壓力容器的焊接技術(shù)-

PAGEPAGE50第十章壓力容器的焊接技術(shù)隨著工程焊接技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代壓力容器也已發(fā)展成典型的全焊結(jié)構(gòu)。壓力容器的焊接成為壓力容器制造過程中最重要最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量直接影響壓力容器的質(zhì)量。第一節(jié)碳鋼、低合金高強鋼壓力容器的焊接壓力容器用碳鋼的焊接碳鋼以鐵為基礎(chǔ)，以碳為合金元素，含量一般不超過％。此外，含錳量不超過1.2％，含硅量不超過0.5％，Si、Mn皆不作為合金元素。而其他元素，如Ni、Cr、Cu等，控制在殘余量限度內(nèi)，更不是合金元素。S、P、O、N等作為雜質(zhì)元素，依據(jù)鋼材品種和等級，也都有嚴格限制。碳鋼依據(jù)含碳量的不同，分為低碳鋼(C≤％)、中碳鋼(C=％0％)、高碳鋼(C≥％)。壓力容器主要受壓元件用碳鋼，主要限于低碳鋼。在《容規(guī)》中規(guī)定：“用于焊接結(jié)構(gòu)壓力容器主要受壓元件的碳素鋼和低合金鋼，其含碳量不應(yīng)大于0.25％。在特別條件下，如選用含碳量超過0.25％的鋼材，應(yīng)限定碳當(dāng)量不大于0.45％，由制造單位征得用戶同意，并經(jīng)制造單位壓力容器技術(shù)總負責(zé)人批準，并按相關(guān)規(guī)定辦理批準手續(xù)〞。常用的壓力容器用碳鋼牌號有Q235-B、Q235-C、10、20、20R等。〔一〕低碳鋼焊接特點低碳鋼含碳量低，錳、硅含量少，在通常狀況下不會因焊接而引起嚴重組織硬化或出現(xiàn)淬火組織。這種鋼的塑性和沖擊韌性合格，其焊接接頭的塑性、韌性也極其合格。焊接時一般不需預(yù)熱和后熱，不需采用特別的工藝措施，即可獲得質(zhì)量滿意的焊接接頭，故低碳鋼鋼具有合格的焊接性能，是所有鋼材中焊接性能最好的鋼種。〔二〕低碳鋼焊接要點〔1〕埋弧焊時假設(shè)焊接線能量過大，會使熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒過于粗大，甚至?xí)a(chǎn)生魏氏組織，從而使該區(qū)的沖擊韌性和彎曲性能降低，導(dǎo)致沖擊韌性和彎曲性能不合格。故在使用埋弧焊焊接，尤其是焊接厚板時，應(yīng)嚴格按經(jīng)焊接工藝評定合格的焊接線能量施焊?！?〕在現(xiàn)場低溫條件下焊接、焊接厚度或剛性較大的焊縫時，由于焊接接頭冷卻速度較快，冷裂痕的傾向增大。為避免焊接裂痕，應(yīng)采用焊前預(yù)熱等措施。壓力容器用低合金高強鋼及其焊接特點在鋼中除碳外少量加入一種或多種合金元素(合金元素總量在5％以下)，以提升鋼的力學(xué)性能，使其屈服強度在275MPa以上，并具有合格的綜合性能，這類鋼稱之為低合金高強鋼，其主要特點是強度高、塑性和韌性也較好。按鋼的屈服強度級別及熱處理狀態(tài)，壓力容器用低合金高強鋼可分為二類。①熱軋、正火鋼屈服強度在294Mpa~490MPa之間，其使用狀態(tài)為熱軋、正火或控軋狀態(tài)，屬于非熱處理強化鋼，這類鋼應(yīng)用最為廣泛。②低碳調(diào)質(zhì)鋼屈服強度在490Mpa~980Mpa之間，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，屬于熱處理強化鋼。其特點是既有高的強度，且塑性和韌性也較好，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接。近年來，這類低碳調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用日益廣泛。目前應(yīng)用于壓力容器的低合金高強鋼。鋼板牌號有：16MnR、15MnVR、13MnNiMoNbR、18MnMoNbR等。鍛件牌號有16Mn、15MnV、20MnMo、20MnMoNb等。低合金高強鋼的含碳量一般不超過0.20％，合金元素總量一般不超過5％。正是由于低合金高強鋼含有一定量的合金元素，使其焊接性能與碳鋼有一定差別，其焊接特點表現(xiàn)在：〔一〕焊接接頭的焊接裂痕〔1〕冷裂痕低合金高強鋼由于含使鋼材強化的C、Mn、V、Nb等元素，在焊接時易淬硬，這些硬化組織很敏感，因此，在剛性較大或拘束應(yīng)力高的狀況下，假設(shè)焊接工藝不當(dāng)，很容易產(chǎn)生冷裂痕。而且這類裂痕有一定的延遲性，其危害極大?！?〕再熱〔SR〕裂痕再熱裂痕是焊接接頭在焊后消除應(yīng)力熱處理過程或長期處于高溫運行中發(fā)生在靠近熔合線粗晶區(qū)的沿晶開裂。一般認為，其產(chǎn)生是由于焊接高溫使HAZ四周的V、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奧氏體中，焊后冷卻時來不及析出，而在PWHT時呈彌散析出，從而強化了晶內(nèi)，使應(yīng)力松弛時的蠕變變形集中于晶界。低合金高強鋼焊接接頭一般不易產(chǎn)生再熱裂痕，如16MnR、15MnVR等。但關(guān)于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高強鋼，如07MnCrMoVR，由于Nb、V、Mo是促使再熱裂痕敏感性較強的元素，因此這一類鋼在焊后熱處理時應(yīng)注意避開再熱裂痕的敏感溫度區(qū)，防止再熱裂痕的發(fā)生?！捕澈附咏宇^的脆化和軟化〔1〕應(yīng)變時效脆化焊接接頭在焊接前需經(jīng)受各種冷加工(下料剪切、筒體卷圓等)，鋼材會產(chǎn)生塑性變形，如果該區(qū)再經(jīng)200~450℃的熱作用就會引起應(yīng)變時效。應(yīng)變時效脆化會使鋼材塑性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度提升，從而導(dǎo)致設(shè)備脆斷。PWHT可消除焊接結(jié)構(gòu)這類應(yīng)變時效，使韌性恢復(fù)。GB150-1998《鋼制壓力容器》作出規(guī)定，圓筒鋼材厚度δs符合以下條件：碳素鋼、16MnR的厚度不小于圓筒內(nèi)徑Di的3％；其他低合金鋼的厚度不不小于圓筒內(nèi)徑Di的％。且為冷成形或中溫成形的受壓元件，應(yīng)于成形后進行熱處理。〔2〕焊縫和熱影響區(qū)脆化焊接是不均勻的加熱和冷卻過程，從而形成不均勻組織。焊縫(WM)和熱影響區(qū)(HAZ)的脆性轉(zhuǎn)變溫度比母材高，是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)。焊接線能量對低合金高強鋼WM和HAZ性能有重要影響，低合金高強鋼易淬硬，線能量過小，HAZ會出現(xiàn)馬氏體引起裂痕；線能量過大，WM和HAZ的晶粒粗大會造成接頭脆化。低碳調(diào)質(zhì)鋼與熱軋、正火鋼相比，對線能量過大而引起的HAZ脆化傾向更嚴重。所以焊接時，應(yīng)將線能量限制在一定范圍?！?〕焊接接頭的熱影響區(qū)軟化由于焊接熱作用，低碳調(diào)質(zhì)鋼的熱影響區(qū)(HAZ)外側(cè)加熱到回火溫度以上特別是Ac1四周的區(qū)域，會產(chǎn)生強度下降的軟化帶。HAZ區(qū)的組織軟化隨著焊接線能量的增加和預(yù)熱溫度的提升而加重，但一般其軟化區(qū)的抗拉強度仍高于母材標準值的下限要求，所以這類鋼的熱影響區(qū)軟化問題只要工藝得當(dāng)，不致影響其接頭的使用性能。壓力容器用低合金高強鋼焊材選用〔1〕依據(jù)鋼材不同的強度級別選擇與母材強度相當(dāng)?shù)暮缚p金屬是這類鋼焊材選用的基本原則，當(dāng)然，與此同時還要依據(jù)產(chǎn)品的使用條件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和板材厚度等因素，綜合合計焊縫金屬的韌性、塑性和焊接接頭的抗裂性。只要焊縫強度不低于或略高于母材標準抗拉強度的下限值即可。假設(shè)選擇的焊材焊縫金屬強度過高，將會導(dǎo)致接頭的韌性、塑性及抗裂性降低，接頭的彎曲性能不易合格。〔2〕由于這類鋼都具有不同程度的冷裂痕傾向，所以，在等強度原則的前提下，嚴格控制焊材中的氫含量是非常重要的，應(yīng)盡量選用低氫型的焊材。關(guān)于強度較高的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時，更是如此，甚至要選擇超低氫型的焊材，并嚴格控制焊材的存放和使用?！?〕合計焊后加工工藝的影響。對焊后需經(jīng)熱處理、熱卷〔熱彎〕的焊件，應(yīng)合計焊縫金屬經(jīng)受高溫處理作用對其力學(xué)性能的影響，應(yīng)確保焊縫金屬經(jīng)熱處理后仍具有要求的強度、塑性和韌性等。例如，關(guān)于壓力容器常見的16MnR鋼的埋弧焊，一般狀況下選用H10Mn2焊絲+HJ431焊劑即可。但關(guān)于焊后需經(jīng)正火溫度下沖壓的封頭拼板焊縫，其焊材選用應(yīng)適當(dāng)提升一檔，使用H08MnMo焊絲+HJ431焊劑，可彌補其強度損失。壓力容器用低合金高強鋼焊接要點〔1〕選用低氫或超低氫高韌性的焊材，且重視烘干、儲存以及坡口的清理，以減少焊縫中的擴散氫?！?〕為了避免熱影響區(qū)粗晶區(qū)的脆化，一般應(yīng)注意不要使用過大的線能量。關(guān)于含碳量偏下限的16MnR鋼焊接時，焊接線能量沒有嚴格的限制，因為這種鋼焊接熱影響區(qū)脆化傾向較小，但關(guān)于含釩、鈮、鈦等微合金化元素的鋼，則應(yīng)選用較小的焊接線能量?！?〕關(guān)于碳及合金元素含量較高、屈服強度也較高的低合金高強鋼，如18MnMoNbR，由于這種鋼淬硬傾向較大，又要合計其熱影響區(qū)的過熱傾向，則在選用較小線能量的同時，還要增加焊前預(yù)熱、焊后及時后熱等措施。〔4〕焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼時，為了使熱影響區(qū)堅持合格的韌性，同時使焊縫金屬既有較高的強度又有合格的韌性，這就要求焊縫金屬得到針狀鐵素體組織，而這種組織只有在較快的冷卻條件下才干獲得，為此要嚴格控制焊接線能量，不推舉采納大直徑的焊條和焊絲，且要采納多道多層的窄焊道焊，盡量不作橫向擺動的運條方式。為防止冷裂痕的產(chǎn)生，焊前需要預(yù)熱，但應(yīng)嚴格控制預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度過高，會使熱影響區(qū)冷卻速度過于緩慢，從而在該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生馬氏體+奧氏體混合組織和粗大的貝氏體，使強度下降，韌性變壞。一般要求最高預(yù)熱溫度不得高于推舉的最低預(yù)熱溫度加50℃。采納低溫預(yù)熱加后熱的方法既可防止低碳調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)生冷裂痕，又可減輕或消除預(yù)熱溫度過高帶來的不利影響?！?〕強化對焊接接頭的無損檢測，對再熱裂痕敏感的鋼種，應(yīng)在PWHT前后都要做射線或超聲檢測。低合金高強鋼壓力容器焊接實例直徑為2000mm，壁厚為32mm的緩沖罐〔圖10-1〕，殼體材質(zhì)為16MnR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表10-1。圖10-1緩沖罐簡圖表10-1緩沖罐焊接工藝焊縫編號焊縫位置焊接方法焊接材料說明O1A1、O2A1封頭拼縫雙面SAWH08MnMo+HJ431①1A1、2A1、B1、B3殼體縱、環(huán)縫雙面SAWH10Mn2+HJ431②B2殼體環(huán)縫(大合攏)內(nèi)SMAW外SAWJ507H10Mn2+HJ431③B4D1-D3人孔接管與對應(yīng)法蘭環(huán)縫人孔、小接管與殼體角焊縫雙面SMAWJ507④B5、B6小接管與對接法蘭環(huán)縫GTAW打底SMAW蓋面TIG-50J507⑤E1鞍座與殼體焊接角焊縫GMAW(CO2焊)TWE-711⑥說明：①封頭拼縫在平板狀態(tài)下焊接完成后，需再經(jīng)過950~1000℃的加熱后進行沖壓成形，故拼縫要經(jīng)過Ac3以上溫度的加熱，焊縫的力學(xué)性能不僅取決于化學(xué)成分，而且和焊縫的組織狀態(tài)有很大關(guān)系。雖然焊縫的含碳量要比母材低很多，但由于焊接是一個局部加熱過程，冷卻速度很大，因此焊縫浮現(xiàn)為一種柱狀晶的特別的過飽和鑄造組織，其中少量的馬氏體主要靠碳的固溶強化存在，而低碳馬氏體的亞結(jié)構(gòu)存在許多位錯，過飽和的固溶的碳就聚集在位錯四周，起著釘扎位錯的作用，使位錯難于運動，馬氏體便不易變形而浮現(xiàn)強化焊縫的作用。經(jīng)過Ac3以上的溫度加熱后，焊縫組織從柱狀晶變成了等軸晶，打破了原來的亞結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使過飽和程度降低，其碳的固溶強化作用也隨之降低了，所以勢必焊縫強度降低。為了彌補上述狀況造成的焊縫強度降低，只有調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，使用合金元素更多一些的、強度高一檔的焊絲來焊接熱壓封頭拼縫。②殼體縱、環(huán)縫焊接條件好，合計到板厚因素，從提升效率、確保焊接質(zhì)量出發(fā)，選用雙面埋弧焊，焊絲啊等強度原則選用。③設(shè)備大合攏焊縫，合計到設(shè)備因素，內(nèi)焊縫采納埋弧焊較困難，故內(nèi)側(cè)采納焊條電弧焊、外側(cè)采納碳弧氣刨清根后再進行外環(huán)縫埋弧焊。B2焊縫據(jù)人孔較近，故將其為大合攏焊縫。④人孔接管與人孔法蘭環(huán)縫，由于人孔直徑較大，故采納焊條電弧焊進行雙面焊。關(guān)于人孔、小接管與殼體角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊進行雙面焊。⑤關(guān)于小直徑接管環(huán)縫，由于只能單面焊，又要確保質(zhì)量，選用TIG焊打底是確保焊縫質(zhì)量最有效的方法。TIG-50為焊材牌號，其焊材型號為ER70S-G(AWSA5.18)。⑥鞍座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采納熔化極氣體保護焊(保護氣體為純CO2)，效率高，焊縫成形好。TWE-711為焊材牌號，其焊材型號為E71T-1(AWSA5.20)。第二節(jié)耐熱鋼壓力容器的焊接壓力容器用耐熱鋼及其焊接性在一般碳鋼中加入一定量的合金元素，以提升鋼的高溫強度和持久強度，就形成了低合金耐熱鋼，關(guān)于壓力容器用低合金耐熱鋼，為改善其焊接性能，常常把碳含量控制在0.2％以下。這類鋼通常以退火態(tài)或正火+回火狀態(tài)交貨。由于合金含量在2.5％以下的低合金耐熱鋼具有珠光體+鐵素體組織，故也常常稱為珠光體耐熱鋼，如15CrMoR。合金含量在3％~5％之間的低合金耐熱鋼供貨狀態(tài)為貝氏體+鐵素體組織，故也稱為貝氏體耐熱鋼，如12Cr2Mo1R。壓力容器上使用的低合金耐熱鋼主要是以加入鉻和鉬元素或輔以加入少量的釩、鈦等元素來提升鋼的蠕變強度和組織穩(wěn)定性，所以也常常稱之為Cr-Mo耐熱鋼或Cr-Mo-V系耐熱鋼。也正由于這一類鋼在耐高溫的同時還具有合格的抗氫腐蝕性能，為此，Cr-Mo或Cr-Mo-V系的低合金耐熱鋼亦常常稱為抗氫鋼。作為耐熱鋼，除上面已講到的低合金耐熱鋼外，還有合金含量在在6％~12％之間的中合金耐熱鋼，如1Cr5Mo、1Cr9Mo1，和合金大于13％的高合金耐熱鋼，如1Cr17。由于在壓力容器中這兩類耐熱鋼并不多見，本節(jié)以表達低合金耐熱鋼為主。為確保耐熱鋼焊接接頭在高溫、高壓和各種腐蝕介質(zhì)條件下長期安全的運行，其焊接接頭性能應(yīng)滿足以下幾點要求。①接頭的等強性耐熱鋼接頭不僅應(yīng)具有與母材基本相等的室溫柔高溫短時強度，而且更重要的是應(yīng)具有與母材相近的高溫持久強度。②接頭的抗氫性和抗氧化性耐熱鋼接頭應(yīng)具有與母材基本相同的抗氫性和高溫抗氧化性。為此，焊縫金屬的合金成分和含量應(yīng)與母材基本一致。③接頭的組織穩(wěn)定性耐熱鋼焊接接頭在制造過程中，特別是厚壁接頭將經(jīng)受長時間多次熱處理，在運行過程中將長期受高溫高壓的作用，接頭各區(qū)不應(yīng)產(chǎn)生顯然的組織變化及由此引起的脆變或軟化。④接頭的抗脆斷性雖然耐熱鋼壓力容器大多數(shù)是在高溫下工作，但當(dāng)壓力容器和管道制造完工后將在常溫下進行制定壓力1.25倍壓力的水壓試驗。在安裝檢修完后，要經(jīng)歷水壓試驗及冷啟動過程。因此，耐熱鋼焊接接頭亦應(yīng)具有一定的抗脆斷性。⑤接頭的物理均一性耐熱鋼焊接接頭應(yīng)具有與母材基本相同的物理性能。焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率應(yīng)基本一致，這樣就可避免接頭在高溫運行過程中的熱應(yīng)力。低合金耐熱鋼含有一定量的合金元素，因此它與低合金高強鋼都具有一些相同的焊接特點，而又由于其含有一些特別的微量元素及其不同的介質(zhì)工作環(huán)境，所以也有其獨特的焊接特點?！?〕淬硬性低合金耐熱鋼中的主要合金元素Cr和Mo等都能顯著提升鋼的淬硬性。其中Mo的作用比Cr大50倍。這些合金元素推遲了鋼在冷卻過程中的轉(zhuǎn)變，提升了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而在較高的冷卻速度下可能形成全馬氏體組織，比如12Cr2Mo1R焊接時，如果焊接線能量較小，鋼板厚度較大且不預(yù)熱焊接時就有可能發(fā)生100％的馬氏體轉(zhuǎn)變?！?〕冷裂痕由于Cr-Mo鋼極易產(chǎn)生淬硬的顯微組織，再加上焊縫區(qū)足夠高的擴散氫濃度和一定的焊接殘余應(yīng)力共同作用，焊接接頭易產(chǎn)生氫致延遲裂痕。這種裂痕在熱影響區(qū)和焊縫金屬中都易發(fā)生。在熱影響區(qū)大多是表面裂痕，在焊縫金屬中通常表現(xiàn)為垂直于焊縫的的橫向裂痕，也可能發(fā)生在多層焊的焊道下或焊根部位。冷裂痕是Cr-Mo鋼焊接中存在的主要危險。〔3〕消除應(yīng)力裂痕因為這類裂痕是在消除應(yīng)力熱處理時，接頭再次處于高溫下所產(chǎn)生的裂痕，故又稱為再熱裂痕。Cr-Mo鋼是再熱裂痕敏感性鋼種，敏感的溫度范圍一般在500~700℃之間。大量試驗結(jié)果說明，鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等強碳化物形成元素對再熱裂痕形成有很大影響。通常以裂痕指數(shù)PSR粗略地評價鋼的消除應(yīng)力裂痕敏感性。PSR按下式計算：PSR=Cr％+Cu％+2Mo％+10V％+7Nb％+5Ti％-2當(dāng)PSR≥0時，就有可能產(chǎn)生消除應(yīng)力裂痕。但關(guān)于碳含量低于0.1％的鋼種，上式不適用。〔4〕熱裂痕對低合金耐熱鋼，人們往往注重冷裂痕的防止。實際上，當(dāng)焊道的成形系數(shù)〔熔寬與熔深比〕小于1.2~1.3時，焊道中心易形成熱裂痕。這是因為窄而深的梨形焊道，低熔點共晶聚集于焊道中心，在焊接應(yīng)力作用下，導(dǎo)致焊道中心出現(xiàn)熱裂痕。一切影響焊道成形系數(shù)的因素都會影響熱裂痕的發(fā)生?！?〕回火脆性Cr-Mo鋼及其焊接接頭在350~500℃溫度區(qū)間長期運行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。例如某廠一臺鋼制壓力容器在332~432℃運行30000h后，鋼的40J脆性轉(zhuǎn)變溫度從-37℃提升到了+60℃，并最終導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂事故。Cr-Mo鋼及其焊接接頭的回火脆性敏感性有兩種評價方式：①X系數(shù)和J系數(shù)X=〔10P+5Sb+4Sn+As〕×10-2〔式中元素以ppm含量代入，如0.01％應(yīng)以100ppm代入〕J=〔Si+Mn〕〔P+Sn〕×104〔式中元素以百分數(shù)含量代入，如％應(yīng)以0.15代入〕這兩個系數(shù)的界定是隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和進步一步步提升的，最早要求X≤25ppm，J≤200，后來達到X≤20ppm，J≤150，直至目前又提升了要求，要求X≤15ppm，J≤100。②分步冷卻試驗法(步冷)分步冷卻試驗法是將試件加熱到規(guī)定的最高溫度后分步冷卻，溫度每降一級，保溫更長時間，如圖10-2。步冷處理目的是在200~300h內(nèi)使鋼產(chǎn)生最大的回火脆性，與350~500℃溫度區(qū)間設(shè)備經(jīng)過2000~5000h才干產(chǎn)生的效果相同。圖10-2測定回火脆性敏感性的步冷處理程序圖10-3回火脆化程度的曲線按圖10-2曲線加熱，使鋼材發(fā)生快速回火脆化。分別對步冷試驗前后的鋼材進行系列沖擊，繪制出步冷試驗前、后回火脆化程度的曲線(圖10-3)，確定延脆性轉(zhuǎn)變溫度VTr54(試樣經(jīng)Min.PWHT處理后的夏比沖擊功為54J時相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度)的變量ΔVTr54(試樣經(jīng)Min.PWHT+步冷處理后的夏比沖擊功為54J時相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度增量)，按下式進行計算：美國雪弗龍公司早期提出的指標：VTr54Tr54≤38℃(100℉)20世紀90年代普遍采納的指標：VTr54+2.5ΔVTr54≤38℃隨著對設(shè)備安全性要求的提升及鋼材、焊材性能的提升，對該指標的要求越來越高，2006年某工程公司為寧波和邦化學(xué)制定的兩臺加氫反應(yīng)器提出的指標是：VTr54+3ΔVTr54≤10℃壓力容器用耐熱鋼焊材選用〔1〕與低合金高強鋼相同，焊縫金屬和母材等強度原則仍是低合金耐熱鋼焊材選用的基本原則，只不過此時不但要合計焊縫金屬與母材的常溫強度等強，同時也要使其高溫強度不低于母材標準值的下限要求?！?〕為使其焊縫金屬具有與母材同樣的使用性能，因此要求其焊縫金屬的鉻、鉬含量不得低于母材標準值的下限?！?〕為確保焊縫金屬有同樣小的回火脆性，應(yīng)嚴格限制焊材中的氧、硅、磷、銻、錫、砷等微量元素的含量?！?〕為提升焊縫金屬的抗裂性，應(yīng)控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量，但應(yīng)注意，含碳量過低時，經(jīng)長時間的焊后熱處理會促使鐵素體形成，從而導(dǎo)致韌性下降，因此，關(guān)于低合金耐熱鋼的焊縫金屬含碳量最好控制在0.08％~0.12％范圍內(nèi)，這樣才會使焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當(dāng)?shù)母邷厝渥儚姸取毫θ萜饔媚蜔徜摵附右c〔1〕預(yù)熱與層間溫度在Cr-Mo鋼的焊接特點中提到的冷裂痕、熱裂痕及消除應(yīng)力裂痕，都與預(yù)熱及層間溫度相關(guān)。一般來說，在條件許可下應(yīng)適當(dāng)提升預(yù)熱及層間溫度來避免冷裂痕和再熱裂痕的產(chǎn)生。表10-2為對各種低合金耐熱鋼推舉選用的預(yù)熱溫度和層間溫度，但在設(shè)備制造過程中還要結(jié)合實際選用。表10-2推舉選用的低合金耐熱鋼預(yù)熱及層間溫度鋼種預(yù)熱溫度/℃層間溫度/℃15CrMoR≥150150~25012Cr1MoV≥200250左右12Cr2Mo1R200~250200~300在Cr-Mo鋼上堆焊不銹鋼≥100關(guān)于預(yù)熱和層間溫度，應(yīng)注意以下幾點：①整個焊接過程中的層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度。②要確保焊件內(nèi)外表面均達到規(guī)定的預(yù)熱溫度。③關(guān)于厚壁容器，必需注意焊前、焊接過程和焊接結(jié)束時的預(yù)熱溫度基本堅持一致并將實測預(yù)熱溫度做好記錄。④假設(shè)容器焊前進行整體預(yù)熱不僅費時而且耗能。實際上，作局部預(yù)熱可以取得與整體預(yù)熱相近的效果，但必需確保預(yù)熱區(qū)寬度大于所焊厚度的4倍，且至少不小于150mm。⑤預(yù)熱與層間溫度必需低于母材的Mf點(馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點)，否則當(dāng)焊件經(jīng)SR處理后，殘留奧氏體可能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，其中過飽和的氫逸出會促使鋼材開裂，如對12Cr2Mo1R的預(yù)熱和最高層間溫度應(yīng)低于300℃。⑥鋼材下料進行熱切割時，類似焊接熱影響區(qū)的熱循環(huán)，切割邊緣的淬硬層可能成為鋼材卷制或沖壓時的裂源。因此，也應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱。〔2〕焊后熱處理關(guān)于低合金耐熱鋼，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應(yīng)力，而且更重要的是改善組織提升接頭的綜合力學(xué)性能，包括提升接頭的高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性，降低焊縫及熱影響區(qū)硬度，還有就是使氫進一步逸出以避免產(chǎn)生冷裂痕。因此，在擬定低合金耐熱鋼焊接接頭的焊后熱處理規(guī)范時，應(yīng)綜合合計以下冶金和工藝特點。①焊后熱處理應(yīng)確保近縫區(qū)組織的改善。②加熱溫度應(yīng)確保焊接接頭的焊接應(yīng)力降到盡可能低的水平。③焊后熱處理不應(yīng)使母材及焊接接頭各項力學(xué)性能降低到制定規(guī)定的最低限度以下。這一點往往要通過對母材及焊接接頭進行最大和最小模擬焊后熱處理(Max.PWHT及Min.PWHT)后的各項力學(xué)性能檢測來確定。④由于耐熱鋼的回火脆性及再熱裂痕傾向，焊后熱處理應(yīng)盡量避免在所處理鋼材回火脆性敏感區(qū)及再熱裂痕傾向敏感區(qū)的溫度范圍內(nèi)進行。應(yīng)規(guī)定在危險溫度范圍內(nèi)要有較快的加熱速度。綜合合計以上4個特點，需要制定一個合適的耐熱鋼焊后熱處理規(guī)范，經(jīng)過大量的試驗、研究，引出了一個指導(dǎo)性參數(shù)，即納爾遜米勒〔Rarson—Miller〕參數(shù)Tp，也稱回火參數(shù)。Tp=T(20+logt)×10-3式中：T—熱處理絕對溫度，Kt—熱處理保溫時間，h從式中可以看出，熱處理的溫度和保溫時間決定了Tp值的凹凸，也就影響了Cr-Mo鋼焊接接頭的強度和韌性。Tp值過低，接頭的強度和硬度會過高而韌性較低，假設(shè)Tp值太高，則強度和硬度會顯然下降，同時由于碳化物的沉淀和聚集也會使韌性下降，因此，Tp值在18.2~可以使接頭具有較好的綜合力學(xué)性能。當(dāng)然，關(guān)于每一種Cr-Mo鋼都有一個最正確的回火參數(shù)范圍，如鋼焊縫金屬的最正確Tp值為20.0~之間，關(guān)于2.25Cr-1Mo鋼而言，其最正確的Tp值在20.2~20.6之間?！?〕后熱和中間熱處理Cr-Mo鋼冷裂傾向大，導(dǎo)致生產(chǎn)裂痕的影響因素中，氫的影響居首位，因此，焊后(或中間停焊)必需馬上消氫。一般說來，Cr-Mo鋼容器的壁厚、剛性大、制造周期長，焊后不能很快進行熱處理，為防裂并穩(wěn)定焊件尺寸，在主焊縫(或主焊縫和殼體接管焊縫)完成后進行比最終熱處理溫度低的中間熱處理。這類鋼的后熱溫度一般為300~350℃，也有少數(shù)制造單位取350~400℃的。中間熱處理規(guī)范隨鋼種、結(jié)構(gòu)、制造單位的經(jīng)驗而異，一般中間熱處理溫度為(620~640℃)±15℃。〔4〕焊接規(guī)范的選擇焊接線能量、預(yù)熱溫度和層間溫度直接影響到焊接接頭的冷卻條件，一般來說，焊接線能量越大，冷卻速度越慢，加之伴有較高的預(yù)熱和層間溫度，就會使接頭各區(qū)的晶粒粗大，強度和韌性都會降低。關(guān)于低合金耐熱鋼而言，對焊接線能量在一定范圍內(nèi)變化并不敏感，也就是說，同意的焊接線能量范圍較寬，只有當(dāng)線能量過大時，才會對強度和韌性有顯然的影響，所以為了防止冷裂痕的產(chǎn)生，希望焊接時線能量不要過小。耐熱鋼鋼壓力容器焊接實例直徑為500mm，殼程壁厚為30mm，管程壁厚為16mm的加熱器〔圖10-4〕，殼體材質(zhì)為15CrMoR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表10-3。圖10-4加熱器簡圖表10-3加熱器焊接工藝焊縫編號焊縫位置焊接方法焊接材料說明3A1、4A1、B6B2-B5、B7B8、B9管程筒體縱、環(huán)縫殼程、管程筒體與管板環(huán)縫接管與對接法蘭環(huán)縫GTAW打底SMAW蓋面H13CrMoAR307①1A1、2A1、B1、B4管程筒體縱縫管程筒體與法蘭環(huán)縫SMAWR307②D1-D6接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體角焊縫SMAWR307③D7換熱管與管板角焊縫GTAW〔自動〕H08CrMoA④E1耳座與殼體角焊縫GMAW(CO2焊)TWE-811B2⑤說明：①殼程筒體直徑較小，焊工無法鉆入筒體內(nèi)焊接，故殼程筒體縱、環(huán)縫只能從外側(cè)施焊。同樣，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的原因，殼程、管程筒體與管板的環(huán)縫焊接也只能從外側(cè)進行。至于接管與對接法蘭環(huán)縫，本設(shè)備中接管規(guī)格為φ273×12，亦無法從內(nèi)側(cè)施焊。以上焊縫需要單面焊，但又要確保質(zhì)量，選用TIG焊打底是確保焊縫質(zhì)量最有效的方法。關(guān)于殼程筒體環(huán)縫，也可采納GTAW打底，SMAW再焊兩道，然后SAW焊剩余層的方法。②無論管程筒體直徑較小，但其長度很短，管程筒體縱縫、管程筒體與法蘭環(huán)縫具備內(nèi)側(cè)焊條電弧焊的條件，故采納焊條電弧焊進行雙面焊。③接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設(shè)備大合攏焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。④換熱管-管板焊接是熱交換設(shè)備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、全位置自動氬弧焊。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點是效率高，但是質(zhì)量對比于其他兩種方法來說要差很多，現(xiàn)在基本上已被淘汰。但是在某些特別場合，如絲堵式空冷器，其管子-管板焊接必需通過管板前的絲堵板進行焊接，這時只能用采納焊條電弧焊的方法，用小直徑焊條焊接，這對焊工操作技術(shù)要求很高，一般在焊前需要對焊工進行專門培訓(xùn)。目前使用最廣泛，質(zhì)量最好的焊接方法為自動氬弧焊。本設(shè)備中換熱管-管板焊接采納全位置自動氬弧焊，焊接接頭形式為角焊縫〔圖10-50〕。焊絲直徑為1mm，填絲焊兩道。圖10-5加熱器換熱管-管板接頭形式⑤耳座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采納熔化極氣體保護焊(保護氣體為純CO2)，效率高，焊縫成形好。TWE-811B2為焊材牌號，其焊材型號為E81T1-B2(AWSA5.29)。第三節(jié)低溫鋼壓力容器的焊接壓力容器用低溫鋼及其焊接特點GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄C規(guī)定，制定溫度低于或等于－20℃的鋼制壓力容器為低溫容器。眾所周知，鋼材在低溫條件下工作時具有冷脆性。衡量低溫鋼性能的主要指標是低溫韌性，即低溫下的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度，鋼的低溫沖擊韌性越高，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，則該鋼低溫韌性越好。鋼的成分和組織對低溫性能都有顯著影響，磷、碳、硅使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，其中尤以磷、碳最為顯著，而錳和鎳會使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，對低溫韌性有利。鋼中含鎳量增高時，可以使其在更低的溫度下堅持相當(dāng)高的沖擊韌性。一般來說，具有面心立方晶格的金屬，其韌性隨溫度的變化極小，18-8型奧氏體不銹鋼就是由于具有面心立方晶格，故在很低的溫度下仍具有較高的沖擊韌性。此外，鋼的晶粒越細，低溫沖擊韌性越好。低溫鋼就是通過嚴格控制鋼材中的碳、硫、磷含量或加入一些釩、鋁、鈦和鎳等合金元素，達到固溶強化、晶粒細化之目的，并通過正火或正火+回火處理來細化晶粒，使組織均勻化或使鋼具有面心立方晶格，從而使鋼在低溫下具有足夠的低溫韌性及抵抗脆性破壞的能力，以確保設(shè)備在低溫條件下能安全運行。低溫鋼一般可分為無鎳和含鎳兩大類。無鎳鋼的最低使用溫度為-50℃，含鎳鋼最低使用溫度依據(jù)含鎳量的多少范圍在-60℃~-196℃之間，-196℃以下則使用奧氏體不銹鋼，有關(guān)奧氏體不銹鋼的焊接在介紹不銹鋼焊接時再作具體表達，表10-4為部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌性指標。表10-4部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌性鋼材牌號使用狀態(tài)厚度/mm最低沖擊試驗溫度/℃AKV/J16MnDR正火6~36-40≥24>36~100-3015MnNiDR正火，正火+回火6~60-45≥2709MnNiDR正火，正火+回火6~60-70≥27鋼(SA203B級)正火≤50-101≥20>50~75-87對不含鎳的低溫鋼而言，由于其含碳量低，其他合金元素含量也較少，故其淬硬傾向和冷裂傾向都小，因而具有合格的焊接性能，一般可不預(yù)熱或用較低的預(yù)熱溫度來進行焊接，當(dāng)板厚較厚或低溫環(huán)境下焊接時，才需要一定的預(yù)熱溫度。所以，這一類鋼焊接時，只要選擇相匹配的焊材和合適的工藝，確保焊縫及熱影響區(qū)的低溫韌性是不成問題的。含鎳低溫鋼由于添加了鎳，雖然對冷裂痕傾向影響不顯著，但卻增大了熱裂痕的傾向，必需嚴格控制鋼及焊材中的碳、硫、磷含量，同時采納合適的焊接規(guī)范，使焊縫有較大的焊縫成形系數(shù)，即避免形成窄而深的焊道成形截面，就可以有效地避免熱裂痕的產(chǎn)生。總之，低溫鋼焊接的重點是確保焊縫及熱影響區(qū)獲得足夠的低溫沖擊韌性。壓力容器用低溫鋼焊材選用〔1〕所選用的焊材必需確保焊縫含有最少的有害雜質(zhì)〔S、P、O、N等〕，關(guān)于含鎳低溫鋼尤其要嚴格控制?！?〕選用的焊材應(yīng)確保焊縫金屬的低溫韌性。關(guān)于含鎳低溫鋼，選用的焊材的含鎳量應(yīng)與母材相當(dāng)或稍高。壓力容器用低溫鋼焊接要點〔1〕采納小的焊接線能量為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而使其沖擊韌性嚴重降低，焊接時必需采納較小的焊接線能量，具體要求是，焊接電流不宜過大，焊條電弧焊時，焊條盡量不擺動，采納窄焊道、多道多層焊和快速多道焊以減小焊道過熱，并通過多層焊的重復(fù)加熱作用細化晶粒。多層焊時要嚴格控制層間溫度?！?〕選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣汝P(guān)于含鎳低溫鋼進行埋弧自動焊時，切不可以提升焊接速度來獲得較低的焊接線能量。這是因為當(dāng)焊接速度較高時，由于熔池形成典型的雨滴狀，且焊道成形變成窄而深的截面形狀，此時就易產(chǎn)生焊道中心的熱裂痕。所以，這類鋼焊接時，焊接速度要特別選擇適當(dāng)，不可過小，也不可過大?！?〕避免咬邊缺陷低溫鋼焊接時應(yīng)注意避免弧坑、未焊透及咬邊等缺陷，這些缺陷在低溫條件下，在應(yīng)力作用時，都會造成較大的應(yīng)力集中而引起脆性破壞。所以關(guān)于低溫壓力容器而言，不同意有任何尺寸的咬邊缺陷存在。低溫鋼壓力容器焊接實例直徑4400mm，長90m，壁厚為34mm的乙烯精硫塔〔圖10-6〕，制定溫度為-45℃。因設(shè)備上管口、內(nèi)件眾多，簡圖中只畫出部分。殼體材質(zhì)為09MnNiDR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表10-5。圖10-6丙烯精餾塔簡圖表10-5丙烯精餾塔焊接工藝焊縫位置焊接方法焊接材料說明封頭拼縫殼體縱、環(huán)縫SAWUNIONS3SiUV-418TT①現(xiàn)場合攏焊縫SMAWW707②接管、人孔與殼體角焊縫人孔筒體拼縫、人孔筒體與對接法蘭環(huán)縫SMAWR307③接管與法蘭環(huán)縫GTAWUNIONI1.2Ni④內(nèi)件與殼體內(nèi)壁角焊縫GMAW(CO2焊)THYSENTG50NiE81T1-Ni1⑤說明：①殼程筒體直徑較小，焊工無法鉆入筒體內(nèi)焊接，故殼程筒體縱、環(huán)縫只能從外側(cè)施焊。同樣，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的原因，殼程、管程筒體與管板的環(huán)縫焊接也只能從外側(cè)進行。至于接管與對接法蘭環(huán)縫，本設(shè)備中接管規(guī)格為φ273×12，亦無法從內(nèi)側(cè)施焊。以上焊縫需要單面焊，但又要確保質(zhì)量，選用TIG焊打底是確保焊縫質(zhì)量最有效的方法。關(guān)于殼程筒體環(huán)縫，也可采納GTAW打底，SMAW再焊兩道，然后SAW焊剩余層的方法。②無論管程筒體直徑較小，但其長度很短，管程筒體縱縫、管程筒體與法蘭環(huán)縫具備內(nèi)側(cè)焊條電弧焊的條件，故采納焊條電弧焊進行雙面焊。③接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設(shè)備大合攏焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。④換熱管-管板焊接是熱交換設(shè)備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、全位置自動氬弧焊。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點是效率高，但是質(zhì)量對比于其他兩種方法來說要差很多，現(xiàn)在基本上已被淘汰。但是在某些特別場合，如絲堵式空冷器，其管子-管板焊接必需通過管板前的絲堵板進行焊接，這時只能用采納焊條電弧焊的方法，用小直徑焊條焊接，這對焊工操作技術(shù)要求很高，一般在焊前需要對焊工進行專門培訓(xùn)。目前使用最廣泛，質(zhì)量最好的焊接方法為自動氬弧焊。本設(shè)備中換熱管-管板焊接采納全位置自動氬弧焊，焊接接頭形式為角焊縫〔圖10-50〕。焊絲直徑為1mm，填絲焊兩道。⑤內(nèi)壁與殼體內(nèi)壁角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。第四節(jié)不銹鋼壓力容器的焊接壓力容器用不銹鋼及其焊接特點所謂不銹鋼是指在鋼中加入一定量的鉻元素后，使鋼處于鈍化狀態(tài)，具有不生銹的特性。為達到此目的，其鉻含量必需在12％以上。為提升鋼的鈍化性，不銹鋼中還往往需加入能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸，而耐酸鋼一般均具有合格的不銹性能。不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類，即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體一鐵素體雙相不銹鋼。1.奧氏體不銹鋼及其焊接特點奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼，以高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點：焊接熱裂痕奧氏體不銹鋼由于其熱傳導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，因此在焊接過程中，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫易形成粗大的柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過程中，假設(shè)硫、磷、錫、銻、鈮等雜質(zhì)元素含量較高，就會在晶間形成低熔點共晶，在焊接接頭承受較高的拉應(yīng)力時，就易在焊縫中形成凝固裂痕，在熱影響區(qū)形成液化裂痕，這都屬于焊接熱裂痕。防止熱裂痕最有效的途徑是降低鋼及焊材中易產(chǎn)生低熔點共晶的雜質(zhì)元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4％~12％的鐵素體組織。晶間腐蝕依據(jù)貧鉻理論，在晶間上析出碳化鉻，造成晶界貧鉻是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此，選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩(wěn)定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂通常表現(xiàn)為脆性破壞，且發(fā)生破壞的過程時間短，因此危害嚴重。造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭的組織變化或應(yīng)力集中的存在，局部腐蝕介質(zhì)濃縮也是影響應(yīng)力腐蝕開裂的原因。④焊接接頭的σ相脆化σ相是一種脆硬的金屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變。比如關(guān)于Cr25Ni20型焊縫在800℃~900℃加熱時，就會發(fā)生激烈的γ→δ轉(zhuǎn)變。關(guān)于鉻鎳型奧氏體不銹鋼，特別是鉻鎳鉬型不銹鋼，易發(fā)生δ→σ相轉(zhuǎn)變，這主要是由于鉻、鉬元素具有顯然的σ化作用，當(dāng)焊縫中δ鐵素體含量超過12％時，δ→σ的轉(zhuǎn)變非常顯著，造成焊縫金屬的顯然的脆化，這也就是為什么熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將δ鐵素體含量控制在3％~10％的原因。2.鐵素體不銹鋼及其焊接特點鐵素體不銹鋼分為一般鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類，其中一般鐵素體不銹鋼有Cr12~Cr14型，如00Cr12、0Cr13Al；Cr16~Cr18型，如1Cr17Mo；Cr25~30型。由于一般鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高，故加工成形及焊接都較困難，耐蝕性也難以確保，使用受到限制，在超純鐵素體不銹鋼中嚴格控制了鋼中的碳和氮總量，一般控制在0.035％~0.045％、0.030％、0.010％~0.015％三個層次，同時還加入必要的合金元素以進一步提升鋼的耐腐蝕性和綜合性能。與一般鐵素體不銹鋼相比，超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點蝕及應(yīng)力腐蝕性能，較多的應(yīng)用于石化設(shè)備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點：①焊接高溫作用下，在加熱溫度達到1000℃以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會急劇長大，焊后即使快速冷卻，也無法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。②鐵素體鋼本身含鉻量較高，有害元素碳、氮、氧等也較多，脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，缺口敏感性較強。因此，焊后脆化現(xiàn)象較為嚴重。③在400℃~600℃長時間加熱緩冷時，會出現(xiàn)475℃脆化，使常溫韌性嚴重下降。在550℃~820℃長時間加熱后，則容易從鐵素體中析出σ相，也顯然降低其塑、韌性。3.馬氏體不銹鋼及其焊接特點馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能，從Cr12為基的馬氏體不銹鋼，因加入鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，除具有一定的耐腐蝕性能，還具有較高的高溫強度及抗高溫氧化性能。馬氏體不銹鋼的焊接特點：Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)的淬硬傾向特別大，焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體，在焊接拘束應(yīng)力和擴散氫的作用下，很容易出現(xiàn)焊接冷裂痕。當(dāng)冷卻速度較小時，近縫區(qū)及焊縫金屬會形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物，使接頭的塑、韌性顯著降低。低碳及超級馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)冷卻后，雖然全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，但沒有顯然的淬硬現(xiàn)象，具有合格的焊接性能。壓力容器用不銹鋼焊材選用1.奧氏體不銹鋼焊材選用奧氏體不銹鋼焊材的選擇原則是在無裂痕的前提下，確保焊縫金屬的耐蝕性能及力學(xué)性能與母材基本相當(dāng)，或高于母材，一般要求其合金成分大致與母材成分匹配。關(guān)于耐蝕的奧氏體不銹鋼，一般希望含一定量的鐵素體，這樣既能確保合格的抗裂性能，又能有很好的抗腐蝕性能。但在某些特別介質(zhì)中，如尿素設(shè)備的焊縫金屬是不同意有鐵素體存在的，否則就會降低其耐蝕性。對耐熱用奧氏體鋼，應(yīng)合計對焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量的控制。關(guān)于長期在高溫運行的奧氏體鋼焊件，焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量不應(yīng)超過5％。讀者可依據(jù)Schaeffler圖，按焊縫金屬中的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量估計出相應(yīng)的鐵素體含量。2.鐵素體不銹鋼焊材選用鐵素體不銹鋼焊材基本上有三類：1)成分基本與母材匹配的焊材；2)奧氏體焊材；3)鎳基合金焊材，由于其價格較高，故很少選用。鐵素體不銹鋼焊材可采納與母材相當(dāng)?shù)牟牧?，但在拘束度大時，很容易產(chǎn)生裂痕，焊后可采納熱處理，恢復(fù)耐蝕性能，并改善接頭塑性。采納奧氏體焊材可免除預(yù)熱和焊后熱處理，但關(guān)于不含穩(wěn)定元素的各種鋼，熱影響區(qū)的敏化仍然存在，常用309型和310型鉻鎳奧氏體焊材。關(guān)于Cr17鋼，也可用308型焊材，合金含量高的焊材有利于提升焊接接頭塑性。奧氏體或奧氏體一鐵素體焊縫金屬基本與鐵素體母材等強，但在某些腐蝕介質(zhì)中，焊縫的耐蝕性可能與母材有很大的不同，這一點在選擇焊材時要注意。3.馬氏體不銹鋼焊材選用在不銹鋼中，馬氏體不銹鋼是可以利用熱處理來調(diào)整性能的，因此，為了確保使用性能的要求，特別是耐熱用馬氏體不銹鋼，焊縫成分應(yīng)盡量接近母材的成分。為了防止冷裂痕，也可采納奧氏體焊材，這時的焊縫強度必定低于母材。焊縫成分同母材成分相近時，焊縫和熱影響區(qū)將會同時硬化變脆，同時在熱影響區(qū)中出現(xiàn)回火軟化區(qū)。為了防止冷裂，厚度3mm以上的構(gòu)件往往要進行預(yù)熱，焊后也往往需要進行熱處理，以提升接頭性能，由于焊縫金屬與母材的熱膨脹系數(shù)基本一致，經(jīng)熱處理后有可能完全消除焊接應(yīng)力。當(dāng)工件不同意進行預(yù)熱或熱處理時，可選擇奧氏體組織焊縫，由于焊縫具有較高的塑性和韌性，能松弛焊接應(yīng)力，并且能較多地固溶氫，因而可降低接頭的冷裂傾向，但這種材質(zhì)不均勻的接頭，由于熱膨脹系數(shù)不同，在循環(huán)溫度的工作環(huán)境下，在熔合區(qū)可能產(chǎn)生剪應(yīng)力，而導(dǎo)致接頭破壞。關(guān)于簡單的Cr13型馬氏體鋼，不采納奧氏體組織的焊縫時，焊縫成分的調(diào)整余地不多，一般都和母材基體相同，但必需限制有害雜質(zhì)S、P及Si等，Si在Cr13型馬氏體鋼焊縫中可促使形成粗大的馬氏體。降低含C量，有利于減小淬硬性，焊縫中存在少量Ti、N或Al等元素，也可細化晶粒并降低淬硬性。關(guān)于多組元合金化的Cr12基馬氏體熱強鋼，主要用途是耐熱，通常不用奧氏體焊材，焊縫成分希望接近母材。在調(diào)整成分時，必需確保焊縫不致出現(xiàn)一次鐵素體相，因它對性能十分有害，由于Cr13基馬氏體熱強鋼的主要成分多為鐵素體元素(如Mo、Nb、W、V等)，為確保全部組織為均一的馬氏體，必需用奧氏體元素加以平衡，也就是要有適當(dāng)?shù)腃、Ni、Mn、N等元素。馬氏體不銹鋼具有相當(dāng)高的冷裂傾向，因此必需嚴格堅持低氫，甚至超低氫，在選擇焊材時，必需要注意這一點。壓力容器用不銹鋼焊接要點1.奧氏體不銹鋼焊接要點總的來說，奧氏體不銹鋼具有合格的焊接性。幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼的熱物理性能和組織特點決定了其焊接工藝要點。①由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小而熱膨脹系數(shù)大，焊接時易于產(chǎn)生較大的變形和焊接應(yīng)力，因此應(yīng)盡可能選用焊接能量集中的焊接方法。②由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，在同樣的電流下，可比低合金鋼得到較大的熔深。同時又由于其電阻率大，在焊條電弧焊時，為了避免焊條發(fā)紅，與同直徑的碳鋼或低合金鋼焊條相比，焊接電流較小。③焊接規(guī)范。一般不采納大線能量進行焊接。焊條電弧焊時，宜采納小直徑焊條，快速多道焊，關(guān)于要求高的焊縫，甚至采納澆冷水的方法以加速冷卻，關(guān)于純奧氏體不銹鋼及超級奧氏體不銹鋼，由于熱裂痕敏感性大，更應(yīng)嚴格控制焊接線能量，防止焊縫晶粒嚴重長大與焊接熱裂痕的發(fā)生。④為提升焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能，焊接時，要特別注意焊接區(qū)的清潔，避免有害元素滲入焊縫。⑤奧氏體不銹鋼焊接時一般不需要預(yù)熱。為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長大及碳化物的析出，確保焊接接頭的塑、韌性和耐蝕姓，應(yīng)控制較低的層間溫度，一般不超過150℃。2.鐵素體不銹鋼焊接要點鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對較多，奧氏體形成元素相對較少，材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)晶粒顯然長大，接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區(qū)晶粒長大的程度取決于焊接時所達到的最高溫度及其堅持時間，為此，在焊接鐵素體不銹鋼時，應(yīng)盡量采納小的線能量，即采納能量集中的方法，如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等，同時盡可能采納窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施，并嚴格控制層間溫度。由于焊接熱循環(huán)的作用，一般鐵素體不銹鋼在熱影響區(qū)的高溫區(qū)產(chǎn)生敏化，在某些介質(zhì)中產(chǎn)生晶間腐蝕。焊后經(jīng)700~850℃退火處理，使鉻均勻化，可恢復(fù)其耐蝕性。一般高鉻鐵素體不銹鋼可采納焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高鉻鋼固有的低塑性，以及焊接熱循環(huán)引起的熱影響區(qū)晶粒長大和碳化物、氮化物在晶界集聚，焊接接頭的塑性和韌性都很低。在采納與母材化學(xué)成分相似的焊材且拘束度大時，很易產(chǎn)生裂痕。為了防止裂痕，改善接頭塑性和耐蝕性，以焊條電弧焊為例，可以采用以下工藝措施。①預(yù)熱100~150℃左右，使材料在富有韌性的狀態(tài)下焊接。含鉻越高，預(yù)熱溫度應(yīng)越高。②采納小的線能量、不擺動焊接。多層焊時，應(yīng)控制層間溫度不高于150℃，不宜連續(xù)施焊，以減小高溫脆化和475℃脆性影響。③焊后進行750~800℃退火處理，由于碳化物球化和鉻分布均勻，可恢復(fù)耐蝕性，并改善接頭塑性。退火后應(yīng)快冷，防止出現(xiàn)σ相及475℃脆性。3.馬氏體不銹鋼焊接要點關(guān)于Cr13型馬氏體不銹鋼，當(dāng)采納同材質(zhì)焊條進行焊接時，為了降低冷裂痕敏感性，確保焊接接頭塑、韌性，應(yīng)選用低氫型焊條并同時采用以下措施：①預(yù)熱。預(yù)熱溫度隨鋼材含碳量的增加而提升，一般在100℃~350℃范圍內(nèi)。②后熱。關(guān)于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭，焊后采用后熱措施，以防止焊接氫致裂痕。③焊后熱處理。為改善焊接接頭塑、韌性和耐蝕性，焊后熱處理溫度一般為650℃~750℃，保溫時間按1h/25mm計。關(guān)于超級及低碳馬氏體不銹鋼，一般可不采用預(yù)熱措施，當(dāng)拘束度大或焊縫中含氫量較高時，采用預(yù)熱及后熱措施，預(yù)熱溫度一般為100℃~150℃，焊后熱處理溫度為590~620℃。關(guān)于含碳量較高的馬氏體鋼。或在焊前預(yù)熱、焊后熱處理難以實施，以及接頭拘束度較大的狀況下，工程中也可用奧氏體型的焊材，以提升焊接接頭的塑、韌性，防止產(chǎn)生裂痕。但此時焊縫金屬為奧氏體組織或以奧氏體為主的組織時，與母材強度相比實為低強匹配，而且焊縫金屬與母材在化學(xué)成分、金相組織、熱物理性能、力學(xué)性能差別很大，焊接殘余應(yīng)力不可避免，容易引發(fā)應(yīng)力腐蝕或高溫蠕變破壞。雙相不銹鋼的焊接1.雙相不銹鋼的類型雙相不銹鋼由于具有奧氏體+鐵素體雙相組織，且兩個相組織的含量基本相當(dāng)，故兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。屈服強度可達400Mpa~550MPa，是一般奧氏體不銹鋼的2倍。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的韌性高，脆性轉(zhuǎn)變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提升；同時又保留了鐵素體不銹鋼的一些特點，如475℃脆性、熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)小，具有超塑性及磁性等。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的強度高，特別是屈服強度顯著提升，且耐孔蝕性、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲憊等性能也有顯然的改善。雙相不銹鋼按其化學(xué)成分分類，可分為Cr18型、Cr23(不含Mo)型、Cr22型和Cr25型四類。關(guān)于Cr25型雙相不銹鋼又可分為一般型和超級雙相不銹鋼，其中近年來應(yīng)用較多的是Cr22型和Cr25型。我國采納的雙相不銹鋼以瑞典產(chǎn)居多，具體牌號有：3RE60(Cr18型)，SAF2304(Cr23型)，SAF2205(Cr22型)，SAF2507(Cr25型)。2.雙相不銹鋼的焊接特點①雙相不銹鋼具有合格的焊接性，它既不像鐵素體不銹鋼焊接時熱影響區(qū)易脆化，也不像奧氏體不銹鋼易產(chǎn)生焊接熱裂痕，但由于它有大量的鐵素體，當(dāng)剛性較大或焊縫含氫量較高時，有可能產(chǎn)生氫致冷裂痕，因此嚴格控制氫的來源是非常重要的。②為了確保雙相鋼的特點，確保焊接接頭的組織中奧氏體及鐵素體比例合適是這類鋼焊接的關(guān)鍵所在。當(dāng)焊后接頭冷卻速度較慢時，δ→γ的二次相變化較充分，因此到室溫時可得到相比例比較合適的雙相組織，這就要求在焊接時要有適當(dāng)大的焊接熱輸人量，否則假設(shè)焊后冷卻速度較快時，會使δ鐵素體相增多，導(dǎo)致接頭塑韌性及耐蝕性嚴重下降。3.雙相不銹鋼焊材選用雙相不銹鋼用的焊材，其特點是焊縫組織為奧氏體占優(yōu)的雙相組織，主要耐蝕元素(鉻、鉬等)含量與母材相當(dāng)，從而確保與母材相當(dāng)?shù)哪臀g性。為了確保焊縫中奧氏體的含量，通常是提升鎳和氮的含量，也就是提升約2％~4％的鎳當(dāng)量。在雙相不銹鋼母材中，一般都有一定量的氮含量，在焊材中也希望有一定的含氮量，但一般不宜太高，否則會產(chǎn)生氣孔。這樣鎳含量較高就成了焊材與母材的一個主要區(qū)別。依據(jù)耐腐蝕性、接頭韌性的要求不同來選擇與母材化學(xué)成分相匹配的焊條，如焊接Cr22型雙相不銹鋼，可選用Cr22Ni9Mo3型焊條，如E2209焊條。采納酸性焊條時脫渣合格，焊縫成形美觀，但沖擊韌性較低，當(dāng)要求焊縫金屬具有較高的沖擊韌性，并需進行全位置焊接時，應(yīng)采納堿性焊條。當(dāng)根部封底焊時，通常采納堿性焊條。當(dāng)對焊縫金屬的耐腐蝕性能具有特別要求時，還應(yīng)采納超級雙相鋼成分的堿性焊條。關(guān)于實心氣體保護焊焊絲，在確保焊縫金屬具有合格耐腐蝕性與力學(xué)性能的同時，還應(yīng)注意其焊接工藝性能，關(guān)于藥芯焊絲，當(dāng)要求焊縫成形美觀時，可采納金紅石型或鈦鈣型藥芯焊絲，當(dāng)要求較高的沖擊韌度或在較大的拘束度條件下焊接時，宜采納堿度較高的藥芯焊絲。關(guān)于埋弧焊宜采納直徑較小的焊絲，實現(xiàn)中小焊接規(guī)范下的多層多道焊，以防止焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬的脆化，并采納配套的堿性焊劑。4.雙相不銹鋼的焊接要點①焊接熱過程的控制焊接線能量、層間溫度、預(yù)熱及材料厚度等都會影響焊接時的冷卻速度，從而影響到焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能。冷卻速度太快和太慢都會影響到雙相鋼焊接接頭的韌性和耐腐蝕性能。冷卻速度太快時會引起過多的α相含量以及Cr2N的析出增加。過慢的冷卻速度會引起晶粒嚴重粗大，甚至有可能析出一些脆性的金屬間化合物，如σ相。表10-6列出了一些推舉的焊接線能量和層間溫度的范圍。在選擇線能量時還應(yīng)合計到具體的材料厚度，表中線能量的上限合適于厚板，下限合適于薄板。在焊接合金含量高的ω(Cr)為25%的雙相鋼和超級不銹鋼時，為獲得最正確的焊縫金屬性能，建議最高層間溫度控制在100℃。當(dāng)焊后要求熱處理時可以不限制層間溫度。表10-6推舉選用的雙相鋼線能量和層間溫度鋼材類型線能量/(kJ/cm)最高層間溫度/℃Cr23%無Mo雙相鋼5~25150~200Cr22%雙相鋼5~25125~200Cr25%(Cu0~2.5%)雙相鋼2~15100~150Cr25%超級雙相鋼2~15100~150②焊后熱處理雙相不銹鋼焊后最好不進行熱處理，但當(dāng)焊態(tài)下α相含量超過了要求或析出了有害相，如σ相時，可采納焊后熱處理來改善。所用的熱處理方法是水淬。熱處理時加熱應(yīng)盡可能快，在熱處理溫度下的保溫時間為5~30min，應(yīng)該足以恢復(fù)相的平衡。在熱處理時金屬的氧化非常嚴重，應(yīng)合計采納惰性氣體保護。關(guān)于ω(Cr)為22%的雙相鋼應(yīng)在1050℃~1100℃溫度下進行熱處理，而ω(Cr)為25%的雙相鋼和超級雙相鋼要求在1070℃~1120℃溫度下進行熱處理。不銹鋼壓力容器焊接實例直徑為800mm，壁厚為10mm的閃蒸罐〔圖10-7〕，殼體材質(zhì)為0Cr18Ni9，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表10-7。圖10-7閃蒸罐簡圖表10-7閃蒸罐焊接工藝焊縫編號焊縫位置焊接方法焊接材料說明1A1、B1殼體縱、環(huán)縫雙面SMAWA102①B2殼體合攏焊縫GTAW打底SMAW蓋面TGF-308LA102②C1-C4D1-D4接管與平焊法蘭角焊縫接管與殼體角焊縫SMAWA102③E1支座與殼體焊接角焊縫GMAW(CO2焊)TFW-308L④說明：①筒體直徑為800mm，焊工可以鉆入筒體內(nèi)焊接，故筒體縱、環(huán)縫故采納焊條電弧焊進行雙面焊。②本設(shè)備無人孔，故合攏焊縫只能從外側(cè)焊接。為確保焊接質(zhì)量，采納TIG焊打底。但不銹鋼氬弧焊焊接時背面金屬會被氧化，以前只能通過采納背面充氬保護的方法，但是當(dāng)設(shè)備較大或背面無法實施氬氣保護時，將大量浪費氬氣，且仍可能出現(xiàn)保護不好。為解決這一工藝難題，日本油脂公司焊接事業(yè)部開發(fā)制造了一種背面自保護不銹鋼TIG焊絲，這是一種具有特別涂層的焊絲，涂層〔即藥皮〕熔化后會滲透到熔池背面，形成一層致密的保護層，相當(dāng)于焊條藥皮的作用。這用焊絲的使用方法與一般的TIG焊絲完全相同，涂層不會影響正面的電弧和熔池形態(tài)，大大降低了不銹鋼氬弧焊的焊接成本。本設(shè)備中，假設(shè)采納背面氬氣保護，氬氣浪費嚴重，故采納了自保護焊絲。③接管與平焊法蘭角焊縫、接管與殼體角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。假設(shè)接管直徑太小，為了減少焊接難度，也可以采納TIG焊。④支座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采納熔化極氣體保護焊(保護氣體為純CO2)，效率高，焊縫成形好。TFW-308L為焊材牌號，其焊材型號為E308LT1-1(AWSA5.22)。第五節(jié)有色金屬壓力容器的焊接壓力容器設(shè)備中，除廣泛使用碳鋼、低合金鋼及不銹鋼外，有色金屬如鈦及鈦合金、鎳及鎳基合金、銅及銅合金、鋁及鋁合金的應(yīng)用也日益增多。由于這些有色金屬具有不銹鋼所不能比的優(yōu)點，所以在一些特別的重要場合已占有主導(dǎo)地位。一、鎳基耐蝕合金的焊接鎳及鎳基合金具有特別的物理、力學(xué)及耐腐蝕性能，鎳基耐蝕合金在200℃~1090℃范圍內(nèi)能耐各種腐蝕介質(zhì)的腐蝕，同時具有合格的高溫柔低溫力學(xué)性能。在一些苛刻腐蝕條件下是一般不銹鋼無法取代的合格材料。純鎳一般在工業(yè)中應(yīng)用較少，但在鎳中添加入鉻、銅、鐵、鉬、鋁、鈦、鈮、鎢等元素后，通過固溶強化，不但改善其力學(xué)性能，而且可適應(yīng)于各種腐蝕介質(zhì)下腐蝕，使其具有合格的耐腐蝕性。1.鎳基耐蝕合金的焊接特點①易產(chǎn)生焊接熱裂痕由于鎳基合金為單相奧氏體組織，所以與不銹鋼相比，具有高的焊接熱裂痕敏感性，特別是焊縫易產(chǎn)生多邊化晶間裂痕。這種裂痕一般為微裂痕，焊后對焊縫進行著色檢查時，短時間都發(fā)現(xiàn)不了，但經(jīng)過一段時間后，才顯露出來。這說明裂痕非常微細，但有時也能發(fā)展為較寬的宏觀裂痕。如果在單相奧氏體焊縫中加人固溶強化的鉬、鎢、錳、鉻、鈮等元素，就可有效地抑制鎳基合金焊縫多邊化結(jié)晶的發(fā)展，從而顯著提升抗熱裂痕能力。限制線能量，避免采納大線能量焊接也有利于防止熱裂痕的產(chǎn)生。此時注意，如果線能量過小，會加速焊縫的凝固結(jié)晶速度，更易形成多邊化晶界，在一定應(yīng)力下有助于多邊化裂痕的產(chǎn)生。②液態(tài)金屬流動性差，焊縫熔深淺這是鎳基合金的固有特性?？考哟蠛附与娏鞑皇墙鉀Q此問題的辦法，因為電流增加會引起裂痕和氣孔，降低接頭的耐蝕性能，所以為了獲得合格的焊縫成形，應(yīng)采納小擺動工藝，另外要加大坡口角度，減小坡口鈍邊。2.鎳基耐蝕合金的焊接要點鎳基合金一般可采納與奧氏體不銹鋼相同的焊接方法進行焊接。這里就最常用的鎢極氣體保護焊和焊條電弧焊進行論述。無論是何種焊接方法，焊前一定要徹底清理焊接區(qū)表面，鎳基合金對污染物的危害極為敏感，母材應(yīng)盡可能在固溶狀態(tài)下焊接。①鎢極氣體保護焊是應(yīng)用最廣泛的，幾乎合適于任何一種可熔焊的鎳基合金，特別合適于薄件和小截面構(gòu)件。保護氣體最常用的是氬氣，它成本低，密度大，保護效果好。氬氣中加5％氫氣，有還原作用，一般只用于第一層焊道和單道焊，多層焊的其余焊道可能要產(chǎn)生氣孔。氦氣保護焊應(yīng)用較少，但有如下特點，氦氣導(dǎo)熱大，向熔池線能量比較大，能提升焊接速度，減少了氣孔的可能性，但氦弧焊，電流小于60A時，電弧不穩(wěn)定。鎢極氣體保護焊焊一般使用直流正接，采納高頻引弧以及電流衰減的收弧技術(shù)。在確保焊透的條件下，應(yīng)采納較小的焊接線能量，多層焊時應(yīng)控制層間溫度，焊接析出強化合金及熱裂痕敏感性大的合金時，更要注意控制層間溫度。弧長盡量短，薄件焊接時焊槍可不作擺動，但厚板多層焊時，為使熔敷金屬與母材及前道焊縫充分熔合，焊槍仍可適當(dāng)?shù)臄[動。為確保單面焊完全焊透需要用帶凹形槽的銅襯墊，通以保護氣體進行反面保護。為強化焊接區(qū)的保護效果，也可在焊嘴后側(cè)加一輔助輸入保護氣體的拖罩。②使用焊條電弧焊時焊接鎳基合金時，由于焊條含合金元素多，且要求防止熱裂痕，一般鎳基合金焊條的藥皮類型為堿性藥皮，采納直流反接。為了防止合金元素的燒損和控制線能量，焊接時要求盡可能采納小規(guī)范，與同規(guī)格的不銹鋼焊條相比，電流可降低20％~30％。由于液態(tài)金屬的流動性差，為防止未熔合和氣孔等缺陷，一般要求在焊接過程中適當(dāng)擺動，但不能過大。在焊縫接口再引弧時，應(yīng)采納反向引弧技術(shù)，以利調(diào)整接口處焊縫平滑并且能有利于抑制氣孔的發(fā)生。采納逆向收弧，把弧坑填滿，防止弧坑裂痕，必要時要對弧坑進行打磨。二、鈦及鈦合金的焊接鈦及鈦合金具有合格的耐腐蝕性能，在氧化性、中性及有氯離子介質(zhì)中，其耐腐蝕性優(yōu)于不銹鋼，有時甚至為一般奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的10倍。工業(yè)純鈦塑性好，但強度較低，具有合格的低溫性能，其線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率都不大，這都不會給焊接帶來困難。鈦合金的比強度大，又具有合格的韌性和焊接性，在航天工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。鈦及鈦合金在我國現(xiàn)行標準中按其退火態(tài)的組織分為α鈦合金、β鈦合金和α+β鈦合金三類，分別用TA、TB和TC表示。在石化行業(yè)中的壓力容器設(shè)備中，牌號為TA2這種工業(yè)純鈦使用為居多。1.鈦及鈦合金的焊接特點①雜質(zhì)元素的沾污引起脆化鈦是一種活性元素，特別是在焊接高溫下非常容易汲取氮、氫、氧，從而使焊縫的硬度、強度增加，塑性、韌性降低，引起脆化。碳也會與鈦形成硬而脆的TiC，易引起裂痕。因此，鈦及鈦合金焊接時必需進行有效的保護，防止空氣或其他因素的污染。因此鈦及鈦合金焊接不能采納氣焊或焊條電弧焊方法進行，否則接頭滿足不了焊接質(zhì)量要求，一般只能采納氬氣保護或在真空下焊接。②焊接相變引起的接頭塑性下降常用的工業(yè)純鈦為α合金，焊接時由于鈦導(dǎo)熱差、比熱小、高溫停留時間長、冷卻速度慢，易形成粗大結(jié)晶；假設(shè)采納加速冷卻，又易產(chǎn)生針狀α組織，也會使塑性下降。③產(chǎn)生焊接裂痕鈦合金焊接時產(chǎn)生的焊接熱裂痕的幾率極小，只有當(dāng)焊絲或母材質(zhì)量不問題時才可能產(chǎn)生熱裂痕。由氫引起的冷裂痕是鈦合金焊接時應(yīng)注意防止的，焊接時熔池和低溫區(qū)母材中的氫向熱影響區(qū)擴散，引起熱影響區(qū)含氫量增加，造成熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂痕。④氣孔鈦及鈦合金焊接時氣孔是最常見的焊接缺陷。焊絲或母材表面清理不干凈或氬氣不純都會造成氣孔產(chǎn)生，因此保護氣-氬氣純度要求在99.99％以上，焊絲及工件表面要酸洗、凈水沖洗后烘干。2.鈦及鈦合金的鎢極氬弧焊鈦及鈦合金焊接時采納最多的就是鎢極氬弧焊，關(guān)于較厚的工件也可采納熔化極氬弧焊，關(guān)于技術(shù)要求嚴格的航天工業(yè)中一些重要設(shè)備常常也采納真空電子束焊接。①焊絲的選用。焊絲的選用應(yīng)使在正常焊接工藝下的焊縫在焊后狀態(tài)的抗拉強度不低于母材退火狀態(tài)的標準抗拉強度下限值，焊縫焊后狀態(tài)的塑性和耐蝕性能不低于退火狀態(tài)下的母材或與母材相當(dāng)，焊接性能合格，能滿足鈦容器制造和使用的要求。焊絲中的氮、氧、碳、氫、鐵等雜質(zhì)元素的標準含量上限值應(yīng)大大低于母材中雜質(zhì)元素的標準含量上限值。不同意從所焊母材上裁條充當(dāng)焊絲，應(yīng)采納JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》中附錄D中的焊絲用作鈦容器用焊絲。雜質(zhì)元素含量不高于JB/T4745-2002中附錄D的其他標準的焊絲也可使用。母材牌號與推舉所用焊絲牌號表列于表10-8中。表10-8鈦及鈦合金推舉焊材母材牌號TA0、TA1-ATA1TA2TA3TA9TA10推舉所用焊絲牌號STA0RSTA1RSTA2RSTA3RSTA9RSTA10R一般狀況下可按表10-8依據(jù)所焊母材牌號來選擇相應(yīng)的焊絲牌號，并通過JB/T4745-2002中附錄B的焊接工藝評定驗證。不同牌號的鈦材相焊時，一般按耐蝕性能較好和強度級別較低的母材去選擇焊絲材料。②保護氣體的選用。焊接用氬氣純度不應(yīng)低于99.99％，露點不應(yīng)高于-50℃，且符合GB4842-1984的規(guī)定。當(dāng)瓶裝氬氣的壓力低于0.5MPa時不宜使用。③鎢極。鎢極氬弧焊時推舉采納鈰鎢電極。電極直徑應(yīng)依據(jù)焊接電流大小選擇，電極端部應(yīng)為圓錐形。鈦及鈦合金氬弧焊時，最關(guān)鍵的是要將焊接高溫區(qū)與空氣隔離開，為了有效地進行保護，焊炬噴嘴、拖罩和背面保護裝置通以適量流量的氬氣是極其重要的。焊縫及近縫區(qū)顏色是衡量保護效果的標志，銀白色、淺黃色表示保護效果好，深黃色為稍微氧化，一般狀況下還是同意的，金紫色表示中度氧化，深藍色表示嚴重氧化，至于灰白色是絕對不同意的，表示焊縫已經(jīng)變質(zhì)，必需報廢重焊。三、鋁及鋁合金的焊接壓力容器中常用純鋁、鋁-錳合金和鋁-鎂合金。鋁錳合金僅可變形強化，其強度比純鋁略高，成形工藝及耐蝕性、焊接性好。鋁鎂合金僅可變形強化，其ω(Mg)一般為0.5％~7.0％，與其他鋁合金相比，鋁鎂合金具有中等強度，其延性、焊接性能、耐蝕性合格。鋁在空氣和氧化性水溶液介質(zhì)中，表面產(chǎn)生致密的氧化鋁鈍化膜，因而在氧化性介質(zhì)中具有合格的耐蝕性。鋁在低溫下與鐵素體鋼不同，不存在脆性轉(zhuǎn)變，鋁容器的制定溫度可達-269℃。1.鋁及鋁合金焊接特點鋁極易氧化，在常溫空氣中即生成致密的A12O3薄膜，焊接時造成夾渣，氧化鋁膜還會吸附水分，焊接時會促使焊縫生成氣孔。焊接時，對熔化金屬和高溫金屬應(yīng)進行有效的保護。鋁的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，鋁凝固時的體積收縮率也比鋼大得多，鋁焊接時熔池容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂痕及較高的內(nèi)應(yīng)力。鋁及鋁合金液體熔池易汲取氫等氣體，當(dāng)焊后冷卻凝固過程中來不及析出，在焊縫中形成氣孔。當(dāng)母材為變形強化或固溶時效強化時，焊接熱影響區(qū)強度將下降。2.焊接方法鋁及鋁合金適用的方法很多，壓力容器上施焊時，常常采納鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊，這兩種焊接方法熱量比較集中，電弧燃燒穩(wěn)定，由于采納隋性氣體，保護合格，容易控制雜質(zhì)和水分來源，減少熱裂痕和氣孔的發(fā)生，焊縫質(zhì)量合格，鎢極氬弧焊一般用于薄板，熔化極氣體保護焊用于厚板。3.焊絲材料選用的焊絲應(yīng)使焊縫金屬的抗拉強度不低于母材(非熱處理強化鋁為退火狀態(tài)，熱處理強化鋁為指定值)的標準抗拉強度下限值或指定值，并使焊縫金屬的塑性和耐蝕性不低于或接近于母材，或滿足圖樣要求。為確保焊縫的耐蝕性，在焊接純鋁時宜用純度與母材相近或純度比母材稍高的焊絲。在焊接鋁鎂合金或鋁錳合金等耐蝕鋁合金時，宜采納含鎂量或含錳量與母材相近或比母材稍高的焊絲。焊絲可從GB/T10858-1989《鋁及鋁合金焊絲》中選取，也可從化學(xué)成分與變形鋁及鋁合金相同(符合GB/T3190-1996《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》)的絲材中選取，如按(GB/T3197-2001《焊條用鋁合金線》。常用的保護氣體有氬氣和氮氣，其氣體純度應(yīng)大于％。由于鈰鎢極化學(xué)穩(wěn)定性好，陰極斑點小，壓降低，燒損少，易于引弧，電弧穩(wěn)定性好。宜選用鈰鎢極。三、銅及銅合金的焊接常用的銅及銅合金有四種：純銅，黃銅，青銅和白銅。在壓力容器中純銅與黃銅使用較多。純銅是ω(Cu)不低于99.5％的工業(yè)純銅，具有合格的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，合格的常溫柔低溫塑性，以及對海水等的耐腐蝕性，純銅中的雜志如氧、硫、鉍等都不同程度地降低純銅的合格性能，增加材料的冷脆性和接頭中出現(xiàn)熱裂痕的傾向。黃銅系銅和鋅組成的二元合金，黃銅與純銅強度、硬度和耐腐蝕能力都高，且具有一定塑性，能很好承受熱加工和冷加工，ω(Zn)在<30％~40％的黃銅具有α相與少量的β相，因而提升了強度、塑性、耐蝕性、但對焊接性不利。1.銅及銅合金焊接特點銅及銅合金導(dǎo)熱率高，線脹系數(shù)和收縮率大，當(dāng)焊接線能量不夠時，則容易產(chǎn)生未熔合、未焊透，焊后變形也較嚴重，外觀成形差。焊接時，銅能與其中雜質(zhì)生成多種低熔點共晶，在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生熱裂痕，雜質(zhì)中以氧的危害性最大。熔焊銅及銅合金時，由于溶解的氫和氧化還原反應(yīng)引起氣孔，幾乎分布在焊縫的各個部位。同時，由于晶粒嚴重長大，雜質(zhì)和合金元素的摻人，有用合金元素的氧化、蒸發(fā)，使焊接接頭性能發(fā)生很大的變化。2.焊接方法焊接銅及銅合金需要大功率、高能束的熔焊熱源，熱效率越高，能量越集中愈有利，不同厚度的材料關(guān)于不同焊接方法有其適應(yīng)性，薄板焊接以鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和氣焊為好，中板以熔化極氣體保護焊和電子束焊較合適，厚板則建議使用埋弧焊、MIG焊和電渣焊。3.焊接材料①焊條焊條電弧焊用焊條分為純銅、青銅兩類，由于黃銅中的鋅容易蒸發(fā)，因而極少采納焊條電弧焊。純銅焊條型號ECu為低氫型藥皮，用于焊接脫氧或無氧銅結(jié)構(gòu)件，在大氣及海水中具有合格的耐腐蝕性。②埋弧焊用焊絲與焊劑埋弧焊的特點是電熱效率高，對熔池的保護效果好。大、中厚度銅焊件的焊接工藝與鋼基本相同，可選用高硅高錳焊劑HJ431，但可能發(fā)生合金元素向焊縫過渡，對接頭性能要求高的焊件宜選用HJ260、HJ150。焊絲則選用純銅焊絲、青銅焊絲、焊接純銅和黃銅。③氣體保護焊用焊絲銅薄板和中板焊接，使用氣保焊逐漸取代氣焊、焊條電弧焊，電極一般采納釷鎢極(EWTh-2)。焊接純銅，一般選用含有ω％，ω(P)％或ω(Ti)0.3％~0.5％脫氧劑的無氧銅焊絲，如HSCu。焊接一般黃銅，采納無氧銅加脫氧劑的錫青銅焊絲，如HSCuSn。對高強度黃銅則采納青銅加脫氧劑的硅青銅焊絲或鋁青銅焊絲，如：HSCuAl、HSCuSi等。保護氣體則選用氬氣(Ar)或Ar+He(Ar+He混合比50/50或30/70)，采納Ar+He混合氣體的最大優(yōu)點是可以改善焊縫金屬的潤濕性，提升焊接質(zhì)量。由于氦氣保護時輸入熱量比氬氣保護時大，故可降低預(yù)熱溫度。4.焊接工藝①焊前要預(yù)熱或在焊接過程中采用同步加熱的措施。②嚴格限制銅中的雜質(zhì)含量，通過焊絲加人硅、錳、磷等合金元素，增加對焊縫的脫氧能力，選用能獲得α+β組織的焊絲等措施防止焊接接頭裂痕與減少氣孔。③控制焊后冷卻速度，防止焊接變形。第五節(jié)壓力容器中異種鋼的焊接異種鋼焊接概述及其焊接特點兩種牌號不同的鋼之間的焊接稱之為異種鋼焊接，它是屬于異種金屬焊接中應(yīng)用最為廣泛的一類接頭。關(guān)于異種鋼焊接接頭又可分為兩種狀況，第一類為同類異種鋼組成的接頭，這類接頭的兩側(cè)母材雖然化學(xué)成分不同，但都屬于鐵素體類鋼或都屬于奧氏體類鋼；第二類接頭為異類異種鋼組成，即接頭兩側(cè)的母材不屬于同一類鋼，例如一側(cè)為鐵素體類鋼，另一側(cè)為奧氏體類鋼(如奧氏體不銹鋼)。關(guān)于母材都屬于鐵素體類鋼，其焊縫采納奧氏體不銹鋼焊條或鎳基焊條焊接的接頭，也屬于第二類接頭。由于異種鋼接頭兩側(cè)的母材無論從化學(xué)成分上還是物理、化學(xué)性能上都存在著差異，因此，焊接時，要比同一種鋼自身之間的焊接要復(fù)雜得多。異種鋼焊接時存在以下焊接特點：①接頭中存在著化學(xué)成分的不均勻性異種鋼焊接接頭的化學(xué)成分不均勻性及由此而導(dǎo)致的組織和力學(xué)性能不均勻性問題極為特別，特別是關(guān)于第二類異種鋼接頭更是如此。不僅焊縫與母材的成分往往不同，就連焊縫本身的成分也是不均勻的，這主要是由于焊接時稀釋率的存在所造成的。這種化學(xué)成分的不均勻性對接頭的整體性能影響較大。②接頭熔合區(qū)組織和性能的不穩(wěn)定性在母材與焊縫金屬之間的熔合區(qū)由于存在著顯然的宏觀化學(xué)成分不均勻性，因此就引起組織極大的不均勻性，給接頭的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能帶來很大影響。比如用奧氏體不銹鋼焊條焊接低合金鋼與奧氏體不銹鋼之間的異種鋼接頭，在熔合區(qū)就存在著“碳遷移〞現(xiàn)象，使熔合區(qū)靠焊縫一側(cè)形成增碳層，而低合金鋼一側(cè)形成脫碳層，在此區(qū)域內(nèi)硬度變化劇烈，同時力學(xué)性能下降，甚至引起開裂。③焊后熱處理是較難處理的問題異種鋼接頭的焊后熱處理是一個比較難處置的問題，如果處置不當(dāng)，會嚴重損壞異種鋼接頭的力學(xué)性能，甚至造成開裂。例如關(guān)于同類異種鋼接頭，一側(cè)母材強度較低，要求的焊后熱處理溫度也較低，而另一側(cè)母材強度及合金元素含量較高，要求的焊后熱處理溫度較高，此時如果PWHT溫度選擇不當(dāng)，會使強度低的一側(cè)母材強度下降過度。異種鋼焊接工藝要點1.焊材選擇正確地選用焊材是焊接異種鋼的關(guān)鍵，焊接接頭的質(zhì)量和使用性能與所選用的焊材密切相關(guān)。異種鋼接頭的焊縫和熔合區(qū)，由于合金元素被稀釋及碳的遷移等原因存在一個過渡區(qū)，過渡區(qū)中不但化學(xué)成分、金相組織不均勻，而且物理性能、力學(xué)性能等通常也有