高合金耐熱鋼與中低合金耐熱鋼相比，具有獨特的物理性能。表1-9列出馬氏體、鐵素體、奧氏體和彌散硬化型高合金耐熱鋼的典型理化性能數(shù)據(jù)。對焊接產(chǎn)生較大影響的物理性能有熱膨脹系數(shù)、熱導率和電阻。由表中數(shù)據(jù)可見，與碳鋼相比，奧氏體耐熱鋼的熱膨脹系數(shù)較高，將引起較大的焊接變形，而各種高合金耐熱鋼的熱導率均較低，要求采用較低的焊接熱輸入。
奧氏體耐熱鋼的另一重要特性是非磁性（磁導率1.02)。但冷作加工可提高強度和磁導率。鐵素體和馬氏體型耐熱鋼的磁導率為600~1100,彌散硬化型耐熱鋼的磁導率在100以下。
這四類高合金耐熱鋼的焊接性因其金相組織的不同而異。馬氏體型耐熱鋼的焊接性主要因高的淬硬性而惡化；鐵素體型耐熱鋼焊接時，由于不發(fā)生同素異構轉變，導致重結晶區(qū)晶粒長大，結果使接頭的韌性降低；奧氏體型耐熱鋼焊接的主要問題是熱裂傾向較高；而彌散硬化型耐熱鋼的焊接特性與彌散過程中的強化機制有關。
1. 馬氏體型高合金耐熱鋼的焊接特性
馬氏體耐熱鋼基本上是Fe-Cr-C系合金。通常碳在11%~18%范圍內(nèi)。為提高其熱強性還加入鉬、釩等合金元素這些鋼幾乎在所有的實際冷卻條件下均轉變成馬氏體組織。馬氏體耐熱鋼由于含有足夠數(shù)量的鉻，使其自820℃以上溫度冷卻時具有空淬傾向，而從960℃以上溫度淬火可達到最高的硬度。
對于高鉻耐熱鋼，鉻含量對鋼的焊接行為有明顯的影響。當鉻從11%增加到17%時，鋼的淬硬特性會發(fā)生重大變化。
當鋼的碳約為0.08%時，12%鉻鋼的焊接熱影響區(qū)為全馬氏體組織。而在15%鉻鋼中，由于鉻具有穩(wěn)定鐵素體的作用，可能阻止其完全轉變?yōu)閵W氏體而殘留部分未轉變?yōu)殍F素體。這樣在快速冷卻的熱影響區(qū)內(nèi)有一部分轉變?yōu)轳R氏體，其余為鐵素體。在馬氏體組織中存在軟的鐵素體降低了鋼的硬度和裂紋傾向。
馬氏體高鉻鋼可在退火、淬火，消除應力處理或回火狀態(tài)下焊接。當碳超過0.15%時，熱影響區(qū)的硬度急劇提高，冷裂紋敏感性加大，韌性下降。由于這種鋼的導熱性較低，導致熱影響區(qū)的溫度梯度更為陡降，加上組織轉變時的體積變化，可能引起較高的內(nèi)應力，從而進一步提高了冷裂傾向。
馬氏體耐熱鋼焊接接頭在焊后狀態(tài)的工作能力取決于熱影響區(qū)的綜合力學性能，包括硬度和韌性之間的合適匹配。但實現(xiàn)這點，往往是相當困難的。因此為保證馬氏體耐熱鋼焊接接頭的使用可靠性，通常總是規(guī)定做焊后熱處理。
2. 鐵素體型高合金耐熱鋼的焊接特性
鐵素體高合金耐熱鋼是一組低碳高鉻Fe-Cr-C合金。為阻止加熱時形成奧氏體，在鋼中可加入Al、Nb、Mo和Ti等鐵素體穩(wěn)定元素。普通鐵素體耐熱鋼焊接過熱區(qū)有晶粒長大傾向。使接頭的韌性和塑性急劇降低。為改善其焊接性，在降低碳含量的同時增加少量鋁，以阻止在高溫區(qū)內(nèi)奧氏體的形成和晶粒過分長大。但為獲得塑性較高的接頭，焊后仍需退火處理。
在某些鐵素體高鉻耐熱鋼中，820℃以上溫度可能形成少量的奧氏體。從高溫冷卻時，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，造成輕微的淬硬。因為鋼中只有一部分馬氏體，其余還是軟的鐵素體，而能經(jīng)受馬氏體相變應力。馬氏體主要在鐵素體的晶界形成，對接頭的塑性可能起不利的作用。對于這些鐵素體鉻鋼，焊后最好在760~820℃溫度范圍做退火處理。
3. 奧氏體型高合金耐熱鋼的焊接特性
奧氏體耐熱鋼與奧氏體系列不銹鋼具有基本相同的焊接特點。總的來說，這類鋼由于塑性和韌性較高，且不可淬硬，與低合金、中合金及高合金馬氏體和鐵素體耐熱鋼相比，具有較好的焊接性。奧氏體耐熱鋼焊接的主要問題有：鐵素體含量的控制、焊接熱裂紋、接頭各種形式的腐蝕和δ相的脆變等。
①. 鐵素體含量的控制。奧氏體耐熱鋼焊縫金屬中鐵素體含量關系到抗熱裂性、δ相脆變和熱強性能。從提高抗熱裂性出發(fā)，要求焊縫金屬中含有一定的鐵素體，但從防止δ相脆變和熱強性考慮，鐵素體含量越低越好。從焊接冶金和焊接工藝上妥善和合理地解決這一矛盾是奧氏體耐熱鋼焊接的核心技術。
②. δ相的脆變。鉻鎳奧氏體鋼和焊縫金屬在高溫持續(xù)加熱過程中會發(fā)生δ相的脆變。δ相的析出溫度范圍為650~850℃。
304不銹鋼在700~800℃溫度下，310S不銹鋼在800~850℃溫度下δ相析出的敏感性最大。310S不銹鋼在800℃以下加熱時，δ相的析出速度要慢得多，在900℃以上高溫下，δ相不再析出。在304不銹鋼中，當溫度超過850℃時，δ相不再析出。
焊縫金屬與軋制材料不同，在奧氏體組織內(nèi)總含有一定量的鐵素體。在高溫加熱過程中，鐵素體逐漸轉變?yōu)棣南唷ｋS著轉變溫度的提高，δ相傾向于球化。δ相亦能直接從奧氏體中析出，或者在奧氏體晶體內(nèi)以魏氏組織形式析出。
