低合金高強鋼的焊接裂紋分析

1、PAGE PAGE 19一 緒 論1.1 焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，焊接結(jié)構(gòu)在許多行業(yè)和領(lǐng)域，如汽車制造、石油化工、壓力容器、礦山機械、船舶制造、起重設(shè)備、航空航天、建筑結(jié)構(gòu)、核動力設(shè)備等得到廣泛應(yīng)用。所謂的焊接結(jié)構(gòu)就是以金屬材料的板材，型材，鑄件以及鍛件為基本元件，用焊接連接起來的金屬結(jié)構(gòu)。近年來，在工業(yè)發(fā)達的國家，焊接結(jié)構(gòu)的用鋼量已占工業(yè)總用鋼量的50左右，焊接結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量及用鋼量占工業(yè)總用鋼量的比例已經(jīng)成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。中國早在2004年時，焊接結(jié)構(gòu)的用鋼量已經(jīng)突破了1億噸，成為世界最大的焊接制造國。目前，在我國許多行業(yè)的制造工廠，如造船廠、鍋爐廠、車輛廠、礦山機械廠、

2、石化機械廠、起重機廠等都建有專門的焊接生產(chǎn)車間，負責本企業(yè)有關(guān)焊接結(jié)構(gòu)的制造工作。自改革開放以來，我國利用焊接技術(shù)完成了許多具有標志性的重大工程，如長江三峽水電站、南水北調(diào)工程、西氣東輸管道工程等，在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。隨著焊接技術(shù)向機械化，自動化方面的發(fā)展。一方面，將大大減輕工作者的勞動強度，同時改善勞動環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率。另一方面，使焊接結(jié)構(gòu)自身的很多優(yōu)點將更加突出，進一步保證了焊接質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的安全性。所以焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍將日益擴大。1.2 焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點焊節(jié)結(jié)構(gòu)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用，是因為用焊接方法制造的金屬結(jié)構(gòu)與其他方法比有一系列的優(yōu)點。1）節(jié)省

3、金屬材料。2）生產(chǎn)周期短。3）通過焊接，可以很方便地實現(xiàn)多種不同形狀和不同厚度的鋼板（或其他金屬材料）的連接，甚至可以將不同種類的金屬材料連接起來。4）焊接結(jié)構(gòu)的剛性大，質(zhì)量輕。5）焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)一般不需要大型和貴重的機器設(shè)備。6）有些結(jié)構(gòu)，利用焊接結(jié)構(gòu)比軋制更方便和經(jīng)濟。7）焊接準備工作簡單。8）焊接接頭強度高。9）焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性大。10）焊接接頭密封性好。11）最適于制作大型或重型的，結(jié)構(gòu)簡單而且是單件小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。12）容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。13）成品率高。1.3 焊接結(jié)構(gòu)的不足焊接結(jié)構(gòu)的不足，集中表現(xiàn)在以下幾個方面：1）很多材料由于焊接工藝性差，不適宜制造焊接結(jié)構(gòu)。2）焊接結(jié)

4、構(gòu)具有較大的性能不均勻性。3）焊接結(jié)構(gòu)具有較大的焊接變形和應(yīng)力集中。4）焊接結(jié)構(gòu)的整體剛度大。據(jù)統(tǒng)計，焊接結(jié)構(gòu)所發(fā)生的各種事故中，除少數(shù)是由設(shè)計不當和產(chǎn)品運行不規(guī)范而造成的之外，絕大多數(shù)是由焊接裂紋而引起的斷裂?？梢姡鸭y是焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因。焊接裂紋是指在焊接應(yīng)力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。它具有尖銳的缺口和大的長寬比的特征。焊接裂紋是焊接生產(chǎn)中比較常見而且危害性十分嚴重的焊接缺陷，它不僅會造成廢品，而且可能釀成災難性事故。尤其壓力容器的破壞事故常常會造成巨大的損失。如1944年10月美國俄亥俄州的煤氣公司液化天然氣

5、貯罐發(fā)生連鎖式爆炸，造成大火，死亡達133人，經(jīng)濟損失680萬美元。1971年西班牙馬德里一臺5000立方米的煤氣罐發(fā)生爆炸而死傷15人。我國近年來也發(fā)生過一些壓力容器焊接結(jié)構(gòu)的斷裂事故，如1979年10月吉林液化石油氣廠發(fā)生的球罐爆炸事故造成很大的損失。由此可見，裂紋是危害最嚴重的焊接缺陷。這主要是因為裂紋兩端的缺口效應(yīng)造成了嚴重的應(yīng)力集中，很容易擴展而形成宏觀開裂或整體斷裂。因此，在焊接生產(chǎn)中，裂紋一般是不允許存在的。對焊接裂紋的研究，也就成為國內(nèi)外焊接工作者關(guān)注的課題。1.4 缺陷實例本次研究的課題是液化石油氣貯罐殼體與接管焊縫裂紋分析。已知：1、筒體材料為16MnR2、筒體內(nèi)徑3000

6、mm，筒體壁厚20mm, 封頭壁厚22mm3、設(shè)計壓力1.8MPa，工作溫度19504、介質(zhì)為液化石油氣筒體及封頭接管形式圖1-1所示：圖1-1 焊接接頭二 液化石油氣貯罐殼體與接管焊縫裂紋分析2.1 16MnR簡介16MnR是壓力容器用低合金鋼，應(yīng)用較廣。其化學成分表2-1中介紹表2-1 16MnR的化學成分鋼號CSiMnPS16MnR0.200.200.601.201.600.0350.035這種鋼在供貨不同厚度的材料時，力學性能是不同的，對于2022mm厚度的力學性能在表2-2表2-2 2022mm厚度的力學性能鋼號板厚/mm狀態(tài)拉伸性能彎曲180沖擊性能S溫度沖擊功AKVJ16MnR1

7、725熱軋或正火32549063520d=3a室溫27（橫向）這類鋼一般屬于熱軋鋼或正火鋼，含碳量較低，并含有一定的錳，Mn/S比值一般可以達到防止結(jié)晶裂紋的要求。只要C、S、P的含量不超標和不產(chǎn)生局部區(qū)域偏析，同時，對焊縫金屬中的C、S、P 進行嚴格控制，一般不存在熱裂紋問題。但是，由于鋼中加入了一定量合金元素，鋼的淬硬性增加，存在冷裂紋問題。同時，由于此焊件的焊接接頭是角接接頭，所以在焊接熱影響區(qū)或遠離熱影響區(qū)的母材上易產(chǎn)生層狀撕裂，而有些則是在焊趾或焊根處由冷裂紋引發(fā)而形成。2.2 該構(gòu)件產(chǎn)生冷裂紋的原因冷裂紋是指焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說在Ms溫度以下）時產(chǎn)生的裂紋。在由于焊

8、接裂紋所引發(fā)的事故中，由冷裂紋造成的事故約占90。大量研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷裂紋多產(chǎn)生于有淬硬傾向的低合金高強度鋼和中、高碳鋼的焊接接頭。裂紋大多在熱影響區(qū)，通常發(fā)源于熔合區(qū)，有時也出現(xiàn)在高強度鋼和鈦合金的焊縫中。冷裂紋形成的溫度大體在100100之間，具體溫度隨母材與焊接條件不同而異。宏觀上冷裂紋的斷口具有脆性斷裂的特征，表面有金屬光澤，呈人字形態(tài)發(fā)展。從微觀上看，裂紋多起源于粗大奧氏體晶粒的晶界交錯處。與熱裂紋單一的晶界斷裂不同，冷裂紋可以沿晶界擴展，也可以穿晶擴展，常常是晶間與晶內(nèi)斷裂的混合。冷裂紋有些出現(xiàn)在焊接過程中，但較多的是在焊后延續(xù)一段時間才產(chǎn)生的。延遲的時間可能是幾小時，幾天或十幾天

9、。一般把有延遲現(xiàn)象的裂紋叫做延遲裂紋?，F(xiàn)將冷裂紋的基本特征及產(chǎn)生范圍列于表2-3。表2-3 冷裂紋的基本特征及產(chǎn)生范圍裂紋名稱產(chǎn)生的位置敏感的溫度范圍裂紋走向產(chǎn)生范圍冷裂紋延遲裂紋熱影響區(qū)，少量在焊后在Ms點以下，發(fā)生在焊后放置一段時間后沿晶或穿晶中、高碳鋼，低、中合金鋼淬硬脆化裂紋熱影響區(qū)，少量在焊縫Ms點附近馬氏體不銹鋼低塑性脆化裂紋熱影響區(qū)及焊縫在400以下鑄鐵、堆焊硬質(zhì)合金另外，根據(jù)其分布特點，冷裂紋可歸納為四種類型，即焊道下裂紋、焊趾裂紋、焊根裂紋和橫向裂紋。16MnR在焊接時產(chǎn)生冷裂紋的原因主要是由于擴散氫、鋼種本身的淬硬傾向及焊接接頭所承受的拘束應(yīng)力三者共同作用的結(jié)果。（1）擴散

10、氫的影響 實驗證明，隨著焊縫中擴散氫含量的增加，冷裂紋率提高。例如，用含有較多有機物的焊條（如氧化鈦纖維素型）進行焊接，出現(xiàn)了大量的焊道下裂紋；而用低氫型焊條進行焊接時，則未出現(xiàn)或很少出現(xiàn)焊道下裂紋。在電弧氣氛中加入不同量的氫試焊的結(jié)果表明，焊道下裂紋率隨著加氫量的增加而上升。近年來，一些學者在顯微鏡下觀察彎曲試件的斷裂情況是時，還觀察到在裂紋尖端附近有氫氣泡析出。擴散氫的含量還影響延遲裂紋延遲時間的長短，擴散氫含量越高，延時越短。氫是呈原子狀態(tài)溶解在液體金屬中的，在連續(xù)冷卻金屬凝固和發(fā)生固態(tài)相變時溶解度將發(fā)生突變（如圖21A所示）。氫在相中的溶解度大大高于在相中的溶解度。在快冷時，就來不及在

11、轉(zhuǎn)變時析出，而以過飽和溶解的形式存在于相中。由于氫的擴散能力很強，隨著時間的延長過飽和的氫將不斷擴散，其中一部分擴散到金屬外部，另一部分則在金屬內(nèi)部遷移。氫在不同的晶格結(jié)構(gòu)中擴散能力不同，在相中的擴散能力比在相中高（圖2-1B）。因此，在發(fā)生轉(zhuǎn)變時氫的溶解度突降，而擴散能力突升，過多的氫必然通過熔合線向尚未轉(zhuǎn)變的熱影響區(qū)擴散。氫擴散到母材后，由于相中溶解大而擴散速度低，在快冷時就不可能繼續(xù)向母材內(nèi)部擴散，而聚集在熔合線附近形成高氫帶。在母材也發(fā)生了相變后，氫就以過飽和的形式殘留于馬氏體（或貝氏體）中，并擴散到應(yīng)力集中或晶格缺陷處結(jié)合成分子，形成了較高的局部應(yīng)力。加上熱應(yīng)力、組織應(yīng)力的共同作用，

12、就可能造成開裂。當熱影響區(qū)氫的濃度足夠高時，還將使馬氏體進一步脆化，而產(chǎn)生焊道下裂紋。（2）拘束應(yīng)力的影響 焊接接頭的拘束應(yīng)力包括接頭在焊接過程中因加熱不均勻所承受的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自身幾何因素所決定的內(nèi)應(yīng)力。一般它與氫的共同作用會使焊縫的冷裂紋產(chǎn)生延時現(xiàn)象。事實證實，冷裂紋的延時現(xiàn)象與充氫鋼定載拉伸時所表現(xiàn)出的延遲開裂特征一致，因而推斷二者有共同的內(nèi)在規(guī)律。充氫鋼定載拉伸時，當充氫量一定時，在一定的應(yīng)力作用下經(jīng)過潛伏期裂紋開始發(fā)生，在經(jīng)過一定的擴展時間后最終斷裂。應(yīng)力不同潛伏期與擴散期相應(yīng)變化，應(yīng)力越大，延時越短。若應(yīng)力達到一定（lc）時立即斷裂，沒有延時現(xiàn)象；當應(yīng)力低于一定值時，延時

13、無限延長，不發(fā)生開裂。氫致延時裂紋的特征與上述規(guī)律相同，其中潛伏期是裂紋形成的孕育階段，實際上是逐漸向開裂部位擴展、集中、結(jié)合成分子并形成一定壓力的過程。開始時氫的分布相對比較均勻，在熱應(yīng)力和相變應(yīng)力作用下金屬中出現(xiàn)一些微觀缺陷氫開始向缺陷前沿高應(yīng)力部位遷移。焊縫中氫的平均濃度越高，則遷移的氫數(shù)量越多，遷移的速度也越高。當氫聚集到發(fā)生裂紋所需要的臨界濃度時，便開始產(chǎn)生微裂。由于裂紋尖端的應(yīng)力集中，促使氫進一步向尖端高應(yīng)力區(qū)擴散，裂紋擴展。氫的擴散、聚集并達到臨界濃度都需要時間，這就形成了裂紋的延時特性。（3）鋼材淬硬傾向的作用 在快冷時，16MnR鋼在鐵素體析出后，余下的奧氏體就有可能轉(zhuǎn)變成高

14、碳馬氏體或貝氏體。馬氏體是典型的淬硬組織，這是由于間隙原子碳的過飽和，使鐵原子偏離平衡位置，晶格發(fā)生畸變所致。特別是在焊接條件下，近縫區(qū)的加熱溫度高達13501400，使奧氏體晶粒嚴重長大；當快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉(zhuǎn)變成粗大的馬氏體。脆硬的馬氏體在斷裂時所需的能量較低。因此，焊接接頭中有馬氏體存在時，裂紋易于形成與擴展。鋼材的淬硬傾向越大，熱影響區(qū)或焊縫冷卻后得到的脆硬組織馬氏體越多，對冷裂紋就越敏感。馬氏體對冷裂紋的影響除了其本身的脆性外，還與不平衡結(jié)晶所造成的較多晶格缺陷有關(guān)。這些缺陷在應(yīng)力作用下會遷移、集中，而形成裂源。裂源數(shù)量增多，擴展所需能量又低，必然使冷裂紋敏感性明顯增大。上述

15、三個要素的作用是相互聯(lián)系，相互制約的，不同條件下起主要作用的因素不同。如當擴散氫含量較高時，即使馬氏體的數(shù)量或拘束應(yīng)力比較小，也有可能開裂（如焊道下裂紋）。而當材料的碳當量較高而在接頭中形成較多的針狀馬氏體時，即使擴散氫很少甚至沒有，也會產(chǎn)生裂紋。2.3 該構(gòu)件產(chǎn)生層狀撕裂的原因?qū)訝钏毫咽侵负附訒r，在焊件構(gòu)件中沿鋼板軋層形成的呈階梯狀的一種裂紋。層狀撕裂多發(fā)生在軋制厚板的角接頭、T形接頭或十字接頭的熱影響區(qū)，以及其附近的母材中，有時亦見于厚板對接接頭。開裂沿母材軋制方向平行于鋼板表面擴展為裂紋平臺，平臺之間由與板面垂直的剪切壁鏈接而成階梯型。層狀撕裂產(chǎn)生的位置在焊接熱影響區(qū)或遠離熱影響區(qū)的母材

16、，有些在焊趾或焊根處由冷裂紋誘發(fā)而形成。其中工程中最常見的是熱影響區(qū)的層狀撕裂。層狀撕裂一般出現(xiàn)在鋼板內(nèi)部不容易發(fā)現(xiàn)，而且即使發(fā)現(xiàn)了修復也十分困難，因而一旦產(chǎn)生就會造成嚴重的損失。層狀撕裂屬于低溫開裂，但與冷裂紋有實質(zhì)上的不同。它的產(chǎn)生與鋼材的強度級別并無直接關(guān)系。無論是在哪個位置產(chǎn)生的層狀撕裂，在裂紋平臺部位常發(fā)現(xiàn)不同種類的夾雜物（硫化物、氧化物和硅酸鹽等），說明層狀撕裂的根本原因是鋼中存在夾雜物。16MnR是熱軋鋼，鋼在軋制過程中夾雜物被軋成片狀，平行于鋼板表面沿軋制方向分布。這種片狀夾雜物的存在，大大削弱了鋼板在厚度方向（Z向）的力學性能，特別是斷面收縮率（z）大大降低。液化石油氣貯罐殼

17、體與接管之間的焊接接頭是角接頭，在焊接是接頭的拘束條件以及沿板厚方向存在溫差，使焊縫收縮時會在母材厚度方向產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，同時還有工作載荷形成的應(yīng)力與之相加，它們就形成了層狀撕裂形成的力學條件。當應(yīng)變超過了金屬在Z向的變形能力時，夾雜物與金屬之間就會分離而形成微裂，應(yīng)力繼續(xù)作用，裂紋尖端沿夾雜物所在平面擴展，形成所謂的平臺。當平臺多出產(chǎn)生時，相鄰平臺之間由于不再一個平面上而因工作載荷發(fā)生切應(yīng)力，形成所謂的“剪切壁”?！凹羟斜凇睂⒉煌矫嫔系钠脚_連接起來，構(gòu)成了層狀撕裂特有的階梯型外觀?？梢哉J為層狀撕裂是由片狀夾雜物、Z向拘束應(yīng)力及母材Z向力學性能下降等因素綜合作用的結(jié)果。由此可知角接

18、接頭易形成層狀撕裂。2.4介質(zhì)和結(jié)構(gòu)對裂紋產(chǎn)生的影響高應(yīng)力和介質(zhì)中含有大量的H2S、H2O其中高應(yīng)力包括：罐體運行中的工作應(yīng)力和罐體焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。裂紋的產(chǎn)生，首先具有了由于H2S、H2O所創(chuàng)造的【H】源，在罐體內(nèi)表面產(chǎn)生腐蝕坑與氫致脆化層，而后，隨著蝕坑的加深及脆化層厚度的增加，在應(yīng)力的共同的作用下，蝕坑底部和邊緣將首先形成微裂紋，在裂紋前端將形成應(yīng)力集中，在應(yīng)力誘導下，氫將向裂紋前端的應(yīng)力集中區(qū)擴散濃集，當此部位氫的濃度達到臨界值時，在應(yīng)力的作用下，就會發(fā)生啟裂和微裂的相應(yīng)擴展。其后，氫又不斷向新的高應(yīng)力集中區(qū)擴散，這種過程可周而復始斷續(xù)進行，直至形成不連續(xù)的平行于焊縫的縱向宏觀裂紋。

19、同時，在縱向應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生“剪切壁”裂紋，使不連續(xù)的裂紋相連接，從而形成表面層狀撕裂狀態(tài)。另外，在裂紋向縱向擴展的同時，伸向母材厚度方向的裂紋尖端在應(yīng)力集中、電化學腐蝕的共同作用下，不斷向母材厚度方向擴展延伸。這一開裂過程可以認為是以應(yīng)力腐蝕特征開裂。三 對16MnR的焊接性分析總體來說，16MnR鋼的焊接性是很好的，但是由于它是高強度的，其強度越高，越易產(chǎn)生淬硬相，從而影響其焊接性。在焊接時，主要會出現(xiàn)以下幾方面問題： 3.1粗晶區(qū)脆化1）產(chǎn)生部位熱影響區(qū)中被加熱到1100 以上直至熔點以下的區(qū)域，即焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)。2）產(chǎn)生原因16MnR在焊接時，采用了過大的焊接線能量焊接，粗晶區(qū)

20、將因晶粒長大或出現(xiàn)魏氏組織等而降低韌性；線能量過小時焊接，會因為粗晶區(qū)組織中馬氏體比例的增大，降低了韌性。3）防止措施在焊接時，選用適當?shù)木€能量。3.2熱應(yīng)變脆化1）產(chǎn)生部位焊接接頭熔合區(qū)及最高加熱溫度低于Ac1的亞臨界熱影響區(qū)。2）產(chǎn)生原因16MnR屬于C-Mn系的低合金鋼，這類鋼自由氮含量較高，一般認為熱應(yīng)變脆化現(xiàn)象是由于氮、碳原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘軋作用引起的。一般易于在200-400最高加熱溫度范圍的亞臨界熱影響區(qū)產(chǎn)生。3）防止措施加入能形成N化物的元素，退火處理，16MnR經(jīng)6001h退火處理后，脆性轉(zhuǎn)變溫度大幅提高。3.3裂紋1）冷裂紋正火鋼由于含有少量的合金元素較多，淬

21、硬傾向有所增加。強度級別及碳當量較低的正火鋼，冷裂傾向還不大，但隨正火鋼碳當量及板厚的增加，其淬硬傾向也隨之增大。采取控制線能量，降低含氫量、預熱和及時后熱等措施可以防止冷裂紋的產(chǎn)生。2）熱裂紋正火鋼焊接時熱裂傾向一般比較小，但有時會在焊縫中出現(xiàn)熱裂紋，這與正火鋼C、S、P等有害元素含量偏多有關(guān)。減小母材在焊縫中的熔合比，增大焊縫形狀系數(shù)（即焊縫寬度與厚度之比），有利于防止焊縫金屬的熱裂紋。3）層狀撕裂具有角接頭或丁字接頭的厚板焊接結(jié)構(gòu)，在鋼材厚度方向承受較大的拉伸應(yīng)力時，可能沿鋼材軋制方向發(fā)生階梯狀撕裂，合理選擇層狀撕裂敏感性小的鋼材，改善接頭形式以減輕鋼板Z向所承受的應(yīng)力應(yīng)變，在滿足客戶使

22、用要求的前提下，選用強度較低焊接材料或預堆焊低強焊縫；采用預熱及降氫的措施，都有利于防止層狀撕裂。四 焊接工藝的擬定說明對于0.245kgfmm2 (440Nmm2)的低合金高強鋼，其熱影響區(qū)容易出現(xiàn)硬而脆的馬氏體組織，硬度明顯增加，塑性、韌性降低，抗應(yīng)力腐蝕性能惡化，冷裂紋傾向較大。因此，對每種鋼必須制定具體的焊接工藝，這里就施工注意要點作介紹如下：4.1選用焊材時應(yīng)按照等強度原則 一般選用強度相當?shù)暮覆?，但為了防止冷裂紋和熱影響區(qū)脆化，從提高接頭塑性和韌性的目的出發(fā)，有時也選擇強度略低于母材的焊材，稱為低匹配。盡量采用低氫型焊條，只有在強度較低或耐大氣腐蝕之類的抗拉強度在60kgfmm2

23、(590mm2)以下的薄板焊接時，才可選用其他類型焊條。4.2焊絲、焊劑的選擇焊絲和焊劑的正確選用及二者之間的合理配合，是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的關(guān)鍵，也是埋弧焊工藝過程的重要環(huán)節(jié)。所以必須按焊件的成分、性能和要求，正確、合理地選配焊劑和焊絲。在焊接低碳鋼和強度等級較低的合金鋼時，選配焊劑和焊絲通常以滿足力學性能要求為主，使焊縫強度達到與母材等強度，同時要滿足其他力學性能指標要求。在此前提下，即可選用下面兩種配合方式中的任何一種：用高硅高錳焊劑配合低碳鋼焊絲或含錳焊絲；用無錳高硅或低錳中硅焊劑配合低合金高強度鋼時，除要使焊縫與母材等強度外，還要特別注意提高焊縫的塑性和韌性，一般選用中錳中硅或低錳中硅焊劑

24、配合相應(yīng)鋼種焊絲。焊接低溫鋼、耐熱鋼時，選用的焊劑和焊絲首先要保證焊縫具有與母材相同或相近的耐低溫或耐熱、耐腐蝕性能，為此可選用中硅或低硅焊劑與相應(yīng)的合金鋼焊絲配合。焊接奧氏體不銹鋼等高合金鋼時，主要是保證焊縫與母材有相近的化學成分，同時滿足力學性能和抗裂性能等方面的要求。由于在焊接過程中，鉻、鉬等主要合金元素會燒損，應(yīng)選用合金元素含量比母材高的的焊絲；焊劑要選用堿度高的中硅或低硅焊劑，防止焊縫增硅而使性能下降。如果只有合金成分較低的焊絲，也可以配用專門的燒結(jié)焊劑或粘接劑焊接，依靠焊劑過渡必要的合金元素，同樣可以獲得滿意的焊縫成分和性能。在進行埋弧焊焊劑與焊絲的選配時，還應(yīng)考慮埋弧焊的工藝特點

25、和冶金特性。首先是稀釋率高的影響。在開I形坡口對接縫單道焊或雙面焊以及開坡口對接縫的根部焊道焊接時，由于埋弧焊焊縫熔透深度大，母材大量熔化，稀釋率可達70%。在這種情況下，焊縫金屬的成分在很大程度上取決于母材的成分，而焊絲的成分不起主要作用。因此選用合金元素含量低于母材的焊絲進行焊接，并不降低接頭的強度。例如Q345（16Mn）鋼開I形坡口對接接頭，可選用錳含量比母材比母材低的H08MnA焊絲和HJ431焊劑。其次是熱輸入高的影響。埋弧焊是一種高效焊接方法，為獲得高的熔敷率，通常選用大電流焊接，因此，焊接過程中就產(chǎn)生了高的輸入熱量，結(jié)果降低了焊縫金屬和熱影響區(qū)的冷卻速度，也就降低了接頭的強度和

26、韌性。因此在厚板開坡口焊縫填充焊道焊接時，應(yīng)選用合金成分略高于母材的焊絲并配用中性焊劑。第三還應(yīng)考慮焊接速度快的影響。埋弧焊一般的焊接速度為25m/h，最高的焊接速度可達100m/h以上。在這種情況下，焊縫良好的成形不僅取決于焊接參數(shù)的合理選配，而且也取決于焊劑的特性。硅鈣型、錳硅形及氧化鋁形焊劑的特性能滿足高速埋弧焊的要求。按照以上準則，結(jié)合實際情況，采用焊絲為4mm的H10Mn2，焊劑匹配為SJ101。4.3焊前進行預熱和焊后熱處理后熱就是焊接后立即對焊件的全部或局部進行加熱或保溫，使其緩冷的工藝措施。它不等于焊后熱處理，后熱有利于焊縫中擴散氫加速逸出，減少焊接殘余變形與殘余應(yīng)力，所以后熱

27、是防止焊接冷裂紋的有效措施之一，采用后熱還可以降低預熱溫度，有利于改善焊工勞動條件，后熱對于容易產(chǎn)生冷裂紋又不能立即進行焊后熱處理的焊件，更為現(xiàn)實有效。由于低合金高強度鋼的碳當量明顯高于低碳鋼，為了防止冷裂紋和熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，預熱往往是必須的；當使用氣體火焰進行預熱或去除焊接部位水分時，必須加熱到100以上，否則，在100以下加熱時，反而有可能吸附水分。為了防止冷速過快或因過熱而產(chǎn)生晶粒長大，保證層間溫度也是必要的，一般層間溫度的下限不低于預熱溫度，上限不能高于后熱處理溫度。層間溫度通常還應(yīng)等于或略低于預熱溫度，以保持預熱的作用并促進焊縫和熱影響區(qū)中氫的逸出。 后熱溫度一般為200350

28、，保溫時間與焊縫厚度有關(guān)，一般不低于0.5h。 溫度達到200以后，氫在鋼中大大活躍起來，消氫效果較好，后熱溫度的上限一般不超過馬氏體轉(zhuǎn)變終結(jié)溫度，而定為350。國內(nèi)外標準都沒有規(guī)定后熱保溫時間，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，提出不低于0.5h；當然保溫時間與焊縫厚度有關(guān)，厚度越大，保溫時間越長。 如焊后不立即進行一次熱處理，通常要進行一次后熱處理，以防止氫致延遲裂紋，后熱處理的溫度為200350，保溫26小時。4.4限制焊接工藝參數(shù)線能量對焊縫金屬的組織和性能有著較大的影響。線能量過小將增加淬硬傾向，甚至發(fā)生冷裂；線能量過大又會造成過熱，因此適當確定線能量的范圍是必要的。最好采用常規(guī)的窄道工藝施焊，以不

29、擺動為宜。當然，不推薦太快的焊速施焊，因為他會造成大量的硅和氧過渡到焊縫，使焊縫韌性下降；但也不允許焊速太慢，那樣會引起晶粒粗大，導致韌性大幅度下降。焊接操作以短弧、多層多道、適速、焊條不擺動為主。大多數(shù)用直流反極性施焊。4.5焊前準備工作1）焊絲表面的清理與焊劑、焊條的烘干為了避免產(chǎn)生延遲裂紋，應(yīng)該盡量減少焊縫金屬中的含氫量，因此，焊條和焊劑使用前必須進行充分烘干，以去除焊條和焊絲在保管過程中吸收的潮氣。對于低氫型焊條一般再烘干溫度為300400，最高可達450，焊縫金屬強度越高，裂紋傾向越大，對擴散氫的含量的限制越嚴，因此焊條再烘干溫度也應(yīng)該選擇上限，但烘干溫度過高，容易引起焊條藥皮中鐵合

30、金氧化及大理石分解而影響焊接質(zhì)量。一般只允許再烘干2次，多次烘干容易引起藥皮開裂，造成焊接時藥皮成塊脫落。包裝開封后4小時即需要再烘干，最好在使用過程中將烘干過的焊條放在手提保溫桶中，隨用隨取。焊劑在使用前烘干300350，保溫1h。埋弧焊用的焊絲也要嚴格清理，焊絲表面的油、銹及拔絲用的潤滑劑都要清理干凈，以免污染焊縫造成氣孔。2）焊機的檢查與調(diào)試焊前應(yīng)檢查接到焊機上的動力線、焊接電纜接頭是否松動，接地線是否連接妥當。另外對于埋弧焊焊機，導電嘴是易損件，一定要檢查其磨損情況和是否加持可靠。焊機要進行調(diào)試，檢查儀表指示及各部分動作情況，并按要求調(diào)好預定的焊接參數(shù)。3)焊前注意事項 焊前用磨光機把

31、坡口兩側(cè)20mm內(nèi)的鐵銹及污物打磨干凈，露出金屬光澤。清除破口附近的鐵銹及污物。最后用丙酮刷洗破口附近的油污，等丙酮完全揮發(fā)后才能焊接。 焊前焊劑要按規(guī)定的溫度進行烘干并保溫。 焊劑要保持潔凈，焊前把施焊部位清掃干凈，切忌把鐵銹等贓物混入焊劑中，影響焊縫質(zhì)量。保證工件的裝配質(zhì)量，切忌強行組對，造成應(yīng)力過大。啟動焊機前，應(yīng)再次檢查焊機和輔助裝置的各種開關(guān)、旋鈕等的位置是否正確無誤，離合器是否可靠結(jié)合。檢查無誤后，再按焊機的操作順序進行焊接操作。4.6附表一 焊接工藝指導書焊接接工藝指導書單位名稱： 河南機電高等?？茖W校材料系焊接工藝指導書編號： BYLW-01 日期： 2008.4.27 焊接工

32、藝評定報告編號： BYLW-02焊接方法： 手工電弧焊+自動埋弧焊 機械化程度： 手工+自動 焊接接頭： 角接頭 坡口形式： 帶鈍邊的單邊雙V形坡口其 他： 裝備間隙5mm母材類別號： 組別號1 與類別號： 組別號： 1相焊及標準號： GB6654，GB5681 鋼 號： 16MnR與標準號： GB6654，GB5681 鋼 號： 16MnR厚度范圍：母材：角焊縫 20mm22mm管子直徑、壁厚范圍：角焊縫 20mm22mm焊縫金屬厚度范圍：角焊縫 22mm23mm其 他： 接頭簡圖： 焊接材料：焊材類別焊條焊絲焊劑焊材標準GBT511895GBT529395GBT529395填充金屬尺寸5m

33、m4mm焊材型號E5015焊材牌號J507HH10Mn2SJ101其 他4mm或5mm，烘干溫度450470，保溫2h耐蝕堆焊金屬化學成分(%)CSiMnPSCrNiMoVTiNb0.120.771.501.900.0350.0350.200.15其他：焊接位置：對接焊縫位置： 焊接方向：（向上、向下）角焊縫的位置：平焊、仰焊 焊接方向：（向上、向下）向下預熱：預熱 () (允許最低值)：66層間溫度(oC)(允許最高值)：300保持預熱時間：加熱方式 ：氧乙炔焰加熱焊后熱處理：消氫處理溫度范圍（）：300400保溫時間（h）：2h保護氣體：氣體種類： 混合比： 流量（Lmin）：尾部保護氣體

34、： 背部保護氣體：電特性： 手弧焊（陡降地外特性） 埋弧焊（平地外特性）電流種類與極性： 手弧焊（直流反接） 埋弧焊（直流反接）焊接電流范圍： 手弧焊（160A180A） 埋弧焊（620A650A）電弧電壓范圍： 手弧焊（21V22V） 埋弧焊（33V34V）(按所焊位置和厚度,分別列出電流電壓范圍,記入下表)焊層焊接方法填充材料焊接電源電弧電壓（V）送絲速度（mh）焊接速度（mh）牌號直徑極性電流（A）1（定位焊）手弧焊J507H4mm反接17021222（外）手弧焊J507H5mm反接17021223（內(nèi)）手弧焊J507H5mm反接21021224埋弧焊H10Mn24mm反接6503334

35、5829.5鎢極類型及直徑： 噴嘴直徑： 焊絲送進速度（mh）：58 熔滴過渡形式：短路過渡技術(shù)措施：（擺動或不擺動）：不擺動 擺動參數(shù)：焊前清理和層間清理：坡口兩側(cè)50mm范圍內(nèi)應(yīng)嚴格祛除水、油、銹及贓物等；每焊完一層都要用手動砂輪仔細清理熔渣背面清跟方法：電弧氣刨單道焊或多道焊（每面）： 單絲焊或多絲焊：單絲導電嘴至工件距離(mm)： 錘擊：其他：選用技術(shù)熟練的焊工，嚴格按工藝規(guī)定操作編制日期審核日期批準日期注：對每一種母材與焊接材料的組合均需分別填表五 焊接工藝評定5.1焊接工藝評定說明依據(jù)JB47082008截取焊件試樣。方法：試件兩端各舍去25mm，然后沿試件橫向等分切取5個試樣。1

36、） 外觀檢查 試件接頭表面不得有裂紋，未熔合2） 金相檢驗（宏觀） 每塊試樣取一個面進行金相檢驗，任意兩檢驗面不得為同一切口的兩側(cè)面。將檢驗結(jié)果記錄下來。3） 無損探傷 按GB 3323規(guī)定進行射線探傷，記錄結(jié)果。4） 沖擊試驗 按GB 2106規(guī)定進行試驗，記錄結(jié)果。合格指標 五個試樣的沖擊吸收功平均值應(yīng)不低于母材標準規(guī)定值，并且至多允許有一個試樣的沖擊吸收功低于規(guī)定值，但不得低于規(guī)定值的705） 拉力試驗 按GB 228規(guī)定的試驗方法測定焊接接頭的抗拉強度合格指標 試樣母材為同種鋼號時，每個試樣的抗拉強度應(yīng)不低于母材鋼號標準規(guī)定值的下限。記錄試驗結(jié)果。6） 彎曲試驗 按GB 232和表10

37、規(guī)定的試驗方法測定焊接接頭的塑性。合格指標 試樣彎曲到規(guī)定角度后，其拉伸面上出現(xiàn)長度大于1.5mm的任一橫向（沿試樣寬度方向）裂紋或缺陷，或長度大于3mm的任一縱向（沿試樣長度方向）裂紋或缺陷，為不合格。試樣的棱角開裂一般不計。但由夾渣或其他焊接缺陷引起的棱角開裂長度應(yīng)計入。記錄試驗結(jié)果。5.2焊接工藝評定報告焊接工藝評定報告單位名稱： 河南機電高等?？茖W校材料系焊接工藝指導書編號： BYLW-01 日期： 2008.4.27 焊接工藝評定報告編號： BYLW-02焊接方法： 手工電弧焊+自動埋弧焊 機械化程度： 手工+自動 焊接接頭： 角接頭 坡口形式： 帶鈍邊的單邊雙V形坡口其 他： 裝備

38、間隙5mm母材類別號： 組別號1 與類別號： 組別號： 1相焊及標準號： GB6654，GB5681 鋼 號： 16MnR與標準號： GB6654，GB5681 鋼 號： 16MnR厚度范圍：母材：角焊縫 20mm22mm管子直徑、壁厚范圍：角焊縫 20mm22mm焊縫金屬厚度范圍：角焊縫 22mm23mm其 他： 接頭簡圖：焊接材料：焊材類別焊條焊絲焊劑焊材標準GBT511895GBT529395GBT529395填充金屬尺寸5mm4mm焊材型號E5015焊材牌號J507HH10Mn2SJ101其 他4mm或5mm，烘干溫度450470，保溫2h耐蝕堆焊金屬化學成分(%)CSiMnPSCrN

39、iMoVTiNb0.120.771.501.900.0350.0350.200.15其他：焊接位置：對接焊縫位置： 焊接方向：（向上、向下）角焊縫的位置：平焊、仰焊 焊接方向：（向上、向下）向下預熱：預熱 () (允許最低值)：66層間溫度(oC)(允許最高值)：300保持預熱時間：加熱方式 ：氧乙炔焰加熱焊后熱處理：消氫處理溫度范圍（）：300400保溫時間（h）：2h保護氣體：氣體種類： 混合比： 流量（Lmin）：尾部保護氣體： 背部保護氣體：電特性： 手弧焊（陡降地外特性） 埋弧焊（平地外特性）電流種類與極性： 手弧焊（直流反接） 埋弧焊（直流反接）焊接電流范圍： 手弧焊（160A18

40、0A） 埋弧焊（620A650A）電弧電壓范圍： 手弧焊（21V22V） 埋弧焊（33V34V）鎢極類型及直徑： 噴嘴直徑： 焊絲送進速度（mh）：58 熔滴過渡形式：短路過渡技術(shù)措施：（擺動或不擺動）：不擺動 擺動參數(shù)：焊前清理和層間清理：坡口兩側(cè)50mm范圍內(nèi)應(yīng)嚴格祛除水、油、銹及贓物等；每焊完一層都要用手動砂輪仔細清理熔渣背面清跟方法：電弧氣刨單道焊或多道焊（每面）： 單絲焊或多絲焊：單絲導電嘴至工件距離(mm)： 錘擊：其他：選用技術(shù)熟練的焊工，嚴格按工藝規(guī)定操作拉伸試驗：試樣編號橫截面積 (mm2)斷裂載菏 (kN)抗拉強度 (Mpa)斷裂部位試驗結(jié)果LS0012222266550焊

41、縫區(qū)合格LS0022222276570焊縫區(qū)合格LS0032222264550焊縫區(qū)合格LS0042222270566熔合區(qū)合格LS0052222270560焊縫區(qū)合格試驗報告編號：LS-01 彎曲試驗：試樣編號試樣類型試樣厚度（mm）彎曲直徑(mm)彎曲角度()試驗結(jié)果WQ001側(cè)彎224018024WQ002側(cè)彎224018022WQ003側(cè)彎224018025WQ004側(cè)彎224018027WQ005側(cè)彎224018025 試驗報告編號：WQ-02沖擊試驗：試樣編號試樣尺寸缺口類型缺口位置試驗溫度（）沖擊吸收功（J）試驗結(jié)果CJ00122V形焊縫區(qū)-1923合格CJ00222V形焊縫區(qū)2

42、028合格CJ00322V形焊縫區(qū)2026合格CJ00422V形熔合區(qū)-1922合格CJ00522V形熔合區(qū)2028合格CJ00622V形熔合區(qū)2027合格 試驗報告編號： CJ-03 金相檢驗（角焊縫）：根部： (焊透、未焊透) 焊透 焊縫： (熔合、未熔合) 熔合 焊縫、熱影響：（有裂紋、無裂紋）： 無裂紋 檢驗截面焊腳差(mm)無損檢驗：RT：100 UT：MT： PT：100其他：耐蝕堆焊金屬化學成分（重量）CMnSiPSCrNiMoVTiNb分析表面或取樣開始表面至熔合線的距離（mm）：附加說明：結(jié)論： 本評定按JB47082000規(guī)定焊接試件、檢驗試樣、測定性能，確認試驗記錄正確評定結(jié)果：合格焊工姓名焊工代號施焊日期編制日期審核日期批準日期第三方檢驗結(jié) 論a)裂紋產(chǎn)生的主要原因與高峰值應(yīng)力及液化石油氣中的H2S、H2O有關(guān)。b)對于液化石油氣罐的焊接工藝，其關(guān)鍵是針對具體情況保證焊接接頭的焊后質(zhì)量。即通過焊前預熱達到減少焊接區(qū)應(yīng)力和改善金屬組織的目的；通過焊后低溫處理達到減少焊接區(qū)氫的含量。對于大面積的焊接，要同時保證焊接層間、焊道間的溫度。c)罐在運行中應(yīng)加強溫度控制，以降低應(yīng)力腐蝕及其速度。致 謝時光