珠光體鋼

珠光體鋼接頭在焊接過程中，特別是接頭處於熱處理及高温運行過程中，存在碳的擴散遷移，在低鉻鋼中產生脱碳層，而在相鄰的高鉻鋼一側產生增碳層，在高温下長時間加熱時，脱碳層母材由於碳元素減少，珠光體組織將變成鐵素體組織而軟化，同時促使脱碳層處的晶粒長大，沿熔合區生成一層粗晶粒的結晶層。

增碳層中的碳除熔入母材料以外，剩餘的碳元素則以鉻的碳化物形態析出而使組織軟化。

焊縫金屬中含鉻量從0.6%增加到5%時，對低碳鋼母材脱碳層寬度的影響最為顯著，而進一步提高鉻含量，則影響減少。當焊縫金屬中含鉻量提高到25% 時，脱碳層寬度顯著減小，同時也減小了焊縫金屬中增碳層的寬度。 珠光體母材中含一定量的碳化物形成元素( 如Cr、Ti、W、V、Nb等) ，能顯著減弱碳的擴散遷移。如果碳的遷移量過大，採用輕微腐蝕就能顯示出來。在顯微鏡下，碳的熱影響區存在白亮低碳帶，而在不鏽鋼焊縫金屬中存在暗色高碳區。

產生熱應力是影響接頭強度和產生熱疲勞的重要原因。奧氏體鋼線膨脹係數比珠光體鋼大30% ～ 50%，熱導率只有珠光體鋼的1 /3。 兩種材質的接頭，在焊後冷卻、熱處理以及使用中，都會在熔合區產生熱應力。熱應力是影響接頭強度和產生熱疲勞的重要原因。

珠光體鋼異種接頭在週期加熱和冷卻條件下工作時承受嚴重的熱交變應力，結果沿珠光體鋼一側熔合區產生熱疲勞裂紋，並沿着弱化了的脱碳層擴展，導致接頭強度和韌性較差 ^[1]  。

珠光體鋼焊接一般遵循如下原則選擇焊接材料：

(1) 能克服珠光體鋼對焊縫金屬稀釋作用帶來的不利影響。

(2) 抑制碳化物形成元素的不利影響，保證接頭使用性能，包括力學性能和綜合性能。 (3) 焊接接頭不產生冷、熱裂紋。

(4) 良好的工藝性能和較高的生產效率，儘可能降低成本。根據焊接接頭的預期使用條件，在考慮稀釋對焊縫金屬成分的影響後，選用合適的填充金屬。

中温作業，即使使用温度低於427 ℃時，一般不採用奧氏體不鏽鋼填充金屬，而用Ni-Cr-Fe 填充金屬。 多道焊時，根據各焊道的變化，可採用多種填充金屬。 Q235 鋼用於奧氏體不鏽鋼焊接的焊接材料。

採用不鏽鋼填充金屬時，為使珠光體側焊縫金屬中產生奧氏體加鐵素體組織，並減小熔合區，焊縫塑性降低，可在珠光體鋼坡口面先用含鎳量高的奧氏體焊條堆焊，然後加工，再用含鎳量低的奧氏體焊條焊接接頭，用於371 ℃以上條件的珠光體鋼與奧氏體鋼異種接頭，通常採用鎳合金作填充金屬。 這類填充金屬用於在温度週期變化中工作的過渡接頭，有下列的優點: 能容許多種母材稀釋而不產生對裂紋敏感的組織; 對碳的溶解度低，可減少碳從低合金鋼遷移到裂縫內部。 當選用的鎳合金填充金屬( 如ERNiCr-3) 的線膨脹係數接近於低合金鋼( 如2。 25Cr-1Mo) 母材時，焊縫界面處產生的應力比用奧氏體不鏽鋼填充金屬時小得多，同時界面處的金屬具有足夠的抗氧化能力和高的蠕變斷裂強度，可以保證使用中適宜的接頭等強性 ^[2]  。

焊接珠光體鋼在異種接頭時，為了降低熔合比，減少焊縫金屬被稀釋，應採用大坡口、小電流、快速、多層焊等工藝。 由於膨脹係數不同，藉助適當的系統設計和接頭佈置可改變應力分佈，長焊縫應分段跳焊。

異種奧氏體鋼焊接接頭熱處理工藝的選擇取決於鋼材的牌號、構件的形狀和工作條件。 不需要消除焊接應力和在中等温度條件下工作的一般耐熱鋼焊接時，可以不進行焊後熱處理。 對於製造要求和使用條件中規定要消除焊接應力的構件，則在800 ～ 850 ℃下作穩定化處理就足夠了。 對於在高温下工作的構件來説，焊接構件最好在1 100 ～1 150 ℃下做奧氏體化處理。 但如果要求抗晶間腐蝕時，奧氏體化處理温度就不要超過1 050 ℃。 如果焊接接頭中使用了彌散強化的奧氏體鋼，則焊後必須進行熱處理來恢復近縫區的性能，此時，熱處理工藝的選擇，通常按彌散強化鋼的要求進行。

珠光體鋼的焊條、預熱及焊後熱處理，如果被焊異種鋼中有淬硬性傾向大的鋼，就得進行適當的預熱。 淬硬性傾向大的珠光體鋼與奧氏體鋼異種接頭還需焊後熱處理，以防出現淬硬組織，降低焊接殘餘應力和防止出現冷裂紋，由於上述焊接接頭在熔合區產生脆化和擴散層，尤其在焊接大厚度剛性構件時，焊件在回火處理或以後使用的過程中可能出現熔合區脆斷。 為此，可用高鎳焊條先在珠光體鋼坡口面堆焊，然後在焊接。 由於珠光體鋼與奧氏體鋼膨脹係數不同，焊後在接頭處產生很大的殘餘應力，可藉助適當的系統設計和接頭佈置減小作用於接頭的外載荷，需要時可以增加過渡層 ^[2]  。

珠光體鋼焊接接頭分為焊縫區、熔合區和熱影響區三個主要特徵區。 採用奧氏體鋼焊條時，焊縫組織為奧氏體加少量的骨架狀鐵素體。 熔合區為針狀組織和不易被腐蝕出來的“白亮”帶; 靠近熔合區為具有粗大組織的熱影響區。 顯微硬度測試表明: 熔合區為一個高硬度區。

珠光體鋼焊縫金屬的稀釋程度受焊接方法、接頭形式、焊接工藝參數( 焊接電流、焊接速度) 、預熱温度、焊工操作技術等因素影響。 由於稀釋、電弧對流和機械攪拌等作用，焊縫金屬是奧氏體鋼焊條與珠光體母材的均勻混合區。 不同的坡口形式和焊接工藝，母材對填充金屬的稀釋程度也不一樣。

焊接金屬的化學成分可以根據填充金屬、母材成分和熔合比來計算。 焊縫組織可以根據舍夫勒焊縫組織圖預測。 實際上，焊縫中間部位與焊縫邊緣的化學成分有很大的差別，熔池邊緣靠近固態母材處，液態金屬的温度較低、流動性差，液態停留時間較短，受到機械攪拌作用比較弱，是一個滯留層。 該處熔化的母材與填充金屬不能充分地混合，而且越靠近熔合區，母材成分所佔比例越大。

珠光體鋼焊縫中Cr、Ni 元素向熔化的母材中擴散，以及母材中碳元素由於受Cr 的親和作用向焊縫中擴散，最終形成一個合金元素濃度梯度。 20 號鋼與Cr25Ni20 ( A402) 熔合區附近，合金元素的成分分佈。 因焊縫中的Cr、Ni 含量較高，達到了Schaffler 焊縫組織圖中單相奧氏體要求的含量，使得奧氏體組織融合過渡區中的Cr、Ni 不足以形成單相奧氏體，快速冷卻時可能形成脆性馬氏體組織。

Cr5Mo 鋼與Cr25-Ni13( A302) 熔合區附近合金元素的成分分佈。 這種合金元素濃度的變化必然引起組織變化，形成一個稱為熔合區的過渡區。 該過渡區雖然很窄，但對焊接接頭的力學性能有重要影響。

奧氏體焊縫與低碳鋼焊接熔合區兩側在焊態及經過高温加熱處理後C、Cr 元素的電子探針分子結果。 顯然，經過6 000 ℃ × 100 h高温加熱處理後，在焊接熔合區靠近焊縫金屬一側的碳含量顯著增加，使熔合區附近的組織性能發生明顯變化，尤其是衝擊性降低。

Cr 是強碳化物形成元素，碳原子沿着激活能較低的晶體邊緣由焊縫擴散遷移到熔合區後，有C 元素形成穩定的碳化合物Cr23C6。 由於熔合區的碳化物溶解和隨後向焊縫空隙擴散進行的較慢，從而形成明顯的脱碳層。 提高焊縫中的鉻含量或鐵素體化元素的含量將促使脱碳層的寬度增加。

Ni 是奧氏體化元素，會增大碳的活度係數，降低碳化物的化學穩定性，並消弱碳化物形成元素對碳的結合能力。 熔合過渡區的寬度主要受焊接工藝和填充金屬中化學成分的影響，如採用大電流和高Ni 含量的焊條就能夠減小熔合區的寬度，特別是馬氏體層的寬度 ^[2]  。

珠光體鋼的異質接頭在425 ℃以下工作時，採用25-13 型填充金屬焊接的接頭性能良好; 在425 ℃以上工作時，熔合區靠近珠光體易側產生脆性帶，導致接頭沿熔合線斷裂，所以當珠光體鋼與奧氏體鋼的異質接頭在425 ℃以上或在温度、壓力變化較大的環境下工作時，要採用鎳含量大於25% 的填充金屬( 如A507) ，甚至採用純Ni 基填充金屬，將熔合區的低塑性帶的寬度降低至最小，保證接頭的強度和耐蝕性能 ^[3]  。