【正文】 焊接時(shí)，雖然奧氏體不銹鋼的焊縫金屬熱脹冷縮量比較大，但由于它塑性較好，通過(guò)自身的調(diào)節(jié)和平衡，焊接殘余應(yīng)力并不大，工程上很少出現(xiàn)由焊接殘余應(yīng)力而引起的奧氏體不銹鋼破壞的實(shí)例。 b、高溫回火 高溫回火熱處理是利用了焊縫金屬的高溫蠕變，使焊接殘余應(yīng)力發(fā)生松馳，從而達(dá)到消除或減緩焊接殘余應(yīng)力、穩(wěn)定組織的目的。a、正火正火的工藝見(jiàn)第九章所述（高溫回火和穩(wěn)定化熱處理同）。表10－3給出了SH3501施工規(guī)范對(duì)常用金屬材料的焊后熱處理要求。如工作溫度低于－20℃除奧氏體不銹鋼以外的材料； f、受交變應(yīng)力作用時(shí)。如鉻鉬合金鋼、鉻鉬釩合金鋼等； b、焊接構(gòu)件較厚的低碳鋼。 焊后熱處理 上節(jié)中已講到了焊后熱處理的必要性。表103即為SH3051標(biāo)準(zhǔn)給出的常用材料的焊前預(yù)熱要求：表103 常用金屬材料的焊前預(yù)熱和焊后熱處理要求鋼種或鋼號(hào)焊接構(gòu)件壁厚，mm預(yù)熱溫度，℃焊后熱處理溫度，℃10，20≥26100~200≥30600~65016Mn≥15150~200≥19600~65012CrMo≥15150~200650~70015CrMo≥12150~200≥13700~75012Cr1MoV≥6200~300≥13700~7501Cr5Mo任意厚度250~350750~780，任意厚度100~150≥19600~630當(dāng)焊接環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，除奧氏體不銹鋼外，按上面規(guī)定不需要預(yù)熱的材料均需要預(yù)熱到15℃以上。為了減少這個(gè)熱變形或熱應(yīng)力，使它不致于對(duì)焊件產(chǎn)生破壞作用，故常常對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊前預(yù)熱或焊后熱處理。但現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)，管子的切割和坡口制備則較少采用機(jī)械法。其坡口制備的尺寸精度不如機(jī)械方法，但卻具有操作靈活的特點(diǎn)。但其切割溫度較低，對(duì)高合金材料甚至切不動(dòng)；火焰切割時(shí)的熱量不如等離子切割時(shí)集中，故其熱影響區(qū)較大，對(duì)于淬硬性較強(qiáng)的金屬，切割后的坡口修整工作量較大（因?yàn)榇藭r(shí)的淬硬層在焊接之前必須清除，否則容易焊裂）。這種接頭的焊縫金屬受力比較復(fù)雜，又常處于應(yīng)力集中區(qū)，故該處的母材金屬常常要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。但對(duì)于壁厚較薄的構(gòu)件，如果采用對(duì)焊接頭，很容易出現(xiàn)燒穿、焊漏等缺陷，焊縫的質(zhì)量反而難以保證。 搭接接頭 兩個(gè)焊件相疊加在一起，然后在它們頂端邊緣進(jìn)行焊接的接頭稱為搭接接頭。 值得一提的是，在工程中經(jīng)常碰到不同壁厚的構(gòu)件對(duì)焊焊接的問(wèn)題。 雙Y型坡口為雙面焊、雙面成型接頭型式，它適用的構(gòu)件厚度為12mm~60mm。這種坡口的焊腳（即焊縫的底部）質(zhì)量不好，容易出現(xiàn)焊漏、未焊透、裂紋、夾渣等缺陷，且內(nèi)表面不光滑。YV型坡口則居二者之間。 對(duì)于構(gòu)件壁厚較?。ㄒ话阈∮?mm）的情況，即使在不開(kāi)設(shè)坡口的情況，也能保證焊透，故此時(shí)往往不開(kāi)設(shè)坡口。 （三）焊接坡口的準(zhǔn)備 為了保證構(gòu)件在焊接時(shí)能夠焊透，故對(duì)于壁厚較厚的構(gòu)件，焊接接頭應(yīng)開(kāi)設(shè)一定的坡口。對(duì)于堿性焊條來(lái)說(shuō)，由于其脫氣性不好，故要求其烘干溫度較高，一般為250℃~300℃，時(shí)間為1h~2h。受潮的焊條在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸汽及其電解物，從而造成焊縫金屬的飛濺，并使電弧不穩(wěn)定，同時(shí)還將大大增焊縫金屬中的含氫量，從而造成材料的冷裂。有時(shí)為了保證焊縫金屬的沖擊韌性，有意選擇強(qiáng)度比母材金屬低的焊條。其次應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、焊接環(huán)境等因素選擇藥皮類型。 c、不銹鋼焊條不銹鋼焊條型號(hào)根據(jù)其熔敷金屬的化學(xué)成分、機(jī)械性能、焊條藥皮類型、焊接電流種類、鉻和鎳元素的近似百分含量、其它重要合金元素及近似百分含量等劃分。 表示焊接電流種類及藥皮類型； 表示焊條使用位置。 例如，E4315表示：焊條；熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的最小值為43N/mm2；適用于全位置焊接；焊條藥皮為低氫鈉型，可采用直流反接焊接。 通過(guò)上面的對(duì)比分析來(lái)看，對(duì)重要的場(chǎng)合，宜用堿性焊條，一般情況下，可用酸性焊條。 e、堿性焊條由于氟化鈣的存在，會(huì)影響到弧柱的電離，故其穩(wěn)弧性不好，須采用直流電源，只有加入適量的鉀、鈉等低電離電位的穩(wěn)弧劑后才可以用交流電源。反之，酸性焊條的脫氫能力較差； c、酸性焊條脫硫、磷的能力較弱，而堿性焊條的脫硫、磷能力較好。 常用焊接材料的分類及其特點(diǎn) 對(duì)手工電弧焊來(lái)說(shuō)，焊接材料就是焊條，它通常由金屬絲和包在金屬絲外面的藥皮兩部分組成。參數(shù)的選擇可以通過(guò)焊接工藝評(píng)定進(jìn)行篩選和確定。但是，焊接速度往往是與焊條直徑、焊接電流等配合選用，只有它們搭配的比較好，才能獲得比較好的焊接質(zhì)量。在焊接過(guò)程中，電弧不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)引起電弧不穩(wěn)定，增加金屬的飛濺，減小熔深以及產(chǎn)生咬邊等缺陷，電弧過(guò)長(zhǎng)還容易導(dǎo)致空氣的侵入，從而使焊縫產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。一般情況下，焊接電流I（安培，A）與焊條直徑d（毫米，mm）可以按I=(35~55)d關(guān)系式確定。否則，由于熔池金屬（液體金屬）較多而下流，造成焊瘤、未焊滿、夾渣等缺陷。焊條直徑小，生產(chǎn)率低，若焊條直徑過(guò)小，也容易造成未焊透缺陷。正確地選擇這些參數(shù)，既可提高焊接生產(chǎn)率，又可獲得優(yōu)良的焊接接頭質(zhì)量。思考題：什么叫焊接？焊接與其它管道連接方式相比，有什么特點(diǎn)？什么叫熔化焊？常用的熔化焊焊接方法有哪些？什么叫氣焊？什么叫電弧焊？二者相比，各有何優(yōu)缺點(diǎn)？什么叫壓力焊？常用的壓力焊焊接方法有哪些？各有何特點(diǎn)？試述電弧焊接的加熱特性？金屬電弧焊接時(shí)有哪些冶金反應(yīng)？什么叫母材？什么叫熔池？什么叫熔合線？什么叫焊縫？什么叫焊縫熱影響區(qū)？什么叫焊接接頭？試述電弧焊焊縫的組織和性能特點(diǎn)？試述電弧焊焊接熱影響區(qū)的組織和性能特點(diǎn)？焊接接頭的缺陷有哪些？1焊接應(yīng)力包括哪些？產(chǎn)生的機(jī)理如何？1焊接應(yīng)力對(duì)焊接接頭會(huì)帶來(lái)哪些影響？1焊接裂紋有哪些？產(chǎn)生的機(jī)理如何？1焊接接頭的氣孔是如何產(chǎn)生的？如何避免？1焊接接頭的檢查與試驗(yàn)包括哪些方法？第二節(jié) 金屬焊接的基本知識(shí)（二） 在介紹了焊接的分類、電弧焊焊接接頭的冶金及組織特點(diǎn)、接頭的缺陷及其檢查試驗(yàn)方法之后，這一節(jié)中將介紹有關(guān)的焊接技術(shù)及常見(jiàn)金屬材料的焊接。 金相組織分析 通過(guò)金相組織分析，可以了解焊縫金屬中各種夾雜物的數(shù)量和分布情況、晶粒的大小及熱影區(qū)的組織狀況等。SHJ509《石油化工工程焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)給出了有關(guān)焊接工藝評(píng)定的具體要求。有關(guān)這方面的內(nèi)容將在本章第三節(jié)中介紹。 壓力及密封試驗(yàn) 常用的壓力試驗(yàn)為水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，它可以綜合考查焊縫的強(qiáng)度和嚴(yán)密封。無(wú)損檢驗(yàn)的應(yīng)用往往標(biāo)志著施工費(fèi)用的增加，故應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合必要性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。另外，在檢查外部缺陷時(shí)，也可以推測(cè)其內(nèi)部可能存在的缺陷。在檢查之前，應(yīng)清除掉焊縫表面的熔渣、飛濺等物。正因?yàn)槿绱耍こ讨杏斜匾獙?duì)焊接接頭進(jìn)行相應(yīng)的檢查和試驗(yàn)，以確定它是否滿足工程使用要求。末焊透是指焊件母材與熔化金屬之間或多層焊的焊層之間存在的局部未熔化。e、焊縫尺寸超差它是指焊縫尺寸的過(guò)寬或過(guò)窄，過(guò)高或過(guò)低，角焊縫的焊腳高不一致等問(wèn)題?；】踊蛭春笣M對(duì)焊接接頭性能的影響類似咬邊，可采用補(bǔ)焊修理。 b、焊瘤 它是熔化金屬流敷在未熔化的母材表面，形成的未熔合的瘤狀物。 外部缺陷 外部缺陷除了前面提到的裂紋、氣孔和夾渣外，常見(jiàn)的還有咬邊、焊瘤、未焊滿、燒穿、焊縫尺寸超差等缺陷。 工程上，焊縫的內(nèi)部夾渣是嚴(yán)格控制的缺陷，常通過(guò)無(wú)損探傷檢驗(yàn)并進(jìn)行評(píng)級(jí)。焊前對(duì)焊條嚴(yán)格烘干，焊件進(jìn)行預(yù)熱，清除干凈焊件表面的油物、油漆等，都可以減少氣孔的生成。如果熔渣透氣性不好，不利于焊縫中的氣體逸出，則容易造成焊縫中氣孔的產(chǎn)生。高壓的氫氣可擴(kuò)展原來(lái)的微觀孔隙而成為氣孔。 溶池中的氧和金屬中的碳在焊接高溫下結(jié)合生成一氧化碳，一氧化碳不溶于金屬，可以從焊縫金屬中逸出。 （三）焊縫的氣孔和夾渣 焊縫的氣孔和夾渣也是常見(jiàn)的焊接缺陷。由于冷裂紋的產(chǎn)生與氫的擴(kuò)散有關(guān)，而氫的擴(kuò)散又與時(shí)間有關(guān)，故冷裂紋往往在焊后一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生，故又稱冷裂紋為延遲裂紋。氫在鐵素體中的擴(kuò)散速度較快而在珠光體或奧氏體中的擴(kuò)散速度較慢。：焊縫中心的金屬多為填充金屬，而填充金屬一般具有比母材更高的質(zhì)量，包括其含碳量低，含有害雜質(zhì)元素 低等。聚集到馬氏體組織內(nèi)的氫使馬氏體更加脆化，在焊接應(yīng)力的作用下會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。由于焊縫冷卻速度較快，以致大量的氫來(lái)不及逸出而殘留在焊縫金屬中。對(duì)于合金鋼，常用碳當(dāng)量的多少來(lái)衡量其產(chǎn)生冷裂紋傾向的大小，詳見(jiàn)第三章所述。從第三章中已經(jīng)知道，馬氏體硬而脆，而且伴隨著較大的組織應(yīng)力，使金屬組織處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，在復(fù)雜焊接應(yīng)力的作用下，很容易產(chǎn)生冷裂紋。因此，含碳量越高，焊接接頭出現(xiàn)熱裂紋的危險(xiǎn)性越大。前文已講過(guò)，硫常與鐵形成低熔點(diǎn)共晶物，故它是直接導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生的主要根源。由于此時(shí)有熱應(yīng)力的存在，疏松組織在熱應(yīng)力的作用下就很容易產(chǎn)生裂紋。因?yàn)樗l(fā)生在高溫下，裂紋斷面有明顯地氧化顏色，故由此可以判別某焊接裂紋是熱裂紋還是冷裂紋。 （二）焊接裂紋 裂紋是最嚴(yán)重的焊接缺陷，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的危害性也最大，它不僅會(huì)使產(chǎn)品報(bào)廢，有時(shí)甚至?xí)购附咏Y(jié)構(gòu)破裂而造成嚴(yán)重的事故。它是施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的熱處理，因?yàn)榇藭r(shí)進(jìn)行整體熱處理是不現(xiàn)實(shí)的。因此，對(duì)于有應(yīng)力腐蝕破壞潛在危險(xiǎn)的壓力管道，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理；對(duì)于淬硬性較強(qiáng)的高強(qiáng)度管道元件，或者是大壁厚元件，因前者會(huì)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，后者會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力（因參于凝固結(jié)晶的金屬較多），容易導(dǎo)致冷裂紋或熱裂紋的產(chǎn)生，故也應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。前面已經(jīng)提到，它會(huì)使焊件發(fā)生變形。而馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度較低（一般在200℃左右），此時(shí)材料的塑性很低，很難通過(guò)塑性變形對(duì)其體積膨脹進(jìn)行補(bǔ)償，因此將產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。如果母材金屬塑性較差（如鑄鐵、銅等），或者母材有嚴(yán)重的偏析，在較大的結(jié)晶應(yīng)力作用下就會(huì)引起裂紋。它們都是由于焊縫金屬各部分的不均勻收縮而產(chǎn)生的，故稱為熱應(yīng)力。就壓力管道的焊縫來(lái)說(shuō)，其橫向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力有時(shí)是可以避免的，如預(yù)制過(guò)程中的焊接接頭即如此。就壓力管道的焊縫來(lái)說(shuō)，焊縫金屬的收縮可能以三種型式出現(xiàn)：其一是橫向（即沿管道長(zhǎng)度方向）收縮，它使管道的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度趨于變短，使熔合線金屬處于拉應(yīng)力狀態(tài)；其二是縱向（即徑向）收縮，它使焊縫金屬與母材處于受剪應(yīng)力的狀態(tài)；其三是角向收縮。壓力管道中的焊縫由于受結(jié)構(gòu)的影響，其焊接變形較難發(fā)生，從而容易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力（結(jié)晶速度快同樣也是導(dǎo)致焊接應(yīng)力產(chǎn)生的一個(gè)重要原因，下面將詳細(xì)介紹）。 熱影響區(qū)的寬度一般是比較窄的，而且一般情況下，顯微鏡下只能看到過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)三個(gè)區(qū)域。當(dāng)母材為正火組織（即不存在加工變形等問(wèn)題時(shí)）時(shí)，不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，并且也沒(méi)有奧氏體的轉(zhuǎn)變，一般也不會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象（因?yàn)闇囟容^低，時(shí)間又短），故此時(shí)該區(qū)域的組織沒(méi)有變化，金屬性能也沒(méi)有改變。因此，部分相變區(qū)的組織是一個(gè)不均勻的組織，其機(jī)械性能較差。 d、部分相變區(qū) 該區(qū)域的金屬處于AC1至AC3溫度之間。影響過(guò)熱區(qū)組織和性能的因素有焊 圖10－4 焊縫熱影響區(qū)接電流、高溫停留時(shí)間等。 b、過(guò)熱區(qū)：該區(qū)域的金屬處在AC3以上100℃~200℃至固相線的溫度區(qū)間內(nèi)。 a、半熔化區(qū)：它位于焊縫金屬與母材的交界處。焊縫金屬溫度最高，從焊縫到母材遠(yuǎn)處，溫度逐漸降低。工程上對(duì)厚壁管子、管件的焊接，常采用小電流多層焊的方法，就是基于這樣的道理；增大焊接速度，也能使結(jié)晶速度加快，獲得的組織也比較細(xì)；在焊接材料中，有意識(shí)地加入一些熔點(diǎn)較高的合金元素，可增加結(jié)晶時(shí)的晶核數(shù)量，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的；焊接前的預(yù)熱會(huì)降低結(jié)晶速度，對(duì)改善組織是不利的，但它有助于防止某些合金焊接時(shí)的開(kāi)裂問(wèn)題。 焊縫金屬的組織和性能 焊縫金屬在經(jīng)歷了一次熔化結(jié)晶過(guò)程之后，其組織和性能已完全不同于母材，此時(shí)的組織為鑄造組織，即為粗大的柱狀組織，鑄造組織中存在的缺陷它也可能存在（在下面的焊接缺陷部分中將詳細(xì)介紹）。 e、焊縫：熔池內(nèi)的液態(tài)金屬凝固后所形成的區(qū)域稱為焊縫。 （三）焊接接頭的組織與性能 焊接接頭在經(jīng)歷了一個(gè)從熔化到凝固的結(jié)晶過(guò)程之后，其組織和性能相對(duì)于原材料金屬已發(fā)生了一系列變化，這個(gè)變化又直接影響到壓力管道的使用性和可靠性。 在焊接過(guò)程中，由于蒸發(fā)、氧化等原因，會(huì)損失一部分有用的合金元素，使焊縫的組織和性能受到影響。脫磷的反應(yīng)式為： 2P + 5FeO P2O5 + Fe 2Fe3P + 5FeO P2O5 + 11Fe P2O5 + 4CaO 4CaO從脫硫的目的來(lái)講，堿性焊條或焊劑更好些。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，酸性、堿性、中性焊條或焊劑均能達(dá)到該目的。堿性焊條（焊劑）一般呈結(jié)晶狀，焊縫成形較差?？偲饋?lái)講，焊條藥皮或焊劑主要有以下作用：a、焊條藥皮或焊劑隨金屬填充物熔化后（對(duì)焊劑是部分熔化），將以熔渣的形式覆蓋在焊縫金屬表面上，從而保護(hù)高溫的焊縫金屬免遭空氣的侵害；b、由于熔渣中存在金屬鈉、鉀、鈣等元素的化合物等易電離介質(zhì)，可以使電弧中的電離條件得到改善，使電弧容易點(diǎn)燃，并穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，保證焊縫成形良好；c、在焊條藥皮或焊劑中加入一些特定的物質(zhì)，可以達(dá)到對(duì)焊縫金屬進(jìn)行脫氧、脫硫、脫磷的冶金目的；d、通過(guò)在焊條藥皮或焊劑中有意加入一些特定金屬元素，可以補(bǔ)償焊接過(guò)程中的金屬燒損。氫的主要來(lái)源是潮濕的焊接環(huán)境、焊條和焊劑中的水蒸汽，焊件上的油污及油漆在高溫下也會(huì)析出氫，因此焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制這些影響因素。 氫的存在會(huì)給焊縫帶來(lái)一系列不利的影響。焊前應(yīng)對(duì)焊條進(jìn)行