格控制焊接热输入和层间温度，目的是使接头不受过热的影响，避免热影响区晶粒长大，降低韧性。
2)控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。
板厚h>15mm的低温钢焊接结构，焊后应采用消除应力热处理。
含有
V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种，在进行消除应力热处理时，当加热温度处于回火脆性敏感温度区时会析出脆性相，使低温韧性下降。
应合理地选择焊后热处理工艺，以保证接头的低温韧性。
3)含氮的铁素体低温钢不仅对焊接热循环敏感，而且对焊接应力应变循环也很敏感，接头某些区域会发生热应变脆化，使该区的塑性和韧性下降。
热应变区的温度范围为200~600℃。
热应变量越大，脆化程度也越大。
采用小的焊接热输入可以减小热影响区的热塑性应变量，有利于减轻热应变脆化程度。
11 焊接这类钢时，通常板厚h<25mm不需预热，当板厚h>25mm或焊接接头拘束度较大时，应考虑预热，以防止产生焊接裂纹。
预热温度过高会使热影响区晶粒长大，在晶界可能析出氧化物和碳化物而降低韧性，所以预热温度一般在100~150℃，最高不超过200℃。
2．含Ni低温钢的焊接性特点含Ni较低的2.5%Ni和3.5%Ni低温钢，虽然由于Ni的加入提高了钢材的淬透性，但由于含碳量限制得较低，冷裂纹倾向并不严重，薄板焊接时可不预热，厚板焊接时需进行100℃预热。
含Ni高的9%Ni钢，淬硬性很大，在超过临界点的焊接热影响区得到的是淬火组织。
但由于含碳量很低，并采用了奥氏体焊接材料，因此冷裂纹倾向并不大。
9%Ni钢焊接性分析时应注意以下几个问题：1)正确选择焊接材料9%Ni钢具有较大的线膨胀系数，在选择焊接材料时，必须使焊缝与母材的线膨胀系数大致相近，以防止因线膨胀系数差异太大而引起焊接裂纹。
2)避免磁偏吹现象9%Ni钢是一种强磁性材料，采用直流电源时易产生磁偏吹现象，影响焊接质量。
一般做法是焊前避免接触磁场，选用适于交流电源焊接的焊条（如镍基合金焊条）。
3)严格控制焊接热输入和层间温度，避免焊前预热。
这样可避免接头过热和晶粒长大，保证接头的低温韧性。
焊接厚度50mm以下的9%Ni钢时不需要预热。
由于Ni能提高钢材的热裂纹倾向，因此焊接这类含Ni钢时要注意液化裂纹的问题。
在低温钢中由于含碳量和杂质
S、P的含量控制得都很严格，所以液化裂纹在这类钢中不很明显。
但仍须严格控制钢的化学成分，尤其是
S、P含量，否则可能出现焊接热裂纹。
钢中的S含量偏高，可形成低熔点共晶Ni-Ni3S2（644℃），P含量超标可能形成Ni-Ni3P2共晶（880℃），导致形成结晶裂纹。
含Ni钢中的另一个问题是回火脆性，为此要注意这类钢焊后回火时的温度和冷却速度的控制。
9%Ni钢是典型的低碳马氏体低温钢，含有较多的镍，具有一定的淬硬性。
焊前应进行正火后再高温回火或900℃水淬后再570℃回火处理，其组织为低碳板条马氏体。
这种钢具有较高的低温韧性，其焊接性能优于一般低合金高强钢。
板厚h<50mm的焊接结构可以不预热，焊后可不进行消除应力热处理。
对这类易淬火的低温钢通常采用焊前预热、控制层间温度及焊后缓冷等工艺措施，可降低冷却速度，避免淬硬组织，采用较小的焊接热输入，使热影响区的晶粒不至于过分长大，达到防止冷裂纹及改善热影响区韧性的目的。
3.6.3低温钢的焊接工艺特点低温钢焊接时，除了要防止出现裂纹外，关键是要保证焊缝和热影响区的低温韧性，这是制定低温钢焊接工艺的一个根本出发点。
解决热影响区韧性主要是通过控制焊接热输入，而焊缝韧性除了与热输入有关外，还取决于焊缝成分的选择。
由于焊缝金属是铸态组织，性能低于同样成分的母材，故焊缝成分不能与母材完全相同。
由于对低温条件的要求 12 不同，应针对不同类型低温钢选择不同的焊接材料和不同的焊接热输入。
焊接铝镇静钢时，可选择成分与母材相似的低碳钢和C-Mn钢焊条，焊缝性能在-30℃ 时具有足够的冲击韧性。
为了获得更好的低温韧性，可选用wNi=0.5%~1.5%的低镍焊条。
低Ni钢焊接时，所用焊条的Ni含量应与母材相同或高于母材，但并非Ni含量高的焊缝韧性一定好。
焊态下wNi>2.5%以后，焊缝中会出现粗大的板条贝氏体或马氏体，在这种情况下，C含量越高焊缝韧性下降越明显。
为了改善3.5%Ni钢焊缝的韧性，除了降低C含量和
S、P、O等含量外，应对焊缝中的Si和Mn含量加以限制。
因为Si、Mn高时会形成明显的条状组织，韧性差。
但是，Si、Mn含量太低，会导致焊缝含氧量增加。
另外，在3.5%Ni焊丝中添加微量Ti可细化晶粒，改善焊缝的低温韧性。
当焊缝Ni含量增加时，回火脆性也会增加，加入少量Mo有利于减小回火脆性。
9Ni钢具有优良的低温韧性。
但用与9Ni钢相似的铁素体焊材时所得焊缝的韧性很差。
这除了与铸态焊缝组织有关外，主要与焊缝中的含氧量有很大关系。
与9Ni钢同质的11Ni（wNi=11%）铁素体焊材，只有在钨极氩弧焊时才能获得良好的低温韧性。
因为此时能使焊缝金属的含氧量降低到与母材相同的0.005%以下。
采用奥氏体焊接材料时，热裂纹倾向随着焊缝中的Ni含量提高而增加。
热裂纹主要产生在焊缝的起始部和弧坑处。
一般情况下弧坑裂纹很难避免，尤其是在多层焊的根部焊缝和前几道焊缝中。
因此，应采取一些工艺措施来防止弧坑裂纹，如收弧时要注意填满弧坑等。
焊接9%Ni钢时，为了保证接头的低温韧性，应将热输入控制在10~35kJ/cm。
焊接坡口及坡口两侧10~20mm范围的水、油、锈、氧化皮等须清理干净。
装配好的工件应及时焊接。
焊接环境温度不得低于允许的最低施焊温度，通常不得在小于-5℃或-10℃温度下施焊。
雨天或天气十分潮湿（相对湿度在90%以上），遇有强风或风速在10m/s以上时，不得在现场施焊，除非采取适当的防护措施，如升温、防潮、防风等。
低温钢焊接时，焊条电弧焊和氩弧焊的应用较广，埋弧焊的应用受到限制，一般不采用气焊和电渣焊。
为使焊接接头具有良好的低温韧性，焊接热输入不能过大。
通常采用快速多道焊，并通过多层焊的再热作用细化晶粒，如焊接06MnNbDR低温钢时，层间温度不大于300℃。
1．低温钢的焊条电弧焊
(1)焊条的选用根据低温焊接结构的工作条件，所选焊条应使焊缝达到不低于母材经过焊接后的最低韧性水平。
承受交变载荷或冲击载荷的结构，焊缝金属应具有较好的抗疲劳断裂性能、良好的塑性和抗冲击性能。
接触腐蚀介质的结构，应使焊缝金属的化学成分与母材大致相同，或用能保证焊缝及熔合区的抗腐蚀性能不低于母材的焊条。
几种常用低温钢焊接材料的选用见表3-40。
焊接屈服强度大于490MPa的低温钢球罐时，焊条中wNi=1.72%和wMo=0.16%；焊接屈服强度大于588MPa的低温钢所用的焊条中 13 除了含Ni、Mo外，还含有少量的Cr。
钢号16MnDR09Mn2VDR06MnNbDR 表3-40 几种常用低温钢焊接材料的选用 状态 焊条电弧焊 型号 牌号 正火E5016-GE5015-
G J506RHJ507RH 正火E5015-GE5515-C1 W607AW707Ni 正火800~900℃空冷 E5515-C2 W907Ni 15MnNiDR09MnNiDR 正火正火或正火+回火 E5015-GE5015-
G W507RW707R 埋弧焊 焊丝 焊剂 H10Mn2AYD504A H08Mn2MoVAHJ250 — — —H10Mn2A或含Ni药芯焊丝 —YD507A
(2)焊接工艺要点16MnDR钢是制造-40℃低温设备用的细晶粒钢。
09Mn2VDR也 属细晶粒钢，正火状态下使用，主要用于制造-70℃的低温设备，如冷冻设备、液化气贮罐、 石油化工低温设备等。
06MnNbDR是具有较高强度的-90℃用细晶粒低温钢，主要用于制 造-60~-90℃的制冷设备、容器及贮罐等。
低温钢焊接要求采用较小的焊接热输入，选用的焊条直径一般不大于4mm。
对于开坡 口的对接焊缝、丁字焊缝和角接焊缝，为获得良好的熔透和背面成形，封底焊时应选用小 直径焊条，一般不超过3.2mm。
尽量用较小的焊接电流，以减小焊接热输入，保证接头有 足够的低温韧性。
低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数见表3-41。
横焊、立焊和仰焊时使 用的焊接电流应比平焊时小10%。
应采用多层多道焊，每一焊道焊接时采用快速不摆动的 操作方法。
表3-41 焊缝金属类型铁素体-珠光体型 Fe-Mn-Al奥氏体型 低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数 焊条直径/mm 焊接电流/A 3.2 90~120 4.0 140~180 3.2 80~100 4.0 100~120 焊接电压/V23~2424~2623~2424~25 应在坡口内擦划引弧，不允许工件表面有电弧擦伤。
避免采用慢速大幅度摆动的操作方法，通常采用快速直线焊。
在横焊、立焊和仰焊时，为保证获得良好的焊缝成形并与母材充分熔合，可作必要的摆动，可采用“之”字形运条方法，但应控制坡口两侧停留的时间。
收弧时要将熔池填满，避免产生较深的弧坑。
2．低温钢的埋弧焊
(1)焊材（焊丝和焊剂）的选择所用焊丝应严格控制C含量，
S、P含量应尽量低。
常选用烧结焊剂配合Mn-Mo或含Ni焊丝。
如采用C-Mn焊丝，应配合碱性非熔炼焊剂，通过焊剂向焊缝过渡微量Ti、B合金元素，可细化铁素体晶粒。
由于碱性焊剂所得焊缝的 14 含氧量低，可得到高韧性的焊缝，以保证焊缝金属的低温韧性。
低温钢焊接时也可采用中性熔炼焊剂配合含Mo的C-Mn焊丝或采用碱性熔炼焊剂配 合含Ni焊丝。
表3-42给出了常用低温钢埋弧焊时焊剂与焊丝的组合。
表3-42 钢号 16MnDR 09MnTiCuREDR09Mn2VDR、2.5Ni钢 3.5Ni钢 常用低温钢埋弧焊时焊剂与焊丝的组合举例 工作温度/℃ -40 -60-70-90 焊剂 SJ101、SJ603 SJ102、SJ603SJ603SJ603 配用焊丝H10MnNiMoA、 H06MnNiMoAH08MnA、H08Mn2 H08Mn2Ni2AH05Ni3A 对于2.5Ni钢、3.5Ni钢选用wNi=2.5%焊丝和wNi=3.5%焊丝。
9Ni钢一般选用镍基焊 丝Ni-Cr-Nb-Ti、Ni-Cr-Mo-Nb、Ni-Fe-Cr-Mo等。
低温钢用埋弧焊焊剂常采用碱性焊剂或 中性焊剂，以使焊缝金属具有良好的低温韧性。
(2)焊接工艺常用低温钢埋弧焊的焊接参数由表3-43给出。
埋弧焊的热量输入比 焊条电弧焊大，故焊缝及热影响区的组织也比焊条电弧焊的粗大。
为了保证焊接接头的韧 性，一般采用直流焊接电源（焊丝接正极）。
对于-40~-105℃低温钢，应将焊接热输入控制 在
20~25kJ/cm以下；对于-196℃低碳9Ni钢，应将焊接热输入控制在35~40kJ/cm以下。
温度级别/℃-40 -70 -196~-253 表3-43 低温钢埋弧焊的焊接参数 钢种 Q345(热扎或正火) 焊丝牌号 H08A 直径/mm2.05.0 焊剂HJ431 09Mn2V(正火)H08Mn2MoVA3.0HJ25009MnTiCuRe(正火) 20Mn23Al(热轧)Fe-Mn-Al焊丝4.0HJ17315Mn26Al4(固溶) 焊接电流/A 260~400750~820 320~450 400~420 焊接电压/V 36~4236~43 32~38 32~34 焊接低温用的低合金高强钢时，在保证焊缝具有足够的低温韧性的前提下，还要考虑到与母材相应的强度要求。
用于焊接这类钢的材料中除了含有质量分数为1%~3%的Ni外，还含有0.2~0.5%的Mo，有时还含有少量的Cr。
由于受焊接热输入的限制，低温钢焊接中一般不采用单面焊双面成形技术，通常采用加衬垫的单面焊技术。
对接接头坡口为单面V形或U形坡口。
先用焊条电弧焊或TIG焊封底，然后再用埋弧焊焊接。
第一层封底焊时，若出现裂纹必须铲除重焊。
为减小焊接热输入，通常采用细丝多层多道焊接，而且应严格控制层间温度，不可过热。
3．低温钢的氩弧焊
(1)钨极氩弧焊（TIG）低温钢TIG焊可填充焊丝，也可不填充焊丝。
一般采用直流正接法，主要用于焊接薄板和管子，以及进行封底焊接。
低温钢TIG焊的喷嘴直径为8~20mm；钨极伸出长度为3~10mm；喷嘴与工件间的距离为5~12mm。
焊接电流根据工件 15 厚度及对热输入的要求而定。
若电流过大，易产生烧穿和咬边等缺陷，并且使接头过热而 降低低温韧性。
焊接电压如增大较多，易形成未焊透，并影响气体保护效果。
手工
TIG焊时，应保持焊接速度均匀。
焊速过快，易造成未焊透，焊接过程不稳定； 焊速过慢，易形成气孔并使焊接接头过热，降低接头区低温韧性。
应在保证熔透、具有
一 定熔深且不影响气体保护效果的前提下，尽量采用较快的焊接速度，保证接头的韧性不降 低。
MIG
和TIG焊时，要选用质量分数为1.5%~2.5%的Ni焊丝。
氩弧焊常用的保护气体是纯氩气，还有Ar+He、Ar+O2、Ar+CO2等混合气体。
对于 C-Mn钢，可选用Ni-Mo焊丝，3.5Ni钢可选用4NiMo焊丝。
9Ni钢可选用镍基焊丝，如 Ni-Cr-Ti、Ni-Cr-NbTi、Ni-Cr-Mo-Nb等。
例如，9Ni钢贮罐板的立焊、仰焊，多采用自动 TIG焊法，而且是单面焊，背面不再清根。
9Ni钢采用高Ni合金焊丝自动TIG焊接头的力 学性能见表3-44。
表3-449Ni钢自动TIG焊接头的力学性能 焊丝70Ni-Mo-W60Ni-Mo-
W 板厚/mm 1524301524 焊接热输入/kJcm-1 35.344.434.947.83832.252.931509 焊缝金属 焊接接头 -196℃冲击吸收功AKV/J σb/MPa σSδ5σb断裂焊缝熔合区HAZ/MPa/%/MPa位置 738.9443.943728.1焊缝140 107 120 700.7380.241733.4 13570.5130 700.7380.242742.8熔合110 150 110 706.6358.739750.7 区 159 170 200 710.5475.344747.7焊缝113 115 143 686.9435.138735.0焊缝— — — 741.4385.141745.8 122 141 113 738.9575.334750.7焊缝97 120 170 714.4441.939743.8 107 122 172 自动TIG焊立焊的焊接参数为：焊丝φ1.2mm，焊接电流200~250A，焊接电压11~13V， 焊接速度3~5cm/min，氩气流量40L/min。
单面焊时，焊接电流200~240A，焊接电压11~13V, 焊接速度4.3~5cm/min,氩气流量40L/min，焊接热输入32.2kJ/cm。
(2)熔化极氩弧焊（MIG）应控制焊接热输入不宜太大。
MIG焊对熔池的保护效果 要求较高，保护不良时焊缝表面易氧化，故喷嘴直径及氩气流量比TIG焊大。
常用的喷嘴 直径为22~30mm，氩气流量为30~60L/min。
若熔池较大而焊接速度又很快时，可采用附 加喷嘴装置，或用双层气流保护，也可采用椭圆喷嘴。
根据焊接热循环对母材的敏感程度、熔滴过渡形式决定焊接电流和焊接电压的大小， 同时应考虑工件厚度、坡口形式、焊接位置等。
为获得优良的低温钢焊接接头，要合理地 控制焊接热输入，焊丝直径一般在
3mm以下。
9Ni低温钢MIG焊的焊接参数见表3-45。
熔滴过渡形式焊丝直径/mm 表3-459Ni低温钢MIG焊的焊接参数 短路过渡 滴状过渡 0.8 1.2 1.2 1.6 射流过渡 1.2 1.6 16 氩气流量/L•min-1焊接电流/A焊接电压/V 1565~10021~24 1580~14021~25 20~25170~24028~34 20~25190~260 28~34 20~25220~27035~38 20~25230~30035~38 MIG焊时要选择适当的焊接参数，以获得所需要的熔滴过渡形式（多采用射流过渡），使焊缝成形良好、熔深合适。
在各种不同位置进行多层多道焊时，应注意各层焊道的合理布置和焊接顺序，根部焊道的焊接参数不同于中间焊道和盖面层焊道。
为保证根部焊道的质量，可采用控制焊炬与工件夹角及摆动焊炬的方法进行焊接。
思考题
1.分析热轧钢和正火钢的强化方式及主强化元素有什么不同。
二者的焊接性有何差异，在制定焊接工艺时应注意什么问题。
2.分析16Mn的焊接性特点，给出相应的焊接材料及焊接工艺要求。
3.16Mn与15MnTi的焊接性有何差异？16Mn的焊接工艺是否适用于15MnTi的焊接，为什么？
4.低合金高强钢焊接时，选择焊接材料的原则是什么？焊后热处理对选择焊接材料有什么影响？
5.分析低碳调质钢焊接时可能出现什么问题？简述低碳调质钢的焊接工艺要点。
典型的低碳调质钢（如14MnMoNiB、HQ70、HQ80）的焊接线能量应控制在什么范围？在什么情况下要采取预热措施，为什么有最低预热温度的要求，如何确定最高预热温度？
6.低碳调质钢和中碳调质钢都属于调质钢，他们的焊接热影响区脆化机制是否相同？为什么低碳调质钢在调质状态下焊接可以保证焊接质量，而中碳调质钢一般要求焊后进行调质处理？
7.比较16Mn、T-1钢、2.25Cr-1Mo和30CrMnSiA的冷裂、热裂和再热裂纹的倾向。
8.同一牌号的中碳调质钢分别在调质状态和退火状态进行焊接时，焊接工艺有什么差别？为什么低碳调质钢一般不在退火状态下进行焊接？
9.珠光体耐热钢的焊接性特点与低碳调质钢有什么不同？珠光体耐热钢选用焊接材料的原则与强度用钢有什么不同，为什么？10.低温钢用于－40℃和常温下使用时，在焊接工艺和焊接材料选择上是否应该有所差别？为什么？11.某厂制造直径φ6m的贮氧容器，所用的钢材为16MnR，板厚32mm，车间温度为20℃，分析制定筒身及封头内外纵缝和环缝的焊接工艺：1)可采用哪几种焊接方法？2)给出相应的焊接材料；3)指出其焊接工艺要点。
12.通过本章学习，归纳在确定钢材焊后是否需要进行后热处理以及确定后热处理温度时应考虑哪些问题？ 17
中碳调质钢合金元素的加入主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的 作用，而其强度性能主要还是取决于含碳量。
但随着碳含量的提高，钢的焊接性明显变 差，焊接难度增大。
3.4.1
中碳调质钢的成分和性能 中碳调质钢的屈服强度达880~1176MPa以上。
钢中的含碳量（wC=0.25%~0.5%）较 高，并加入合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、B及Mo、
W、V、Ti等），以保证钢的淬透 性，消除回火脆性，再通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。
中碳调质钢的主要特 点是高的比强度和高硬度（例如作为火箭外壳和装甲钢等），中碳调质钢的淬硬性比低碳 调质钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大 的困难。
常用的中碳调质钢的化学成分和力学性能见表
3-24和表3-25。
表3-24 中碳调质钢的化学成分（质量分数）（%） 钢号30CrMnSiA30CrMnSiNi2A40CrMnSiMoVA35CrMoA35CrMoVA34CrNi3MoA40CrNiMoA (美)4340(美)H1130Cr3SiNiMoVA C 0.28~0.350.27~0.340.37~0.420.30~0.400.30~0.380.3~0.40.36~0.440.38~0.400.3~0.4 0.32 Mn0.8~1.11.0~1.30.8~1.20.4~0.70.4~0.70.5~0.80.5~0.80.6~0.80.2~0.4 0.70 Si 0.9~1.20.9~1.21.2~1.60.17~0.350.2~0.40.27~0.370.17~0.370.2~0.350.8~1.2 0.96 Cr0.8~1.10.9~1.21.2~1.50.9~1.31.0~1.30.7~1.10.6~0.90.7~0.94.75~ 5.53.10 Ni Mo
V ≤0.30 1.4~1.8 ≤0.25 2.75~3.251.25~1.751.62~2.00 0.91 0.45~0.600.2~0.30.2~0.30.25~0.40.15~0.250.2~0.31.25~1.75 0.70 0.07~0.12 0.1~0.2 0.3~0.50.11 S≤0.030≤0.025≤0.025≤0.030≤0.030≤0.030≤0.030≤0.025≤0.01 0.003 P≤0.035≤0.025≤0.025≤0.035≤0.035≤0.035≤0.030≤0.025≤0.01 0.019 中碳调质钢的合金系统可以归纳为以下几种类型：(1)40Cr是一种广泛应用的含Cr中碳调质钢，钢中加入wCr<1.5%时能有效的提高钢的淬透性，继续增加Cr含量无实际意义。
wCr约1%时对钢的塑性、韧性略有提高，超过2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。
Cr能增加低温或高温的回火稳定性，但Cr钢有回火脆性。
40Cr钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，可用于制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件，如用于制造齿轮和轴类。
40 钢号 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A40Cr 40CrMnSiMoVA35CrMoA35CrMoVA 34CrNi3MoA40CrNiMoA (美)4340(美)H1130Cr3SiNiMoVA 表3-25中碳调质钢的力学性能 热处理规范 870~890C油淬510~550C回火 870~890C油淬200~260C回火890~910C油淬200~300C回火850C油淬520C回火(水或油)890~970C油淬250~270C回火, 空冷860~880C油淬560~580C回火880~900C油淬640~660C回火850~870C油淬580~670C回火840~860C油淬550~650C水冷或空冷 约870C油淬约425C回火980~1040C空淬540C回火480C回火910C油淬280C回火 屈服强度 s/MPa ≥833— ≥1372≥785 —≥490≥686≥833833 1305—— 抗拉强度 b/MPa ≥1078≥1568≥1568≥980≥1862 ≥657≥814≥931 980 148017252070≥1666 伸长率(%)≥10≥5≥9≥9≥8≥15≥13≥12 12 14—≥
9 断面收缩率(%)≥40—≥45≥45≥35 ≥35≥35≥35 55 50— — 冲击吸收功AKV/J≥49 ≥25 硬度HB 346~363 ≥444 ≥59≥444 ≥47≥49≥49≥39≥39 ≥207 ≥52HRC 197~241255~302285~341 78 269 25 435 — — — — (2)35CrMoA和35CrMoVA属于Cr-Mo系统，是在Cr钢基础上发展起来的中碳调质钢。
加入少量Mo（wMo=0.15%~0.25%）可以消除Cr钢的回火脆性，提高淬透性并使钢具有较好的强度与韧性匹配，同时Mo还能提高钢的高温强度。
V可以细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，增加高温回火稳定性。
这类钢一般在动力设备中用于制造一些承受较高负荷、截面较大的重要零部件，如汽轮机叶轮、主轴和发电机转子等。
这类钢的含碳量较高，淬透性较大，因此焊接性较差，一般要求焊前预热、焊后热处理等。
(3)30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA属于Cr-Mn-Si系统，以及在该基础上发展起来的含Ni钢。
30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系的中碳调质钢，是前苏联的主要合金钢种，不含贵重的Ni元素，在我国得到了较为广泛的应用。
这种钢退火状态下的组织是铁素体和珠光体，调质状态下的组织为回火索氏体。
Cr-Mn-Si钢具有回火脆性的缺点，在300~450℃出现第一类回火脆性，因此回火时必须避开该温度范围。
这类钢还具有第二类回火脆性，因此高温回火时必须采取快冷的办法，否则冲击韧性会显著降低。
41 这类钢除了在调质状态下应用外，有时在损失一定韧性的情况下，为了提高钢的强度，减轻结构重量，采用200~250℃的低温回火，以便得到具有很高强度的低温回火马氏体组织。
当工件厚度小于25mm时，可采用等温淬火，得到下贝氏体组织，此时强度与塑性、韧性得到良好的配合。
这种钢在飞机制造中用得较为普遍。
30CrMnSiNi2A钢是在Cr-Mn-Si系基础上发展起来的，其特点主要是增加Ni，大大提高了钢的淬透性。
与30CrMnSiA相比，调质后的强度有较大提高，并保持了良好的韧性，但它的焊接性较差，具有较大的冷裂倾向。
40CrMnSiMoVA属于低Cr无Ni中碳调质高强钢，其中加入了淬透性强的Mo元素，与30CrMnSiNi2A相比，因含碳量高且不含Ni，焊接性要差一些，可用来代替30CrMnSiNi2A制造飞机上的一些构件。
(4)40CrNiMoA和34CrNi3MoA属于Cr-Ni-Mo系的调质钢，由于加入了质量分数为3%Ni和Mo，显著地提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性也有好处，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好、淬透性大等优点。
主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等。
3.4.2中碳调质钢的焊接性分析
1．焊缝中的热裂纹中碳调质钢含碳量及合金元素含量较高，焊缝凝固结晶时，固-液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。
例如30CrMnSi由于
C、Si含量较高，因此热裂倾向较大。
为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝中wC限制在0.15%以下，最高不超过0.25%），严格限制母材及焊丝中的
S、P含量（wS+wP<0.03%~0.035%），对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S和P总的质量分数限制在0.025%以下。
焊接中碳调质钢时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽可能选用碳含量低以及含
S、P杂质少的焊接材料。
在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。
因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是在多层焊时第一层的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。
2．淬硬性和冷裂纹中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。
母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向也越大。
中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体难以产生“自回火”效应。
由于马氏体中的碳含量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。
屈服强度588~980MPa的低、中碳调质钢的碳当量（Ceq）一般都超过了0.5%，多数超过了0.6%，属于高淬硬倾向的钢。
从碳当量来看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不很显著。
二者的焊接性却差别很大。
因此，中碳调质钢的冷裂倾向比低碳调质钢更为 42 严重的原因主要在马氏体的类型和性能上。
低碳马氏体有“自回火”作用，所以冷裂纹倾向较小。
分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。
焊接中碳调质钢时，为了防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，除了采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。
此外，中碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。
这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀介质中。
为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输入，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。
3．热影响区的脆化和软化
(1)热影响区脆化中碳调质钢由于碳含量较高（一般wC=0.25%~0.45%），合金元素较多，有相当大的淬硬倾向，马氏体转变温度(Ms)低（一般低于400℃），无“自回火”过程，因而在焊接热影响区容易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。
生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。
图3-31a为40CrNi2Mo钢模拟焊接热影响区粗晶区的CCT图。
图3-31b和图3-31c分别为不同t8/3的组织图及硬度变化图。
表3-26是几种常用中碳调质钢模拟热影响区的连续冷却组织转变的特征参数。
从这些图表可以看出，马氏体起始转变温度Ms点一般低于400℃，马氏体的硬度≥500HV，这样高硬度的马氏体组织必然导致较低的韧性。
《焊接手册》材料的焊接P285 图3-3140CrNi2Mo钢模拟热影响区粗晶区的CCT图及不同t8/3的组织图及硬度变化 a)40CrNi2Mo钢模拟热影响区粗晶区的CCT图b)不同t8/3的组织图c)不同t8/3的硬度变化 表3-26 钢种 30CrMo40CrMnMo40CrNi2Mo 几种常用中碳调质钢模拟热影响区的连续冷却组织转变的特征参数 Ms/℃ Mf/℃ t’b/s 370 ≈220 8① t’m/s45① t’f/s240① t’p/s460① 最高硬度HVmax600 320 ≈140 95 300 1800 2300 675 300 ≈120 140 320 2000 2800 800 ①为t8/5，其他为t8/3 为了减少热影响区脆化，从减小淬硬倾向出发，本应采用大热输入才有利，但由于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输入还难以避免马氏体的形成，相反却增大了奥氏体的过热，促使形成粗大的马氏体，反而使热影响区过热区的脆化更为严重。
因此，防止热影响区脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时采取预热、缓冷和后热等措施。
因 43 为采用小热输入减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却速度，这对改善热影响区的性能是有利的。
(2)热影响区软化焊前为调质状态的钢材焊接时，被加热到该钢调质处理的回火温度以上时，焊接热影响区将出现强度、硬度低于母材的软化区。
如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为降低接头区强度的薄弱区。
中碳调质钢的强度级别越高时，软化问题越突出。
因此，在调质状态下焊接时应考虑热影响区的软化问题。
母材焊前所处的热处理状态不同，软化区的温度范围和软化程度有很大差别。
低温回火的钢材，热影响区软化区的温度范围最大，相对于母材的软化程度也越大。
从韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的环节。
中碳调质钢热影响区软化最明显的部位，是温度处于A1~A3之间的区段，这与该区段的不完全淬火过程有密切关系。
因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度，铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解，造成这个区段的组织强度和硬度都较低。
图3-32是30CrMnSi调质钢焊接热影响区的强度分布，其中在AC1附近失强最大。
热影响区软化程度和软化区的宽度与焊接热输入、焊接方法等有很大关系。
焊接热输入越小，加热和冷却速度越快，软化程度越小，软化区的宽度越窄。
30CrMnSi钢经气焊后，热影响区软化区的抗拉强度（σb）降为590~685MPa；而采用焊条电弧焊时，软化区的抗拉强度为880~1030MPa。
气焊时的热影响区软化区比电弧焊时宽得多（见图3-32b），因此焊接热源越集中，对减少软化越有利。
《金属焊接性》47 图3-32调质状态的30CrMnSi钢焊接接头区的强度分布 a)焊条电弧焊 b)气焊 3.4.3中碳调质钢的焊接工艺特点中碳调质钢的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体， 不仅冷裂纹敏感性大，而且焊后若不经热处理时，热影响区性能达不到原来基体金属的性能。
中碳调质钢焊前母材所处的状态非常重要，它决定了焊接时出现的问题性质和采取的工艺措施，而且对焊接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格。
1．退火或正火状态下焊接中碳调质钢最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后通过整体调质处理获得性能满足要求的焊接接头，这是焊接中碳调质钢的一种比较合理的工艺方案。
这时焊接中所要解决的主要是裂纹问题，热影响区和焊缝的性能通过焊后的调质处理来保证。
选择焊接 44 材料的要求是不产生冷、热裂纹，而且要求焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相同性能的焊接接头。
这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制，常用的一些焊接方法（焊条电弧焊、埋弧焊、TIG和MIG、等离子弧焊等）都能采用。
在选择焊接材料时，除了要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即焊缝金属的调质处理规范应与母材的一致，以保证调质后的接头性能也与母材相同。
因此，焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素（如
C、Si、
S、P等）应加以严格控制。
在焊后调质的情况下，焊接参数的确定主要是保证在调质处理之前不出现裂纹，接头性能由焊后热处理来保证。
因此可采用很高的预热温度（200~350℃）和层间温度。
另外，在很多情况下焊后往往来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷却到室温后在调质处理前不致产生延迟裂纹，还须在焊后及时进行一次中间热处理。
这种热处理一般是在焊后等于或高于预热温度下保持一段时间，目的是为了从两方面来防止延迟裂纹：一是起到扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组织。
当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。
例如在退火状态下焊接厚度大于3mm的30CrMnSiA时，为了防止冷裂纹应将工件预热到250~350℃，并在整个焊接过程中保持该温度。
采用局部预热时，预热的温度范围离焊缝两侧应不小于100mm，焊后若不能及时调质处理应进行680℃回火处理。
产品结构复杂和有许多条焊缝时，焊完一定数量的焊缝后应及时进行中间回火处理，这样就能避免等到最后处理时，先焊接的部位已经出现延迟裂纹。
中间回火的次数，要根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。
对于淬硬倾向更大的30CrMnSiNi2A，为了防止冷裂纹的产生，焊后须立即（焊缝处的金属不能冷到低于250℃）入炉加热到（650±10）℃或680℃回火，然后按规定进行调质处理。
2．调质状态下焊接如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时的主要问题是防止焊接裂纹和避免热影响区软化。
除了裂纹外，热影响区的主要问题是：高碳马氏体引起的硬化和脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。
高碳马氏体引起的硬化和脆化可以通过焊后的回火处理来解决。
但高温回火区软化引起的强度下降，在焊后不能调质处理的情况下是无法弥补的。
由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可与母材有差别。
为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好的奥氏体焊条。
为了消除热影响区的淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须适当采用预热、层间温度控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理。
上述工艺过程的温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低50℃。
为了减少热影响区的软化，从焊接方法考虑，应该是采用热量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。
这一点与低碳调质钢的焊接是一致的。
因此气 45 焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是钨极氩弧焊，它的热量比较容 易控制，焊接质量容易保证，因此常用它来焊接一些焊接性很差的高强钢。
另外，脉冲氩 弧焊、等离子弧焊和电子束焊等工艺方法，用于这类钢的焊接是很有前途的。
从经济和方 便性考虑，目前在焊接这类钢时，焊条电弧焊还是用得最为普遍。
对于必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时热 影响区性能的下降是很难解决的。
因此应采用尽可能小的焊接热输入。
由于焊后不再进行调质处理，选择焊接材料时没有必要考虑成分和热处理规范与母 材相匹配的问题。
从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性较好的奥氏体铬镍钢 焊条或镍基焊条。
这时在工艺上应注意到异种钢焊接时的一些特点。
例如在调质状态下 焊接
30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A时采用镍基奥氏体焊条，焊后采用250℃×2h或更长 时间的低温回火处理。
在焊接像30CrMnSiNi2A淬硬倾向很大的钢材时，除了焊后低温 回火外，还要采取一定的预热措施，预热温度应低于母材淬火后的回火温度，一般采用 的预热和层间温度为200~250℃。
3．焊接方法及焊接材料
(1)焊接方法中碳调质钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等。
采用热量集中的脉冲氩弧焊、等离子弧焊及电子束焊等方法，有利于减小焊接热影响区 宽度，获得细晶组织，提高焊接接头的力学性能。
一些薄板焊接多采用气体保护焊、钨 极氩弧焊和微束等离子弧焊等。
中碳调质钢应采用尽可能小的焊接热输入，这样可以降低热影响区淬火区的脆化， 同时采用预热、后热等措施，还能提高抗冷裂性能，改善淬火区的组织性能，采用小热 输入还有利于减小软化区，降低软化程度。
常用的中碳调质钢的焊接参数见表
3-27。
在确定中碳调质钢的焊接参数时，主要应 从防止冷裂纹和避免热影响区软化出发。
采用较高的预热温度（200~350℃）和层间温 度、焊后立即进行热处理等，以达到防止裂纹的目的。
表
3-27中碳调质钢的焊接参数举例 焊接方法 焊条电弧焊 埋弧焊 CO2气体保护焊钨极氩 钢号 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A 30CrMnSiA45CrNiMoV 板材厚度/mm 4 10 726242.5 焊丝或焊条直径 /mm 3.23.24.02.53.04.0 0.8 1.6 焊接电压/V 20~2521~3221~3830~35 17~19 9~12 焊接电流/A 90~110130~140200~220290~400 280~450 75~8585~110100~200 工艺参数 焊接速度/mh-
1 送丝速度/mh-
1 — — — — 27 — — — — 120~150 — 150~180 6.75 30~52.5 焊剂或保护气流量/Lmin-1— — HJ431HJ350 CO2,7~8CO2,10~14 Ar,10~20 说明 — 预热350
C,焊后680C回火 焊接3层焊接13层 短路过渡 预热260℃,焊后650℃回火 46 弧焊 23 预热300℃, 12~14250~300 4.5 30~57Ar14,He5焊后670℃回火
(2)焊接材料中碳调质钢焊接材料应采用低碳合金系，降低焊缝金属的
S、P杂 质含量，以确保焊缝金属的韧性、塑性和强度，提高焊缝金属的抗裂性。
对于焊后需要 热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与基体金属相近。
应根据焊缝受力条件、性能要 求及焊后热处理情况选择焊接材料。
中碳调质钢焊接材料的选用见表
3-28。
钢号 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A35CrMoA35CrMoVA 34CrNi3MoA40Cr 表3-28 中碳调质钢焊接材料的选用 焊条电弧焊 气体保护焊 焊条型号 焊条牌号 保护气体 焊丝 J857Cr H08Mn2SiMoA CO2 J107Cr H08Mn2SiA E8515-
G HT-1(H08CrMoA
焊芯) E10015-
G HT-3(H08A焊芯) Ar H18CrMoA HT-3(H08CrMoA焊芯) — HT-3(H08CrMoA焊芯) Ar H18CrMoA E10015-GE8515-GE10015-GE8515-GE8515-GE9015-GE10015-
G J107CrJ857CrJ107CrJ857CrJ857CrJ907CrJ107Cr Ar H20CrMoA Ar H20CrMoA Ar H20Cr3MoNiA — — 埋弧焊 焊丝 焊剂 H20CrMoAH18CrMoA HJ431HJ431HJ260 H18CrMoAH20CrMoA HJ350-1HJ260HJ260 — — — — — —
(3)预热和焊后热处理预热和焊后热处理是中碳调质钢的重要工艺措施，是否预 热以及预热温度的高低根据焊件结构和生产条件而定。
除了拘束度小，构造简单的薄壁 壳体或焊件不用预热外，一般情况下，中碳调质钢焊接时都要采取预热或及时后热的措 施，预热温度一般为
200~350℃。
表3-29为常用中碳调质钢焊接的预热温度。
表3-29 钢号30CrMnSiA 40Cr30CrMnSiNi2A 常用中碳调质钢焊接的预热温度 预热温度/C200~300200~300300~350 说明薄板可不预热 —预热温度应一直保持到焊后热处理 如果焊接结构件焊后不能及时进行调质处理，须焊后及时进行中间热处理，即在等于或高于预热温度下保温一定时间的热处理，如低温回火或650~680℃高温回火。
若焊件焊前为调质状态时，预热温度、层间温度及热处理温度应比母材淬火后的回火温度低50℃。
进行局部预热时，应在焊缝两侧100mm内均匀加热。
常见中碳调质钢的焊后热处理见表3-30。
47 钢号30CrMnSiA30CrMnSiNi2A30CrMnSiA30CrMnSiNi2A 表3-30常用中碳调质钢的焊后热处理 焊后热处理/C淬火+回火：480~700淬火+回火：200~300 说明使焊缝金属组织均匀化，焊接接头获得最佳性能 回火：500~700 消除焊接应力，以便于冷加工 3.5珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金钢为主，加入合金元素Cr、Mo、
V， 有时还加入少量
W、Ti、Nb、B等，合金元素添加总的质量分数小于10%。
低、中合金珠光体耐热钢具有很好的抗氧化性和热强性，工作温度可高达600℃，广泛用于制造蒸汽动力发电设备。
这类钢还具有良好的抗硫和氢腐蚀的能力，在石油、化工和其他工业部门也得到了广泛的应用。
3.5.1珠光体耐热钢的成分及性能 珠光体耐热钢Cr的质量分数一般为0.5%~9%，Mo的质量分数一般为0.5%或1%。
随着Cr、Mo含量的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。
在Cr-Mo钢中加入少量的
V、W、Nb、Ti等元素后，可进一步提高钢的热强性。
珠光体耐热钢的合金系基本上是：Cr-Mo、Cr-Mo-
V、Cr-Mo-W-
V、Cr-Mo-W-V-
B、Cr-Mo-V-Ti-B等。
表3-31为常用珠光体耐热钢的化学成分，表3-32为常用珠光体耐热钢的室温力学性能。
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wCr<1.5%时，随Cr的增加钢的蠕变强度也增加；wCr≥1.5%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，形成碳化物的能力比Cr弱，Mo优先溶入固溶体，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大，可阻碍Cr和Mo形成碳化物，促进Cr和Mo的固溶强化作用。
钢中的V含量不宜过高，否则V的碳化物高温下会聚集长大，造成钢的热强性下降，或使钢材脆化。
钢中W的作用和Mo相似，能强化固溶体，提高再结晶温度，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、抗晶间腐蚀能力和抗氧化能力，并可显著提高蠕变强度，改善钢的焊接性。
钢中加入B和稀土元素，可净化晶界，提高晶界强度，阻止晶粒长大，提高钢的蠕变强度。
48 表3-31 常用珠光体耐热钢的化学成分（质量分数） （%） 钢号
C Si Mn Cr Mo
V W Ti
S P
B RE 其他 12CrMo ≤0.15
0.20~0.400.40~0.700.40~0.700.40~0.55 — — — ≤0.04≤0.04 — —Cu≤0.30 15CrMo 0.12~0.180.17~0.370.40~0.700.80~1.100.40~0.55 — — — ≤0.04≤0.04 — — — 20CrMo 0.17~0.240.20~0.400.40~0.700.80~1.100.15~0.25 — — — ≤.04≤0.04 — — — 12CrMoV0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.90~1.200.25~0.350.15~0.30 — — ≤.04≤0.04 — — — 12Cr3MoVSiTiB0.09~0.150.60~0.900.50~0.802.50~3.001.00~1.200.25~0.35 — 0.22~0.38≤0.035≤0.0350.005~0.011— — (П11) 12Cr2MoWVB0.08~0.150.45~0.700.45~0.651.60~2.100.50~0.650.28~0.420.30~0.420.30~0.55≤0.035≤0.035 <0.008 — — (102钢) — — 13CrMo440.10~0.180.15~0.350.40~0.700.70~1.000.40~0.50 — — — ≤0.04≤0.04 — — — 14CrV63 0.10~0.180.15~0.350.30~0.600.30~0.600.50~0.650.25~0.35 — — ≤0.04≤0.04 — — — 10CrMo910 ≤0.150.15~0.500.40~0.602.00~2.500.90~1.10 — — — ≤0.04≤0.04 — — — 10CrSiMoV7≤0.120.90~1.200.35~0.751.60~2.00.25~0.350.25~0.35 — — ≤0.04≤0.04 — — — WB36 0.10~0.170.25~0.500.80~1.20≤0.30 0.25~0.50 Ni Cu Nb ≤0.03≤0.03N≤0.02 —Al≤0.05 (15NiCuMoNb5) 1.00~1.300.50~0.800.015~0.045 钢号 12CrMo15CrMo 20CrMo12Cr1MoV 12Cr3MoVSiTiB(П11)12Cr2MoWVB(钢102) 13CrMo4414MoV6310CrMo91010CrSiMoV7WB36(15NiCuMoNb5) 表3-32 热处理状态 900~930℃正火+680~730℃回火930~960℃正火+680~730℃回火 880~900℃淬水，水或油冷+580~600℃回火980~1020℃正火+720~760℃回火 1040~1090℃正火+720~770℃回火1000~1035℃正火+760~780℃回火910~940℃正火+650~720℃回火950~980℃正火+690~720℃回火900~960℃正火+680~780℃回火970~1000℃正火+730~780℃回火900~980℃正火+580~660℃回火 珠光体耐热钢的室温力学性能 力学性能 取样位置 —纵向横向—纵向横向——————纵向横向 屈服强度 s/MPa 210240230550260260450350300370270300449— 抗拉强度 b/MPa 420450450700480450640550450~580500~700450~600500~650622~775— 伸长率 5/% 2121201621191818222020201917 49 冲击吸收功AKV/Jcm2 685949785949———————— 珠光体耐热钢的室温强度并不太高，通常是在退火状态或正火+回火状态供货，在 正火+回火或淬火+回火状态下使用。
合金元素的质量分数小于2.5%时，钢的组织为珠光体+铁素体；合金元素的质量分 数大于3%时，为贝氏体+铁素体（即贝氏体耐热钢）。
这类钢在500~600℃具有良好的耐 热性，工艺性能好，又比较经济，是电力、石油和化工部门用于高温条件下的主要结构 材料，如加氢、裂解氢和煤液化的高压容器等。
但这类钢在高温长期运行中会出现碳化 物球化及碳化物聚集长大等现象。
厚度不超过
30mm的Mo钢和Mn-Mo钢可以在热轧状态供货或使用，其他的耐热 钢应以热处理状态供货。
热处理的目的是使钢材获得所要求的组织、晶粒尺寸和力学性 能。
常见珠光体耐热钢的热处理制度见表3-33。
表3-33 常见珠光体耐热钢的热处理制度 钢种15Mo312CrMo15CrMo12Cr1MoV 10CrMo910 12Cr2MoWVTiB14MnMoV18MnMoNb13MnNiMoNb 规格要求的热处理退火处理正火+回火处理或正火处理正火处理或正火+回火处理正火+回火处理退火,正火+回火处理或完全退火处理正火+回火处理 正火+回火处理 正火+回火处理 正火温度/℃— 900~930900~920960~980 920~940 1000~1035 930~960 890~950 退火温度/℃650~700——— 670~690 740~780 600~640 530~600 回火温度/℃620~650650~680630~650740~760 680~700 760~790 650~680 580~690 在电站、核动力装置、石化加氢裂化装置、合成化工容器及其他高温加工设备中，耐热钢的应用相当普遍。
耐热钢对保证高温高压设备长期工作的可靠性有重要的意义。
要求抗氧化和高温强度的运行条件下，各种耐热钢的极限工作温度如图3-33所示。
在不同的运行条件下，各种耐热钢允许的最高工作温度见表3-34。
在高压氢介质中，各种Cr-Mo钢的适用温度范围如图3-34所示。
《焊接手册》306 图3-33各种耐热钢的极限工作温度 《焊接手册》306 图3-34 高压氢介质中各种Cr-Mo钢的适用温度范围
1 钢种 高温高压蒸气常规炼油工艺合成化工工艺高压加氢裂化 表3-34不同的运行条件下各种耐热钢允许的最高工作温度 0.5Mo 500450410300 1.25Cr-0.5Mo1Cr-0.5Mo 550530520340 2.25Cr-1Mo1CrMoV 570560560400 最高工作温度/℃ 2CrMoWVTi5Cr-0.5Mo 9Cr-1Mo9CrMoV9CrMoWVNb 600 620 600 650 600 650 550 — 12Cr-MoV 680——— 18-8CrNi(Nb) 760750800750 为了提高耐热钢的热强性，可通过以下三种合金化方式实现强化：
(1)基体固溶强化加入合金元素强化铁素体基体，常用的Cr、Mo、
W、Nb元素能显著提高热强性。
其中，Mo、W的固溶强化作用最显著；Cr在wCr=1%左右的强化作用已很显著，继续增加Cr含量的强化效果不显著，但可提高持久强度。
(2)第二相沉淀强化在铁素体为基体的耐热钢中，强化相主要是合金碳化物（V4C3或VC、NbC、TiC等）。
沉淀强化作用可维持到0.7TM（TM为熔点,绝对温度），固溶强化效果在0.6TM以上显著减弱。
但碳化物种类、形态及其弥散度对热强性影响很大。
其中体心立方晶系的碳化物V4C3、NbC、TiC等最为有效；Mo2C在温度低于520℃时有一定沉淀强化作用；Cr7C3及Cr23C6在540℃左右已极不稳定而易于聚集。
(3)晶界强化加入微量元素（RE、
B、Ti+B等）能吸附于晶界，延缓合金元素沿晶界的扩散，从而强化晶界。
在能形成稳定合金碳化物的前提下，提高含碳量对热强性是有利的。
在Cr-Mo-V或Cr-Mo-W-V低合金钢中，V/C质量分数比为4时，V与C可全部结合成V4C3，且呈细小弥散分布，蠕变抗力和持久强度最高。
如果钢中同时存在V与Ti，当(V+Ti)/C=4.5~6时具有最高的热强性。
显然，碳和强碳化物形成元素的含量要有适宜的配合。
若钢中不存在强碳化物形成元素时，例如Mo钢或低Cr-Mo钢，提高含碳量不利于提高热强性。
因为这时形成的碳化物为Mo2C或Cr7C3不稳定而易于聚集长大，同时还减少Mo、Cr的固溶强化作用，所以热强性反而降低。
这种情况下，含碳量偏低一些有好处。
在低合金耐热钢中，Cr对热强性的影响比较复杂。
最佳Cr含量同钢中其他成分有关，也与试验温度有关。
例如Cr-0.5%Mo钢在595℃时，wCr在5%左右具有最大的蠕变抗力。
而Cr-1%Mo钢在595℃时，wCr在7.5%左右具有最大的蠕变抗力。
Cr-Mo-V钢在600℃时，wCr=1%~2%r即可得到最大的持久强度。
3.5.2珠光体耐热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、热影响区的硬化、软化，以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹。
如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。
2 1．热影响区硬化及冷裂纹珠光体耐热钢中的Cr、Mo元素能显著提高钢的淬硬性，这些合金元素推迟了冷却过程中的组织转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。
对于成分一定的耐热钢，最高硬度取决于奥氏体相的冷却速度。
在焊接热输入过小时，热影响区易出现淬硬组织；焊接热输入过大时，热影响区晶粒明显粗化。
淬硬性大的珠光体耐热钢焊接中可能出现冷裂纹，裂纹倾向一般随着钢材中Cr、Mo含量的提高而增大。
当焊缝中扩散氢含量过高、焊接热输入较小时，由于淬硬组织和扩散氢的作用，常在珠光体耐热钢的焊接接头中出现冷裂纹。
可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围，加上适当的预热、后热措施，来避免产生焊接冷裂纹。
实际焊接生产中，正确选定预热温度和焊后回火温度对防止冷裂纹是非常重要的。
2．再热裂纹珠光体耐热钢再热裂纹取决于钢中碳化物形成元素（Mo、V等）的特性及其含量。
再热裂纹出现在焊接热影响区的粗晶区，与焊接工艺及焊接残余应力有关。
这种裂纹一般在500~700℃的敏感温度范围形成，裂纹倾向还取决于热处理制度。
采用大热输入的焊接方法时，如多丝埋弧焊或带极埋弧焊，在接头处高拘束应力作用下，焊层间或堆焊层下的过热区易出现再热裂纹。
珠光体耐热钢中的Mo含量增多时，Cr对再热裂纹的影响也增大，如图3-35所示。
Mo的质量分数从0.5%增加至1.0%时，再热裂纹敏感性最大的Cr的质量分数从1.0%降低至0.5%。
但钢中如有质量分数为0.1%的V元素时，即使wMo=0.5%，再热裂纹倾向也很大。
《焊接物理冶金》P167 图3-35合金元素对钢材再热裂纹敏感性的影响 a)Cr、Mo含量对再热裂纹的影响(600℃×2h)1—1Mo2—0.5Mo3—0.5Mo-0.1Vb)Cr、Mo、V对再热裂纹的影响 碳元素在1Cr-0.5Mo钢中对再热裂纹敏感性的影响见图3-36，可以看出，随着钢中V含量增加，碳的影响也加剧。
图3-37是
V、Nb、Ti对再热裂纹敏感性的影响，其中V的影响最显著。
《焊接物理冶金》P168 图3-36碳元素对再热裂纹的影响（600℃×2h，炉冷）1—1Cr-0.5Mo-(0.08~0.09)V2—1Cr-0.5Mo-(0.04~0.05)V
3 《焊接物理冶金》P168 图3-37V、Nb、Ti对再热裂纹的影响（600℃×2h，炉冷） ●▲■—0.6Cr-0.5Mo-
V、Nb、Ti ○△□—1Cr-0.5Mo-
V、Nb、Ti 防止再热裂纹的措施如下：1)采用高温塑性高于母材的焊接材料，限制母材和焊接材料的合金成分，特别是要严格限制
V、Ti、Nb等合金元素的含量到最低的程度；2)将预热温度提高到250℃以上，层间温度控制在300℃左右；3)采用小热输入的焊接工艺，减小焊接过热区宽度，细化晶粒；4)选择合适的热处理制度、避免在敏感温度区间停留较长时间。
3．回火脆性铬钼耐热钢及其焊接接头在350~500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。
产生回火脆性的主要原因，是由于在回火脆化温度范围内长期加热后，
P、As、Sb、Sn等杂质元素在奥氏体晶界偏析而引起的晶界脆化；此外，与促进回火脆化的元素Mn、Si也有关。
因此，对于基体金属来说，严格控制有害杂质元素的含量，获得低回火脆性的焊缝金属须严格控制P和Si含量，同时降低Si、Mn含量是解决回火脆性的有效措施。
2.25Cr-1Mo耐热钢是近年来在电力、石油化工行业广泛应用的钢种。
这种钢具有良好的抗氢腐蚀、抗回火脆化、抗再热脆化等性能。
2.25Cr-1Mo钢抗回火脆性的特点如下：1)是否脆化，可用回火前后冲击试验韧脆转变温度的变化加以比较。
2)含有
P、Sb、Sn、As等杂质元素的低合金钢，在375~575℃温度区间长时间加热易发生脆化。
脆化试样的冲击断口是从原奥氏体晶界起裂的。
发生脆化的钢加热到某一温度以上，韧性可得到恢复。
3)除上述杂质元素外，Mn、Si、Cr、Ni也加剧脆化，而Mo、W可推迟脆化过程。
4)化学成分相同的钢，其脆化程度随着组织不同依如下顺序减小：马氏体、贝氏体、珠光体。
若奥氏体晶粒粗大，其脆化程度也大。
焊缝金属回火脆化的敏感性比锻、轧材料更大，因为焊接材料中的杂质难以控制。
一般认为要获得低回火脆性的焊缝金属必须严格控制P和Si的含量，通过俄歇电子能谱观察到P在晶界上的偏析，而且偏析的浓度与Si含量有关。
研究还发现Si和P在晶界上形成Si-P复合物，促使晶界脆化，因此除了要严格限制杂质P的含量（wP≤0.015%）外，焊缝中Si含量要控制在质量分数为0.15%以下。
3.5.3珠光体耐热钢的焊接工艺特点
4 珠光体耐热钢一般在预热状态下焊接，焊后大多要进行高温回火处理。
珠光体耐热 钢定位焊和正式施焊前都需预热，若焊件刚性大，宜整体预热。
焊条电弧焊时应尽量减 小接头的拘束度。
焊接过程中保持焊件的温度不低于预热温度（包括多层焊时的层间温 度），尽量避免中断，不得已中断焊接时，应保证焊件缓慢冷却。
重新施焊的焊接件焊前 仍须预热，焊接完毕应将焊件保持在预热温度以上数小时，然后再缓慢冷却。
焊缝正面 的余高不宜过高。
1．常用焊接方法和焊接材料
(1)
焊接方法焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极氩弧焊等 均可用于珠光体耐热钢的焊接。
但是，常用的焊接方法以焊条电弧焊为主，埋弧焊和电 渣焊也经常应用，气体保护焊和窄间隙焊也正在扩大应用。
钨极氩弧焊用于管道生产可以实现单面焊双面成形，但当母材
Cr的质量分数超过 3%时，焊缝背面应通氩气保护，以改善成形，防止焊缝表面氧化。
钨极氩弧焊具有超低 氢的特点，焊接时可以适当降低预热温度。
这种焊接方法的缺点是焊接效率低，生产中 往往采用钨极氩弧焊焊接根部焊道，而填充层采用其他高效率的焊接方法，以提高生产 率。
低合金耐热钢的管件和棒材可采用电阻压力焊、感应加热压力焊以及电阻感应焊。
这些焊接方法的优点是无需填充金属，但须严格控制焊接参数，才能获得优质的焊接接 头。
在焊接合金含量较高的耐热钢时，必须向焊接区吹送
Ar等保护气体，以保证接头 的致密性。
此外，局部加热往往导致Cr-Mo钢焊后产生低塑性组织，而需对接头作相应 的热处理。
(2)焊接材料的选用为了保证焊缝性能与母材匹配，具有必要的热强性，珠光体 耐热钢的焊缝成分应与母材相近，这与其他合金结构钢不同。
为了防止焊缝有较大的热 裂倾向，焊缝碳的质量分数要求比母材低一些（一般不希望低于
0.07%）。
实践中，若焊 接材料选择适当，焊缝的性能是可以和母材匹配的。
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及使用温度下的强度性 能应与母材相应的指标一致，或应达到产品技术条件提出的最低性能指标。
焊件如焊后 需经退火、正火或热成形等热处理或热加工，应选择合金成分或强度级别较高的焊接材 料。
珠光体耐热钢焊接材料的选用见表
3-35。
当需要将珠光体耐热钢和普通碳钢焊在
一 起时，一般选用珠光体耐热钢焊条或焊丝进行焊接。
钢号15Mo12CrMo 表3-35 珠光体耐热钢焊接材料的选用 焊条电弧焊 气体保护焊 埋弧焊(焊丝+焊剂) 焊条型号(牌号)焊丝型号(牌号) 牌号 型号 E5015-A1(R107) E5505-B1(R207) ER55-D2(H08MnSiMo) ER55-B2(H08CrMnSiMo) H08MnMoA+HJ350 H10CrMoA+HJ350 F5114-H08MnMoAF5114-H10CrMoA
5 氩弧焊焊丝型号(牌号)TGR50M(TIG)(H08MnSiMo)TGR50M(TIG)(H08CrMnSiMo) 15CrMo E5515-B2(R307) ER55-B2(H08Mn2SiCrMo) H08CrMoVA+HJ350 F5114-H08CrMoA 20CrMoE5515-B2—H08CrMoV— (R307) +HJ350 12Cr1MoV E5515-B2-V(R317) ER55-B2MnV(H08CrMnSiMoV) H08CrMoA+HJ350 F6114-H08CrMoV 12Cr2Mo E6015-B3(R407) ER62-B3(08Cr3MoMnSi) H08Cr3MoMnA+HJ350或SJ101 F6124H08Cr3MnMoA E5515-B3-VWB12Cr2MoWVB (R347) ER62-
G (08Cr2MoWVNbB) H08Cr2MoWVNbB +HJ250 F6111- H08Cr2MoWVNbB 10CrMo910 E6015-B3 — — — (R407) 10CrSiMoV7 E5515-B2-
V — H08CrMoV — (R317) +HJ350 注：气体保护焊的保护气体为
CO2或Ar+20%CO2或Ar+(1~5)%O2。
TGR55CM(TIG)(H08CrMnSiMo) H05Cr1MoVTiRE TGR55V(TIG)(H08CrMnSiMoV)TGR59C2M(TIG)(H08Cr3MoMnSi)TGR55WB(TIG)(H08Cr2MoWVNbB) (H05Cr2MoTiRE) (H05Cr1MoVTiRE) 控制焊接材料的含水量是防止焊接裂纹的主要措施之
一，而珠光体耐热钢所用的焊 条和焊剂都容易吸潮。
在焊接工艺要求中应规定焊条和焊剂的保存和烘干制度。
常用珠 光体耐热钢焊条和焊剂的烘干制度见表
3-36。
表3-36常用珠光体耐热钢焊条和焊剂的烘干制度 焊条、焊剂的型号(牌号) 烘干温度/℃ 烘干时间/h E5003-A1(R102),E5503-B1(R202),E5503-B2(R302) 150~200 1~
2 E5015-A1(R107),E5515-B1(R207),E5515-B2(R307), 350~400 1~
2 E5515-B2-V(R317),E6015-B3(R407),E5515-B3-VWB(R347) F5114(HJ350),F6111(HJ250) 400~450 2~
3 F7124(SJ101),F5123(SJ301) 300~350 2~
3 保存温度/℃ 50~80 127~150 120~150120~150 焊接在回火脆性温度区间长期工作的2.25Cr-1Mo耐热钢时，应选择具有低回火脆化倾向的焊接材料。
焊补缺陷或焊后不能进行热处理时，为了防止产生冷裂纹可采用奥氏体焊条（如E309-16、E309Mo-16等）。
采用奥氏体焊条时，焊前预热，焊后一般不进行回火处理。
奥氏体焊缝与母材线膨胀系数不同以及在高温下长期工作时有碳的扩散迁移，在交变温度下工作时易导致熔合区的开裂。
另外，长期高温工作还可能引起焊缝中的σ相脆化。
这些问题是采用奥氏体焊条时所要考虑的。
(3)预热及焊后热处理耐热钢的坡口加工可以采用火焰切割法，但切割边缘的淬硬层往往成为后续加工的开裂源。
为了防止切割边缘开裂，厚度15mm以上的Cr-Mo耐热钢板，切割前应预热150℃以上。
切割边缘应机械加工并用磁粉探伤检查是否存在表面裂纹；厚度在15mm以下的耐热钢板，切割前不必预热，切割边缘最好进行机械加工。
珠光体耐热钢焊接时，为了防止冷裂纹和消除热影响区硬化现象，正确选定预热温度和焊后回火温度是非常重要的。
生产中必须结合具体条件，通过试验来确定预热及焊后热处理温度。
预热温度的确定主要是依据钢的合金成分、接头的拘束度和焊缝金属的
6 氢含量。
母材碳当量大于0.45%、最高硬度大于350HV时，应考虑焊前预热。
珠光体耐 热钢的预热温度和焊后热处理见表3-37。
表3-37珠光体耐热钢的预热温度和焊后热处理 钢号 预热温度/℃ 焊后热处理温度/℃ 钢号 预热温度/℃ 焊后热处理温度/℃ 12CrMo15CrMo 200~250200~250 650~700670~700 12MoVWBSiRE12Cr2MoWVB① 200~300250~300 750~770760~780 12Cr1MoV 250~350 710~750 12Cr3MoVSiTiB300~350 740~760 17CrMo1V 350~450 680~700 20CrMo 250~300 650~700 20Cr3MoWV 400~450 650~670 20CrMoV 300~350 680~720 Cr2.25Mo 250~350 720~750 15CrMoV 300~400 710~730 注：①12Cr2MoWVB
气焊接头焊后应正火+回火处理，推荐：正火1000~1030℃+回火760~780℃。
后热去氢处理是防止冷裂纹的重要措施之
一。
氢在珠光体中的扩散速度较慢，一般焊后加热到250℃以上，保温一定时间，可以促使氢加速逸出，降低冷裂纹的敏感性。
采用后热处理可以降低预热温度约50~100℃。
焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是改善焊接区组织和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，降低焊缝及热影响区硬度等。
3.6低温钢的焊接通常把-10~-196℃的温度范围称为“低温”（我国从-40℃算起），低于-196℃（直到 -273℃）时称为“超低温”。
低温钢主要是为了适应能源、石油化工的需要而迅速发展起来的一种专用钢。
低温钢要求在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，同时应具有良好的加工性能，主要用于制造-20~-253℃低温下工作的焊接结构，如贮存和运输各类液化气体的容器等。
3.6.1低温钢的分类、成分及性能
1．低温钢的分类
(1)按使用温度等级分类分为-10~-40℃、-50~-90℃、-100~-120℃和-196~-273℃等级低温钢。
(2)按合金含量和组织分类分为低合金铁素体低温钢、中合金低温钢和高合金奥氏体低温钢。
(3)按有无镍、铬元素分类分为无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢。
(4)按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。
常用低温钢的类型及使用温度范围如图3-38所示。
《金属焊接性》53
7 图3-38低温钢类型及使用的温度范围
2．低温钢的化学成分和组织低温用钢包括的钢种很广泛，从低碳铝镇静钢、低合金高强钢、低Ni钢，一直到wNi=9％i的钢。
常用低温钢的温度等级和化学成分见表3-38。
(1)低合金低温钢（无Ni低温钢）铝镇静Si-Mn低温钢是先用Si、Mn进行脱氧，再用铝进行强烈脱氧的优质钢种。
为了提高韧性，从成分上采取了降低碳含量和提高Mn/C比（Mn/C>11）的措施。
该钢正火处理或淬火+回火处理可细化晶粒，明显提高其低温韧性，多用于-40℃以上的结构。
低合金铁素体低温钢是在Si-Mn优质钢基础上，加入少量合金元素（如Nb、
V、Ti、Al、Cu、RE等）得到的低温钢（σs≥441MPa），组织为铁素体加少量珠光体。
其中Mn、Ni以及能促使晶粒细化的微量元素都有利于提高低温韧性。
为了保证良好的综合力学性能和焊接性，一般要求低C和低
S、P。
这种钢具有高的塑性和韧性，多用于-50℃以上的结构，如Q345、09MnTiCuRE、06AlCuNbN等。
(2)中合金低温钢（含Ni低温钢）合金元素总的质量分数为5%~10%，其组织与热处理工艺有关。
其中5Ni钢（wNi=5%）、9Ni钢（wNi=9%）是典型的中合金低温钢。
8 表3-38 常用低温钢的温度等级和化学成分（质量分数） （%） 分温度等级 组织 类/℃钢号状态CMnSiVNbCuAlCrNi其他 -40 Q345 正火≤0.201.20~1.600.20~0.60 — — — — — — — 09Mn2VRE正火 1.40~1.800.20~0.500.04~0.10 — — — — — — -70 ≤0.12 无 09MnTiCuRE正火 1.40~1.70 ≤0.40 — Ti — 0.20~0.40 — — — 0.30~0.80 镍 低 -90 06MnNb 正火≤0.071.20~1.600.17~0.37 — 0.02~0.04 — — — 温 -100 06MnVTi正火≤0.071.40~1.800.17~0.370.04~0.10 — — 0.04~0.08 — 钢 -105 06AlCuNbN正火≤0.080.80~1.20 ≤0.35 — 0.04~0.080.30~0.400.04~0.15 — RE*0.15 — — — — —N 0.010~0.015 N0.03~0.08 -196 26Mn23Al固溶0.1~0.2521.0~26.0 ≤0.50 0.06~0.12 — 0.10~0.200.7~1.2 — —
B 0.001~0.005 -253 15Mn26Al4固溶0.13~0.1924.5~27.0 ≤0.80 — — — 3.8~4.7 — — — 0.5NiA ≤0.140.70~1.50 0.30~0.70 1.5NiA 正火≤0.140.30~0.70 1.30~1.60 -60 1.5NiB 或 ≤0.180.50~1.500.10~0.300.02~0.050.15~0.50 ≤0.35 0.15~0.50≤0.251.30~1.70Mo≤0.10 2.5NiA 调质≤0.14 ≤0.80 2.00~2.50 2.5NiB ≤0.18 ≤0.80 2.00~2.50 含 -100 镍 3.5NiA 正火≤0.14 或 ≤0.80 0.10~0.300.02~0.050.15~0.50 ≤0.35 0.10~0.50≤0.253.25~3.75 — 3.5NiB 调质≤0.18 低温-120~钢-170 淬火 5Ni +回≤0.12 ≤0.80 0.10~0.300.02~0.050.15~0.50 ≤0.35 0.10~0.50≤0.254.75~5.25 — 火 淬火 -196 9Ni +回≤0.10 ≤0.80 0.10~0.300.02~0.050.15~0.50 ≤0.35 0.10~0.50≤0.258.0~10.0 — 火 -196~ Cr18Ni9 17.0~
1 — ≤1.0 9.0~11.0 -253 Cr18Ni9Ti固溶≤0.08 ≤2.0 — — — — 9.0 5wTiwC~0.8 -269 Cr25Ni20 ≤1.5 24~2619~22 — 注:*表示加入量。
9 Ni是发展低温钢的一个重要元素。
为了提高钢的低温性能，可加入Ni元素，形成含 Ni的铁素体低温钢，如1.5Ni钢（wNi=1.5%）、2.5Ni钢（wNi=2.5%）、3.5Ni钢（wNi=3.5%） 以及5Ni钢（wNi=5%）等。
在提高Ni的同时，应降低含碳量和严格限制
S、P含量及
N、
H、O的含量，防止产生时效脆性和回火脆性等。
这类钢的热处理条件为正火、正火+回火 和淬火+回火等。
5Ni钢通过化学成分调整和热处理控制组织，在-162~-196℃的低温下具有良好的低温 韧性。
若加入质量分数为0.25%的Mo，可增加析出奥氏体的数量并使之稳定化，还可起 到细化晶粒的作用。
采用淬火、回火和回复退火的热处理方法来控制组织，使5%Ni钢具 有高的强度、塑性和低温韧性。
9%Ni钢具有一定的回火脆性敏感性，并随着P含量的增 加而显著增加，因此应严格控制9%Ni钢中的P含量。
9%Ni低温钢由于Ni含量较高，具 有很高的低温韧性，能用于-196℃，比奥氏体不锈钢有更高的强度，适宜制造贮存液化气 的大型容器。
3．低温钢的力学性能 对低温钢的性能要求，首先应满足低温下的力学性能，特别是低温条件下的缺口韧性。
常用低温钢的力学性能见表
3-39。
表3-39常用低温钢的力学性能 钢号 热处理状态 试验温度/℃ 屈服强度 σs/MPa 抗拉强度 σb/MPa 伸长率δ5(%) Q345 正火 -40 ≥343 ≥510 ≥21 09Mn2V 正火 -70 ≥343 ≥490 ≥20 09MnTiCuRE 正火 -70 ≥343 ≥490 ≥20 06MnNb 正火 -90 ≥294 ≥432 ≥21 06AlCuNbN 正火 -120 ≥294 ≥392 ≥20 2.5Ni 正火 -50 ≥255 450~530
≥23 3.5Ni 正火 -101 ≥255 450~530≥23 5Ni 正火＋回火 -170 ≥448 655~790≥20 9Ni淬火＋回火-196≥517690~828≥20 -196 ≥585 690~828≥20 注：冲击吸收功为三个试样的平均值，*为U形缺口。
σs/σb 0.650.700.700.680.750.57~0.480.57~0.480.68~0.540.75~0.630.85~0.71 冲击吸收功AKV/J≥34*≥47*≥47*≥47*≥20.5≥20.5*≥20.5*≥34.5≥34.5≥34.5 这类钢须具备的最重要的性能是抗低温脆化。
在一些重要结构上，为了防止意外事故的发生，还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能，即一旦出现脆性破坏后可以停止继续破坏。
从安全角度考虑，希望低温钢的屈强比（σs/σb）不要太高，因为屈强比是衡量低温缺口敏感性的指标之
一。
屈强比越大，表明塑性变形能力的储备越小，在应力集中部位的应力再分配能力越低，从而易于促使脆性断裂。
对于低碳铝镇静钢，最低使用温度下的V形缺口冲击吸收功（纵向取样）保证值规定为20.5J；对于屈强比较高的低温钢，要提高到34.5J；对屈强比更高的调质钢，希望提高到47.0J。
无论是无Ni或含Ni的低温钢，在冲击韧性上都可以满足规定低温下的使用要求，但是无Ni低温钢的屈强比不如含Ni低温钢的屈强比高。
10 除了面心立方金属外（如奥氏体钢、铝、铜等），所有体心立方或六方晶格的金属均有低温脆化现象。
可以通过细化晶粒、合金化和提高纯净度等措施来改善铁素体钢的低温韧性。
Mn-Si系钢中各种氮化物细化奥氏体晶粒的效果如图3-39所示。
可见，Ti、Al、Nb等有很好的细化晶粒作用。
低温钢的含碳量不高，在常温下具有较好的塑性和韧性，冷或热加工均可采用。
铁素体低温钢的加工性能与低碳钢及低合金钢相近；奥氏体低温钢的加工性能与奥氏体不锈钢相近。
《金属焊接性》53 图3-39Mn-Si系钢中各种氮化物细化晶粒的效果 对于具有一定时效脆性敏感性和回火脆性敏感性的低温钢，须正确选择加工方法和工艺参数，控制冷卷、冷压及其他冷加工时的变形量，防止变形量过大而造成低温韧性下降。
具有一定回火脆性敏感性的钢种，回火后低温韧性明显下降，如06AlCuNbN钢经550~650℃回火后，在-100℃时的V形缺口冲击吸收功从151.9J急剧下降到17.6~9.8J。
因此应合理地选择回火温度和回火时间。
3.6.2低温钢的焊接性分析
1．无Ni低温钢的焊接性特点不含Ni元素的铁素体低温钢碳的质量分数约为0.06%~0.20%，合金元素总的质量分数≤5%，碳当量为0.27%~0.57%，焊接性良好。
由于碳当量不高，淬硬倾向较小，室温焊接时不易形成冷裂纹；钢中
S、P等杂质元素的含量较低，也不易产生热裂纹。
这类钢在用铝脱氧时形成了稳定的AlN，阻止了接头区脆化。
铁素体低温钢通过加入细化晶粒的合金元素（Ti、Al、Nb等）以及正火处理提高低温韧性，韧性指标一般能得到保证。
这类钢焊接性分析时应注意以下问题：1)严格控制焊接热输入和层间温度，目的是使接头不受过热的影响，避免热影响区晶粒长大，降低韧性。
2)控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。
板厚h>15mm的低温钢焊接结构，焊后应采用消除应力热处理。
含有
V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种，在进行消除应力热处理时，当加热温度处于回火脆性敏感温度区时会析出脆性相，使低温韧性下降。
应合理地选择焊后热处理工艺，以保证接头的低温韧性。
3)含氮的铁素体低温钢不仅对焊接热循环敏感，而且对焊接应力应变循环也很敏感，接头某些区域会发生热应变脆化，使该区的塑性和韧性下降。
热应变区的温度范围为200~600℃。
热应变量越大，脆化程度也越大。
采用小的焊接热输入可以减小热影响区的热塑性应变量，有利于减轻热应变脆化程度。
11 焊接这类钢时，通常板厚h<25mm不需预热，当板厚h>25mm或焊接接头拘束度较大时，应考虑预热，以防止产生焊接裂纹。
预热温度过高会使热影响区晶粒长大，在晶界可能析出氧化物和碳化物而降低韧性，所以预热温度一般在100~150℃，最高不超过200℃。
2．含Ni低温钢的焊接性特点含Ni较低的2.5%Ni和3.5%Ni低温钢，虽然由于Ni的加入提高了钢材的淬透性，但由于含碳量限制得较低，冷裂纹倾向并不严重，薄板焊接时可不预热，厚板焊接时需进行100℃预热。
含Ni高的9%Ni钢，淬硬性很大，在超过临界点的焊接热影响区得到的是淬火组织。
但由于含碳量很低，并采用了奥氏体焊接材料，因此冷裂纹倾向并不大。
9%Ni钢焊接性分析时应注意以下几个问题：1)正确选择焊接材料9%Ni钢具有较大的线膨胀系数，在选择焊接材料时，必须使焊缝与母材的线膨胀系数大致相近，以防止因线膨胀系数差异太大而引起焊接裂纹。
2)避免磁偏吹现象9%Ni钢是一种强磁性材料，采用直流电源时易产生磁偏吹现象，影响焊接质量。
一般做法是焊前避免接触磁场，选用适于交流电源焊接的焊条（如镍基合金焊条）。
3)严格控制焊接热输入和层间温度，避免焊前预热。
这样可避免接头过热和晶粒长大，保证接头的低温韧性。
焊接厚度50mm以下的9%Ni钢时不需要预热。
由于Ni能提高钢材的热裂纹倾向，因此焊接这类含Ni钢时要注意液化裂纹的问题。
在低温钢中由于含碳量和杂质
S、P的含量控制得都很严格，所以液化裂纹在这类钢中不很明显。
但仍须严格控制钢的化学成分，尤其是
S、P含量，否则可能出现焊接热裂纹。
钢中的S含量偏高，可形成低熔点共晶Ni-Ni3S2（644℃），P含量超标可能形成Ni-Ni3P2共晶（880℃），导致形成结晶裂纹。
含Ni钢中的另一个问题是回火脆性，为此要注意这类钢焊后回火时的温度和冷却速度的控制。
9%Ni钢是典型的低碳马氏体低温钢，含有较多的镍，具有一定的淬硬性。
焊前应进行正火后再高温回火或900℃水淬后再570℃回火处理，其组织为低碳板条马氏体。
这种钢具有较高的低温韧性，其焊接性能优于一般低合金高强钢。
板厚h<50mm的焊接结构可以不预热，焊后可不进行消除应力热处理。
对这类易淬火的低温钢通常采用焊前预热、控制层间温度及焊后缓冷等工艺措施，可降低冷却速度，避免淬硬组织，采用较小的焊接热输入，使热影响区的晶粒不至于过分长大，达到防止冷裂纹及改善热影响区韧性的目的。
3.6.3低温钢的焊接工艺特点低温钢焊接时，除了要防止出现裂纹外，关键是要保证焊缝和热影响区的低温韧性，这是制定低温钢焊接工艺的一个根本出发点。
解决热影响区韧性主要是通过控制焊接热输入，而焊缝韧性除了与热输入有关外，还取决于焊缝成分的选择。
由于焊缝金属是铸态组织，性能低于同样成分的母材，故焊缝成分不能与母材完全相同。
由于对低温条件的要求 12 不同，应针对不同类型低温钢选择不同的焊接材料和不同的焊接热输入。
焊接铝镇静钢时，可选择成分与母材相似的低碳钢和C-Mn钢焊条，焊缝性能在-30℃ 时具有足够的冲击韧性。
为了获得更好的低温韧性，可选用wNi=0.5%~1.5%的低镍焊条。
低Ni钢焊接时，所用焊条的Ni含量应与母材相同或高于母材，但并非Ni含量高的焊缝韧性一定好。
焊态下wNi>2.5%以后，焊缝中会出现粗大的板条贝氏体或马氏体，在这种情况下，C含量越高焊缝韧性下降越明显。
为了改善3.5%Ni钢焊缝的韧性，除了降低C含量和
S、P、O等含量外，应对焊缝中的Si和Mn含量加以限制。
因为Si、Mn高时会形成明显的条状组织，韧性差。
但是，Si、Mn含量太低，会导致焊缝含氧量增加。
另外，在3.5%Ni焊丝中添加微量Ti可细化晶粒，改善焊缝的低温韧性。
当焊缝Ni含量增加时，回火脆性也会增加，加入少量Mo有利于减小回火脆性。
9Ni钢具有优良的低温韧性。
但用与9Ni钢相似的铁素体焊材时所得焊缝的韧性很差。
这除了与铸态焊缝组织有关外，主要与焊缝中的含氧量有很大关系。
与9Ni钢同质的11Ni（wNi=11%）铁素体焊材，只有在钨极氩弧焊时才能获得良好的低温韧性。
因为此时能使焊缝金属的含氧量降低到与母材相同的0.005%以下。
采用奥氏体焊接材料时，热裂纹倾向随着焊缝中的Ni含量提高而增加。
热裂纹主要产生在焊缝的起始部和弧坑处。
一般情况下弧坑裂纹很难避免，尤其是在多层焊的根部焊缝和前几道焊缝中。
因此，应采取一些工艺措施来防止弧坑裂纹，如收弧时要注意填满弧坑等。
焊接9%Ni钢时，为了保证接头的低温韧性，应将热输入控制在10~35kJ/cm。
焊接坡口及坡口两侧10~20mm范围的水、油、锈、氧化皮等须清理干净。
装配好的工件应及时焊接。
焊接环境温度不得低于允许的最低施焊温度，通常不得在小于-5℃或-10℃温度下施焊。
雨天或天气十分潮湿（相对湿度在90%以上），遇有强风或风速在10m/s以上时，不得在现场施焊，除非采取适当的防护措施，如升温、防潮、防风等。
低温钢焊接时，焊条电弧焊和氩弧焊的应用较广，埋弧焊的应用受到限制，一般不采用气焊和电渣焊。
为使焊接接头具有良好的低温韧性，焊接热输入不能过大。
通常采用快速多道焊，并通过多层焊的再热作用细化晶粒，如焊接06MnNbDR低温钢时，层间温度不大于300℃。
1．低温钢的焊条电弧焊
(1)焊条的选用根据低温焊接结构的工作条件，所选焊条应使焊缝达到不低于母材经过焊接后的最低韧性水平。
承受交变载荷或冲击载荷的结构，焊缝金属应具有较好的抗疲劳断裂性能、良好的塑性和抗冲击性能。
接触腐蚀介质的结构，应使焊缝金属的化学成分与母材大致相同，或用能保证焊缝及熔合区的抗腐蚀性能不低于母材的焊条。
几种常用低温钢焊接材料的选用见表3-40。
焊接屈服强度大于490MPa的低温钢球罐时，焊条中wNi=1.72%和wMo=0.16%；焊接屈服强度大于588MPa的低温钢所用的焊条中 13 除了含Ni、Mo外，还含有少量的Cr。
钢号16MnDR09Mn2VDR06MnNbDR 表3-40 几种常用低温钢焊接材料的选用 状态 焊条电弧焊 型号 牌号 正火E5016-GE5015-
G J506RHJ507RH 正火E5015-GE5515-C1 W607AW707Ni 正火800~900℃空冷 E5515-C2 W907Ni 15MnNiDR09MnNiDR 正火正火或正火+回火 E5015-GE5015-
G W507RW707R 埋弧焊 焊丝 焊剂 H10Mn2AYD504A H08Mn2MoVAHJ250 — — —H10Mn2A或含Ni药芯焊丝 —YD507A
(2)焊接工艺要点16MnDR钢是制造-40℃低温设备用的细晶粒钢。
09Mn2VDR也 属细晶粒钢，正火状态下使用，主要用于制造-70℃的低温设备，如冷冻设备、液化气贮罐、 石油化工低温设备等。
06MnNbDR是具有较高强度的-90℃用细晶粒低温钢，主要用于制 造-60~-90℃的制冷设备、容器及贮罐等。
低温钢焊接要求采用较小的焊接热输入，选用的焊条直径一般不大于4mm。
对于开坡 口的对接焊缝、丁字焊缝和角接焊缝，为获得良好的熔透和背面成形，封底焊时应选用小 直径焊条，一般不超过3.2mm。
尽量用较小的焊接电流，以减小焊接热输入，保证接头有 足够的低温韧性。
低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数见表3-41。
横焊、立焊和仰焊时使 用的焊接电流应比平焊时小10%。
应采用多层多道焊，每一焊道焊接时采用快速不摆动的 操作方法。
表3-41 焊缝金属类型铁素体-珠光体型 Fe-Mn-Al奥氏体型 低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数 焊条直径/mm 焊接电流/A 3.2 90~120 4.0 140~180 3.2 80~100 4.0 100~120 焊接电压/V23~2424~2623~2424~25 应在坡口内擦划引弧，不允许工件表面有电弧擦伤。
避免采用慢速大幅度摆动的操作方法，通常采用快速直线焊。
在横焊、立焊和仰焊时，为保证获得良好的焊缝成形并与母材充分熔合，可作必要的摆动，可采用“之”字形运条方法，但应控制坡口两侧停留的时间。
收弧时要将熔池填满，避免产生较深的弧坑。
2．低温钢的埋弧焊
(1)焊材（焊丝和焊剂）的选择所用焊丝应严格控制C含量，
S、P含量应尽量低。
常选用烧结焊剂配合Mn-Mo或含Ni焊丝。
如采用C-Mn焊丝，应配合碱性非熔炼焊剂，通过焊剂向焊缝过渡微量Ti、B合金元素，可细化铁素体晶粒。
由于碱性焊剂所得焊缝的 14 含氧量低，可得到高韧性的焊缝，以保证焊缝金属的低温韧性。
低温钢焊接时也可采用中性熔炼焊剂配合含Mo的C-Mn焊丝或采用碱性熔炼焊剂配 合含Ni焊丝。
表3-42给出了常用低温钢埋弧焊时焊剂与焊丝的组合。
表3-42 钢号 16MnDR 09MnTiCuREDR09Mn2VDR、2.5Ni钢 3.5Ni钢 常用低温钢埋弧焊时焊剂与焊丝的组合举例 工作温度/℃ -40 -60-70-90 焊剂 SJ101、SJ603 SJ102、SJ603SJ603SJ603 配用焊丝H10MnNiMoA、 H06MnNiMoAH08MnA、H08Mn2 H08Mn2Ni2AH05Ni3A 对于2.5Ni钢、3.5Ni钢选用wNi=2.5%焊丝和wNi=3.5%焊丝。
9Ni钢一般选用镍基焊 丝Ni-Cr-Nb-Ti、Ni-Cr-Mo-Nb、Ni-Fe-Cr-Mo等。
低温钢用埋弧焊焊剂常采用碱性焊剂或 中性焊剂，以使焊缝金属具有良好的低温韧性。
(2)焊接工艺常用低温钢埋弧焊的焊接参数由表3-43给出。
埋弧焊的热量输入比 焊条电弧焊大，故焊缝及热影响区的组织也比焊条电弧焊的粗大。
为了保证焊接接头的韧 性，一般采用直流焊接电源（焊丝接正极）。
对于-40~-105℃低温钢，应将焊接热输入控制 在
20~25kJ/cm以下；对于-196℃低碳9Ni钢，应将焊接热输入控制在35~40kJ/cm以下。
温度级别/℃-40 -70 -196~-253 表3-43 低温钢埋弧焊的焊接参数 钢种 Q345(热扎或正火) 焊丝牌号 H08A 直径/mm2.05.0 焊剂HJ431 09Mn2V(正火)H08Mn2MoVA3.0HJ25009MnTiCuRe(正火) 20Mn23Al(热轧)Fe-Mn-Al焊丝4.0HJ17315Mn26Al4(固溶) 焊接电流/A 260~400750~820 320~450 400~420 焊接电压/V 36~4236~43 32~38 32~34 焊接低温用的低合金高强钢时，在保证焊缝具有足够的低温韧性的前提下，还要考虑到与母材相应的强度要求。
用于焊接这类钢的材料中除了含有质量分数为1%~3%的Ni外，还含有0.2~0.5%的Mo，有时还含有少量的Cr。
由于受焊接热输入的限制，低温钢焊接中一般不采用单面焊双面成形技术，通常采用加衬垫的单面焊技术。
对接接头坡口为单面V形或U形坡口。
先用焊条电弧焊或TIG焊封底，然后再用埋弧焊焊接。
第一层封底焊时，若出现裂纹必须铲除重焊。
为减小焊接热输入，通常采用细丝多层多道焊接，而且应严格控制层间温度，不可过热。
3．低温钢的氩弧焊
(1)钨极氩弧焊（TIG）低温钢TIG焊可填充焊丝，也可不填充焊丝。
一般采用直流正接法，主要用于焊接薄板和管子，以及进行封底焊接。
低温钢TIG焊的喷嘴直径为8~20mm；钨极伸出长度为3~10mm；喷嘴与工件间的距离为5~12mm。
焊接电流根据工件 15 厚度及对热输入的要求而定。
若电流过大，易产生烧穿和咬边等缺陷，并且使接头过热而 降低低温韧性。
焊接电压如增大较多，易形成未焊透，并影响气体保护效果。
手工
TIG焊时，应保持焊接速度均匀。
焊速过快，易造成未焊透，焊接过程不稳定； 焊速过慢，易形成气孔并使焊接接头过热，降低接头区低温韧性。
应在保证熔透、具有
一 定熔深且不影响气体保护效果的前提下，尽量采用较快的焊接速度，保证接头的韧性不降 低。
MIG
和TIG焊时，要选用质量分数为1.5%~2.5%的Ni焊丝。
氩弧焊常用的保护气体是纯氩气，还有Ar+He、Ar+O2、Ar+CO2等混合气体。
对于 C-Mn钢，可选用Ni-Mo焊丝，3.5Ni钢可选用4NiMo焊丝。
9Ni钢可选用镍基焊丝，如 Ni-Cr-Ti、Ni-Cr-NbTi、Ni-Cr-Mo-Nb等。
例如，9Ni钢贮罐板的立焊、仰焊，多采用自动 TIG焊法，而且是单面焊，背面不再清根。
9Ni钢采用高Ni合金焊丝自动TIG焊接头的力 学性能见表3-44。
表3-449Ni钢自动TIG焊接头的力学性能 焊丝70Ni-Mo-W60Ni-Mo-
W 板厚/mm 1524301524 焊接热输入/kJcm-1 35.344.434.947.83832.252.931509 焊缝金属 焊接接头 -196℃冲击吸收功AKV/J σb/MPa σSδ5σb断裂焊缝熔合区HAZ/MPa/%/MPa位置 738.9443.943728.1焊缝140 107 120 700.7380.241733.4 13570.5130 700.7380.242742.8熔合110 150 110 706.6358.739750.7 区 159 170 200 710.5475.344747.7焊缝113 115 143 686.9435.138735.0焊缝— — — 741.4385.141745.8 122 141 113 738.9575.334750.7焊缝97 120 170 714.4441.939743.8 107 122 172 自动TIG焊立焊的焊接参数为：焊丝φ1.2mm，焊接电流200~250A，焊接电压11~13V， 焊接速度3~5cm/min，氩气流量40L/min。
单面焊时，焊接电流200~240A，焊接电压11~13V, 焊接速度4.3~5cm/min,氩气流量40L/min，焊接热输入32.2kJ/cm。
(2)熔化极氩弧焊（MIG）应控制焊接热输入不宜太大。
MIG焊对熔池的保护效果 要求较高，保护不良时焊缝表面易氧化，故喷嘴直径及氩气流量比TIG焊大。
常用的喷嘴 直径为22~30mm，氩气流量为30~60L/min。
若熔池较大而焊接速度又很快时，可采用附 加喷嘴装置，或用双层气流保护，也可采用椭圆喷嘴。
根据焊接热循环对母材的敏感程度、熔滴过渡形式决定焊接电流和焊接电压的大小， 同时应考虑工件厚度、坡口形式、焊接位置等。
为获得优良的低温钢焊接接头，要合理地 控制焊接热输入，焊丝直径一般在
3mm以下。
9Ni低温钢MIG焊的焊接参数见表3-45。
熔滴过渡形式焊丝直径/mm 表3-459Ni低温钢MIG焊的焊接参数 短路过渡 滴状过渡 0.8 1.2 1.2 1.6 射流过渡 1.2 1.6 16 氩气流量/L•min-1焊接电流/A焊接电压/V 1565~10021~24 1580~14021~25 20~25170~24028~34 20~25190~260 28~34 20~25220~27035~38 20~25230~30035~38 MIG焊时要选择适当的焊接参数，以获得所需要的熔滴过渡形式（多采用射流过渡），使焊缝成形良好、熔深合适。
在各种不同位置进行多层多道焊时，应注意各层焊道的合理布置和焊接顺序，根部焊道的焊接参数不同于中间焊道和盖面层焊道。
为保证根部焊道的质量，可采用控制焊炬与工件夹角及摆动焊炬的方法进行焊接。
思考题
1.分析热轧钢和正火钢的强化方式及主强化元素有什么不同。
二者的焊接性有何差异，在制定焊接工艺时应注意什么问题。
2.分析16Mn的焊接性特点，给出相应的焊接材料及焊接工艺要求。
3.16Mn与15MnTi的焊接性有何差异？16Mn的焊接工艺是否适用于15MnTi的焊接，为什么？
4.低合金高强钢焊接时，选择焊接材料的原则是什么？焊后热处理对选择焊接材料有什么影响？
5.分析低碳调质钢焊接时可能出现什么问题？简述低碳调质钢的焊接工艺要点。
典型的低碳调质钢（如14MnMoNiB、HQ70、HQ80）的焊接线能量应控制在什么范围？在什么情况下要采取预热措施，为什么有最低预热温度的要求，如何确定最高预热温度？
6.低碳调质钢和中碳调质钢都属于调质钢，他们的焊接热影响区脆化机制是否相同？为什么低碳调质钢在调质状态下焊接可以保证焊接质量，而中碳调质钢一般要求焊后进行调质处理？
7.比较16Mn、T-1钢、2.25Cr-1Mo和30CrMnSiA的冷裂、热裂和再热裂纹的倾向。
8.同一牌号的中碳调质钢分别在调质状态和退火状态进行焊接时，焊接工艺有什么差别？为什么低碳调质钢一般不在退火状态下进行焊接？
9.珠光体耐热钢的焊接性特点与低碳调质钢有什么不同？珠光体耐热钢选用焊接材料的原则与强度用钢有什么不同，为什么？10.低温钢用于－40℃和常温下使用时，在焊接工艺和焊接材料选择上是否应该有所差别？为什么？11.某厂制造直径φ6m的贮氧容器，所用的钢材为16MnR，板厚32mm，车间温度为20℃，分析制定筒身及封头内外纵缝和环缝的焊接工艺：1)可采用哪几种焊接方法？2)给出相应的焊接材料；3)指出其焊接工艺要点。
12.通过本章学习，归纳在确定钢材焊后是否需要进行后热处理以及确定后热处理温度时应考虑哪些问题？ 17
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