【正文】 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。因此，焊后脆化現(xiàn)象較為嚴重。在 550℃ ~ 820℃長時間加熱后，則容易從鐵素體中析出 σ相，也明顯降低其塑、韌性。 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。當冷卻速度較小時，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。 二、 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紋的前提下，保證焊縫金屬的耐蝕性能及力學性能與母材基本相當，或高于母材，一般要求其合金成分大致與母材成分匹配。但在某些特殊介質(zhì)中，如尿素設(shè)備的焊縫金屬是 不允許有鐵素體存在的，否則就會降低其耐蝕性。對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％。 19 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。采用奧氏體 焊材 可免除預(yù)熱和焊后熱處理，但對于不含穩(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 。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。為了防止冷裂紋，也可采用奧氏體 焊材 ，這時的焊縫強度必然低于母材。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，以提高接頭性能，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。 對于簡單的 Cr13 型馬氏體鋼，不采用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，但必須限制有害雜質(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。 對于多組元合金化的 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。 馬氏體 不銹鋼 具有相當高的冷裂傾向，因此必須嚴格保持低氫，甚至超低氫，在選擇 焊材 時，必須要注意這一點。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。 ② 由于 奧氏體不銹鋼 導熱系數(shù)小，在同樣的電流下，可比低合金鋼得到較大的熔深。 ③ 焊接規(guī)范。焊條電弧焊時，宜采用小直徑焊條，快速多道焊，對于要求高的焊縫，甚至采用澆冷水的方法以加速冷卻，對于純奧氏體不銹鋼及超級奧氏體不銹鋼，由于熱裂紋敏感性大，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紋的發(fā)生。 ⑤ 奧氏體不銹鋼焊接時一般不需要預(yù)熱。 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。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保持時間，為此，在焊接鐵素體不銹鋼時，應(yīng)盡量采用小的線能量，即采用能量集中的方法，如小電流 TIG、小直徑焊條手工焊等，同時盡可能采用窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施，并嚴格控制層間溫度。焊后經(jīng) 700~850℃退火處理，使鉻均勻化，可恢復(fù)其耐蝕性。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。為了防止裂紋，改善接頭塑性和耐蝕性，以焊條電弧焊為例，可以采取下列工藝措施。含鉻越高，預(yù)熱溫度應(yīng)越高。多層焊時，應(yīng)控制層間溫度不高于 150℃，不宜連續(xù)施焊，以 21 減小高溫脆化和 475℃脆性影響。退火 后應(yīng)快冷，防止出現(xiàn) σ相及 475℃脆性。預(yù)熱溫度隨鋼材含碳量的增加而提高，一般在 100℃ ~ 350℃范圍內(nèi)。對于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭，焊后采取后熱措施，以防止焊接氫致裂紋。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。 對于含碳量較高的馬氏體鋼。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成分、金相組織、熱物理性能、力學性能差別很大，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。屈服強度可達 400Mpa ~ 550MPa，是普通奧氏體不銹鋼的 2 倍。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高，且耐孔蝕性、耐應(yīng)力腐蝕 、耐腐蝕疲勞等性能也有明顯的改善。對于Cr25 型雙相不銹鋼又可分為普通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。 2. 雙相不銹鋼的焊接特點 22 ① 雙相不銹鋼具有良好的焊接性，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)生焊接熱裂紋，但由于它有大量的鐵素體，當剛性較大或焊縫含氫量較高時，有可能產(chǎn)生氫致冷裂紋，因此嚴格控制氫的來源是非常重要的。當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大的焊接熱輸人量，否則若焊后冷卻速度較快時，會使 δ 鐵素體相增多，導致接頭塑韌性及耐蝕性嚴重下降。為了保證焊縫中奧氏體的含量，通常是提高鎳和氮的含量，也就是提高約 2％ ~ 4％的鎳當量。這樣鎳含量較高就成了 焊材與母材的一個主要區(qū)別。采用酸性焊條時脫渣優(yōu)良，焊縫成 形美觀，但沖擊韌 性 較低，當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)采用堿性焊條。當對焊縫金屬的耐腐蝕性能具有特殊要求時，還應(yīng)采用超級雙相鋼成分的堿性焊條。 對于埋弧焊宜采用直徑較小的焊絲，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，并采用配套的堿性焊劑。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。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。在選擇線能量時還應(yīng)考慮到具體的材料厚度，表 中線能量的上限適合于厚板，下限適合于薄板。當焊后要求熱處理時可以不限制層間溫度。所用的熱處理方法是水淬。在熱處理時金屬的氧化非常嚴重，應(yīng)考慮采用惰性氣體保護。 五、 不銹鋼壓力容器焊接實例 直徑為 800mm，壁厚為 10mm 的閃蒸罐（圖 107），殼體材質(zhì)為 0Cr18Ni9，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表 107。 ② 本設(shè)備無人孔，故合攏焊縫只能從外側(cè)焊接 。 但不銹鋼氬弧焊焊接時背面金屬會被氧化， 以前只能通過 采用背面充氬 保護 的方法 ，但是當設(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。這用焊絲的使用方法與普通的 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。 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。 ④ 支 座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采用熔化極氣體保護焊 (保護氣體為純 CO2)，效率高，焊縫成形好。 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。 一、鎳基耐蝕合金的焊接 鎳及鎳基合金具有特殊的物理、力學及耐腐蝕性能，鎳基耐蝕合金在 200℃ ~ 1090℃范圍內(nèi)能耐各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，同時具有良好的高溫和低溫力學性能。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，不但改善其力學性能，而且可適應(yīng)于各種腐蝕介質(zhì)下侵蝕，使其具有優(yōu)良的耐腐蝕性。這種裂紋一般為微裂紋，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。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 26 焊縫多邊化結(jié)晶的發(fā)展，從而顯著提高抗熱裂紋能力。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紋的產(chǎn)生。靠加大焊接電流不是解決此問題的辦法，因為電流增加會引起裂紋和氣孔，降低接頭的耐蝕性能，所以為了獲得良好的焊縫成形，應(yīng)采用小擺動工藝，另外要加大坡口角 度，減小坡口鈍邊。這里就最常用的鎢極氣體保護焊和焊條電弧焊進行論述。 ① 鎢極氣體保護焊是應(yīng)用最廣泛的，幾乎適合于任何一種可熔焊的鎳基合金，特別適合于薄件和小截面構(gòu)件。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 。 鎢極氣體保護焊焊一般使用直流正接，采用高頻引弧以及電流衰減的收弧技術(shù)?；￠L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?shù)臄[動。為加強焊接區(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。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用小規(guī)范，與同規(guī)格的不銹鋼焊條相比，電流可降低 20％ ~ 30％。在焊縫接口再引弧時，應(yīng)采用反向引弧技術(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。 二、鈦及鈦合金的焊接 鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性能，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， 27 有時甚至為普通奧氏體不銹鋼 1Cr18Ni9Ti 的 10 倍。鈦合金的比強度大，又具有良好的韌性和焊接性，在航天工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。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。碳也會與鈦形成硬而脆的 TiC，易引起裂紋。因此鈦及鈦合金焊接不能采用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，一般只能采用氬氣保護或在真空下焊接。 ③ 產(chǎn)生焊接裂紋 鈦合金焊接時產(chǎn)生的焊接熱裂紋的幾率極小，只有當焊絲或母材質(zhì)量不問題時才可能產(chǎn)生熱裂紋。 ④ 氣孔 鈦及鈦合金焊接時氣孔是最常見的焊接缺陷。 2. 鈦及鈦合金的鎢極氬弧焊 鈦及鈦合金焊接時采用最多的就是鎢極氬弧焊，對于較厚的工件也可采用熔化極氬弧焊，對于技術(shù)要求嚴格的航天工業(yè)中一些重要設(shè)備經(jīng)常也采用真空電子束焊接。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，焊接性能良好，能滿足鈦容器制造和使用的要求。不允許從所焊母材上裁條充當焊絲，應(yīng)采用 JB/T 47452020《鈦制焊接容器》中附錄 D 28 中的焊絲用作鈦容器用焊絲。母材牌號與推薦所用焊絲牌號表列于表 108 中。 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。焊接用氬氣純度不應(yīng)低于 ％，露點不應(yīng)高于 50℃，且符合 GB 48421984的規(guī)定。 ③ 鎢極。電極直徑應(yīng)根據(jù)焊接電流大小選擇，電極端部應(yīng)為圓錐形。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，深黃色為輕微氧化，一般情況下還是允許的，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允許的，表示焊縫已經(jīng)變質(zhì)，必須報廢重焊。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)中具有良好的耐蝕性。 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。 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、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。 當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。 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。在焊接鋁鎂合金或鋁錳合金等耐蝕鋁合金時，宜采用含鎂量或含錳量與母材相近或比母材稍高的焊絲。 常用的保護氣體有氬氣和氮氣，其氣體純度應(yīng)大于 ％。宜選用鈰鎢極。在壓力容器中純銅與黃銅使用較多。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，因而提高了強度、塑性、耐蝕性、但對焊接性不利。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)生熱裂紋，雜質(zhì)中以氧的危害性最大。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。 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)，因而極少采用焊條電弧焊。 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。焊絲則選用純銅焊絲、青銅焊絲、焊接純銅和黃銅。焊接純銅，一般選用含有ω (Si) ％，ω (P) ％或ω (Ti) ％ ~ ％脫氧劑的無氧銅焊絲，如HSC