过程装备制造与检测-4焊接 (1)

1、第二篇 过程装备制造工艺 三 常用钢材的焊接 1 金属材料的焊接性 金属材料的焊接性是指材料在一定的焊接工艺条件下(包括焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数和结构形式等)，能否获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用 条件下可靠运行。因此，材料的焊接性可分为工艺焊接性和使用焊接性。 1第二篇 过程装备制造工艺 工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得组织、性能均匀一致，无缺陷的焊 接接头的能力。即复杂的焊缝冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，以及焊接热源对热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。压力容器要求评定工艺缺陷的内容主要是抗裂性试验，对于有色金属还包括抗气孔试验。 使用焊接性

2、是指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度。包括常规的力学性能及特定条件下的性能，如抗脆性断裂性能，蠕变、疲劳性能，持久强度，耐腐蚀性能等。使用条件下的性能较为复杂、严格。 2第二篇 过程装备制造工艺 (2)工艺焊接性的试验方法 碳当量法 影响焊接性的因素很多，碳当量法就是把钢材化学成分中的碳和其他金元素的含量多少对焊后淬硬、冷裂及脆化等的影响折合成碳的相当含量，并据此含量的多少来判断材料的工艺焊接性和裂纹的敏感性。国际焊接协会(IIW) 式中,化学成分中的元素含量均取上限,表示在钢中的质量分数。3适用于中、高强度的非调质低合金高强钢（b=500900MPa);也适用于含碳量

3、偏高的钢种（C0.18);（低碳钢C0.25%)CE值越大，被焊材料的淬硬倾向越大 ，热影响区就容易产生冷裂纹，工艺焊接性越不好。根据经验： CE0.4时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性良好。一般焊接工艺条件下，焊件不会产生裂纹。但厚大工件或在低温下焊接时，应考虑预热。4 CE0.40.6时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，焊接性能相对较差。焊前工件需要适当预热，焊后要缓冷。要采取一定的工艺措施才能防止裂纹。 CE0.6时，钢材塑性较低，淬硬倾向明显，焊接性不好，焊前必须预热到较高的温度，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理。注意，当量法估算是粗略的，因为钢材

4、的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度等因数影响，实际工作中根据实际情况进行抗裂试验及焊接接头使用焊接性的试验。5第二篇 过程装备制造工艺CEN碳当量公式：目前应用范围较广的碳当量公式 式中A（C）碳的适用系数； 该公式适用于评价0.034%0.245%的碳钢，同时反映了碳当量与钢材冷裂纹倾向性之间的关系。当C%0.17时与CE接近；当C%0.17时与Pcm接近。 目前应用范围较广的碳当量公式 ，对于确定防止冷裂的预热温度比其他碳当量公式更为可靠。化学成分的冷裂敏感指数Pcm，日本人伊藤等通过对200多个钢种的大量试验提出的：6第二篇 过程装备制造工艺 (3)使用焊接性的试验方法 a.常

5、规力学性能法 主要是测定焊接接头（包括母材焊缝金属和热影响区）在不同载荷下的强度、塑性和韧性。由于焊接接头的金相组织和化学成分的不均匀性，从而导致了接头存在力学性能的不均匀性，因此有以下试验项目：7第二篇 过程装备制造工艺焊接接头的拉伸试验 一般采用横向试样。如果焊缝金属强度超过母材金属强度，大部分的塑性变形将在母材金属内产生，从而造成在焊缝区域以外的颈缩和破坏，说明焊缝金属强度超过母材，但不能说明焊缝的塑性。当焊缝金属强度远远低于母材时，塑性应变集中在焊缝内发生。所以横向焊接接头拉伸试验可以作为接头抗拉强度的尺度，但不能评价接头的屈服点与伸长率。89第二篇 过程装备制造工艺 焊接接头的冲击试

6、验 有带V形缺口或U形缺口两种试样。V形试样缺口较尖锐，它对材料脆性转变反应灵敏，断口分析比较清晰，目前国际上应用比较广泛。U形缺口的冲击试样，对于材料脆性转变反应不灵敏，目前正逐步被淘汰。击试验冲断试样时，试样经历弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。焊接接头的弯曲试验 主要用来评定焊接接头的塑性和致密性。接头弯曲试样可以与焊缝轴线平行或垂直，并有横弯、侧弯、纵弯三种弯曲方法。 1011第二篇 过程装备制造工艺 焊接接头应变时效敏感性试验 焊接构件在制造与服役过程中，某些工序或工况条件使接头承受不同程度的塑性变形，例如焊后冷作成形、矫正等。随着时间的延长，有的焊接接头的冲击韧性有下降的趋势，甚至

7、发生脆化，这种现象称为冷作时效脆化。焊接接头及堆焊金属硬度试验法 焊接接头及堆焊金属的强度、塑性、韧性、耐磨性以至抗裂性均与硬度相关。12第二篇 过程装备制造工艺2 碳钢的焊接 （1）碳钢的分类按含碳量分类： 低碳钢C0.25; 中碳钢 0.25 C0.60%; 高碳钢 C0.60%;按钢材脱氧程度的不同分类： 沸腾钢（F）；半镇静钢（b）； 镇静钢（Z）；特殊镇静钢（TZ）13第二篇 过程装备制造工艺按用途分类： 结构钢，用来制造各种金属构件和机器零件； 工具钢，用来制造各种工具（量具、刃具、模具）。按质量钢中有害元素、硫和磷的含量分类： 普通碳素钢S0.050， P0.045； 优质碳素钢

8、S0.035， P0.035； 高级优质碳素钢S0.030， P0.035； 14固容规对材料的有关规定2.3.1 用于焊接的碳素钢和低合金钢 C0.25%，P0.035% ，S0.035% 2.3.2 压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢（1）碳素钢和低合金钢基本要求：P0.030% S0.020% （2） b540MPa ：P0.025% ，S0.015%（3）-20以下，b540MPa ：P0.025% ，S0.012%（4）-20以下，b540MPa ：P0.020% ，S0.010%15第二篇 过程装备制造工艺（2）低碳钢的焊接 因低碳钢含碳量低，硅、锰含量又少，一般情况下不会因焊接而

9、引起严重硬化或淬火组织。焊后的焊接接头塑性和冲击韧性也很好，因此焊接时可以采用常用的所有焊接方法，且不需要预热和后热，整个焊接过程不需要特殊的工艺措施。但要注意焊接线能量不宜过大，特别是埋弧焊时；同时在北方地区冬季露天施工时，可以考虑适当的预热。16第二篇 过程装备制造工艺（3）中碳钢的焊接 随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。当含碳量达到0.50%左右仍按焊接低碳钢工艺施焊时，则热影响区可能产生硬脆的马氏体组织，和冷裂纹。 焊接时母材熔化进入焊缝，使其含碳量增高，容易产生热裂纹，若含硫的杂质含量增加，热裂纹产生的可能性也大大增加，在弧坑处更为敏感。17第二篇 过程装备制造工艺 中碳钢焊接时应注

10、意以下几点： 大多数情况下需要预热和控制层间温度，以降低冷却速度，防止产生马氏体组织。 预热温度：35和45钢可为150250；含碳量再高、厚板、拘束大等条件下，可为250400。 层间温度：多层焊时，在施焊后继焊道之前，其相邻焊道应保持的最低温度。 焊后最好立即进行消除残余应力热处理，特别是在厚大件、刚性大的结构或工作； 条件较苛刻(如动载荷、冲击载荷等)的情况下，更应考虑。清除残余应力回火温度一般为600650。 18第二篇 过程装备制造工艺 如果不可能立即消除残余应力，也应采用后热工艺，以便使扩散氢逸出。后热温度可视具体情况而定，后热保温时间大约每l0mm厚度为lh左右。 焊接沸腾钢时注

11、意向焊缝过渡锰、硅、铝等脱氧剂元素，以防止减少气孔的产生。 应选低氢焊接材料。特殊情况下可以选用铬镍不锈钢焊条焊接，不需预热、焊缝奥氏体金属塑性好，可以减小焊接接头残余应力，避免热影响区冷裂纹产生。19第二篇 过程装备制造工艺 可选的铬镍不锈钢焊条牌号有奥102、奥107、奥302、奥307、奥402、奥407等。 如果选用碳钢或低合金钢焊条，而焊缝与母材不要求等强度时，可以选用强度等级比母材低一挡的低氢焊条。例如，母材为490MPa级，则焊条可选用J426或J427，代替 J506或J507。若母材与焊缝强度要求相等时 ， 35钢可选J506，J507；45钢可选J556， J557；55钢

12、可选J606，J607。20第二篇 过程装备制造工艺 3 低合金钢的焊接 低合金钢是在碳素钢基础上加入一定量合金元素的合金钢。合金元素的总含量般不超过5，以提高钢的强度，同时保证其具有一定的塑性和韧性；或者是为了达到某些特殊性能要求，如耐低温、耐高温或耐腐蚀性等。 在焊接结构中常用的低合金钢有强度用钢(高强钢)、低温用钢、耐蚀钢及珠光体耐热钢四类。 21第二篇 过程装备制造工艺（1）强度用钢（高强钢）的焊接 这类钢的主要特点是强度高，塑性、韧性也较好，广泛用于压力容器、桥梁、船舶、飞机和其他装备。中国低合金高强度钢是以屈服强度来划分强度级别的，目前常用高强钢大致如下： 屈服强度在400MPa的

13、低合金钢，一般都在热轧或正火状态下使用，基体组织为铁素体珠光体，如16Mn钢等。这是低合金高强钢中应用最广泛的钢，是制造中低压容器和一般钢结构的代表材料，焊接性很好。22第二篇 过程装备制造工艺 16Mn钢的屈服强度为294343MPa，基本属于热轧的低合金钢。其综合性能、焊接性及加工工艺性能均优于普通碳素钢，且质量稳定，与碳素钢相比，使用16Mn钢可节省钢材2030。其使用温度在40 450范围内。 当16Mn钢作为低温压力容器或厚板结构用钢时，为改善低温韧性，也可以在正火处理后使用。热轧、正火钢按其用途可以分为压力容器用钢、锅炉用钢、焊接气瓶用钢及桥梁用钢等，分别在钢牌号后标以R、g、HP

14、及q等，如16MnR、16Mng等。 23第二篇 过程装备制造工艺 16Mn钢是在低碳钢的基础上加入了少量合金，其加工性能与低碳钢相似，具有较好的塑性和焊接性。由于加入了少量合金元素，其强度增加，淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在较低温度下或刚性大、厚壁结构的焊接时，需要考虑采取预热措施，预防冷裂纹的产生。 常温下焊接板厚大于30mm时需要预热。屈服强度在500MPa的低合金钢： 中国典型代表钢种为18MnMoNb钢，以正火回火状态供货。是中温、中高压、厚壁压力容器的主要用钢。具有良好的综合力学性能，可在450以下使用。24第二篇 过程装备制造工艺（2）低温用钢的焊接 低温用钢主要用于20 低温以下

15、工作的容器、管道等设备的钢，可分为无镍和含镍为主，代表钢种16MnDR、A203-72。 低温用钢主要性能要求是保证在使用温度下具有足够的韧性及抵抗脆性破坏的能力。一般通过合金元素的固溶强化细化晶粒，并通过正火、回火处理细化晶粒、均化组织，从而获得良好的低温性能。无镍的使用范围-30-90 ;含镍的-70-170 ，基本上进口的，在钢中加入合金元素Ni可以显著改善钢的低温韧性。 焊接时采用小的焊接线能量，焊接电流不宜过大，宜用快速多焊道方法，多焊道要控制层间温度不宜过高。25第二篇 过程装备制造工艺（4）耐热钢的焊接 耐热钢是长期在高温条件下工作，仍具备有高温持久强度、蠕变强度和抗氧化性、抗脆

16、断能力、耐蚀性等性能的用钢。 按其合金成分的含量可分为低合金（5）、中合金（512）、高合金耐热钢（高于13）。 耐热钢中Cr和Mo是重要合金元素，其中Cr主要有抗氧化作用，在高温下与氧结合强，在金属表面形成Cr2O3稳定化合物包围金属，阻止了金属继续氧化；耐热钢在温度较高下的金属原子活动能较强，由于金属再结晶的结果，使金属性能软化，而Mo可以提高再结晶温度，阻碍高温下原子的活动能力，提高热强性。碳易于和铬结合，降低了抗氧化性，因此碳含量应小于0.25。26第二篇 过程装备制造工艺焊接要求： 厚板的CrMo耐热钢火焰切割时要预热（100150），并作磁粉检测表面是否产生裂纹。焊接材料的选择要保

17、证Cr和Mo等重要合金元素的含量，控制碳的含量。 焊前预热。预防焊接冷裂纹和消除应力裂纹。焊后热处理。消除焊接残余应力，改善组织、提高接头的综合力学性能，包括提高高温蠕变强度和组织稳定性、降低焊缝及热影响区的硬度。 27第二篇 过程装备制造工艺 4 奥氏体不锈钢的焊接 当合金钢的Cr含量超过12时，钢就会具有不锈的特性，对某些介质具有耐腐蚀性。 通常不锈钢一般多为单相组织： a 铁素体不锈钢，如0Cr13、1Cr17； b马氏体不锈钢，如1Cr13、2Cr13； c 奥氏体不锈钢，如0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10等，通常又称为18-8钢，不仅能抗很多介质，而且高温

18、（450）、低温的力学性能均较好，-196仍具有相当好的塑性和韧性、较好的焊接性。 在实际焊接生产中，奥氏体不锈钢易产生的问题是晶间腐蚀和热裂纹。28第二篇 过程装备制造工艺（1）晶间腐蚀 预防晶间腐蚀的措施： 控制焊缝的化学成分 a 控制焊缝的含碳量使之低于0.08（低碳）或低于0.03（超低碳），减少形成碳化铬的条件。 其一母材0Cr18Ni9、00Cr18Ni10等， 其二焊接材料焊条焊丝如：E0-19-10-xx和E00-19-10-xx等。 b 在母材和焊接材料中加入稳定性元素，如Ti、Nb等，是指优先与碳结合形成碳化物，叫替铬法。 c 双组织法。最经济的措施是在焊缝中形成少量铁素体

19、组织，与奥氏体一起形成双相组织。 29第二篇 过程装备制造工艺 从焊接工艺着手 a 快焊快冷原则； b小电流、直流反接； c 不要在焊接接头附近引弧，不要敲打工件； d 与腐蚀介质接触侧焊缝尽量安排在最后焊接。 稳定化退火。 加热到850保温2h后空冷，使碳化物充分析出，铬得到充分扩散以补充贫铬区的铬，减少晶间腐蚀的产生。 固溶处理。 加热到10501150 ，使焊接时析出的碳化铬重新分解溶入奥氏体内，经淬火即进入为贫铬区。仅适用于小件。30第二篇 过程装备制造工艺（2）热裂纹 热裂纹产生的原因 低熔点共晶体的存在是产生热裂纹的主要原因。如Ni与钢中的有害元素S、P，都是生成低熔点共晶的合金元

20、素。 188型奥氏体不锈钢导热系数小，仅为低碳钢的13，从而在焊接过程中延长了焊缝金属在高温区停留的时间，增加了热裂纹产生的时机 ；线膨胀系数大，为低碳钢的1.5倍，导致焊接变形大，易产生较大的焊接残余应力，不能承受较大的塑性拉伸应变。31第二篇 过程装备制造工艺预防焊接热裂纹的措施严格控制焊缝中的硫、磷等有害金属的含量。控制焊缝成分，使其形成由奥氏体与铁素体组成的双相组织，并控制铁素体的含量不宜过高。具有较高的抗裂性。选用碱性焊接材料，低线能量，快焊快冷，防止过热。尽量减少焊接残余应力。注意正确的焊接结构，选择减少焊缝金属充填量的坡口形式。 32第二篇 过程装备制造工艺5 铝及铝合金的焊接

21、铝及铝合金具有较好的耐腐蚀性能，而且低温性能也较好，常用做压力较低的换热装备和储存装备。铝很活泼，在空气中就会与氧结合，在表面生成一层致密的Al2O3薄膜，可防止硝酸、乙酸的腐蚀，但在碱类和含有氯离子的盐类溶液中， Al2O3薄膜很容易被破坏，引起纯铝的强烈腐蚀。在铝中加入铜、镁、锰等合金元素，可获得不同性能的合金。 工业纯铝有Ll、L2、L3等；防锈铝合金有LF1 、LF2、LF3等，其强度适中，塑性、耐腐蚀性好，是目前铝合金焊接结构中应用最广的。33第二篇 过程装备制造工艺 (1)铝及铝合金的焊接特点 铝的氧化能力强，在焊接过程中，已形成的Al2O3薄膜，熔点高(达2050)、 密度大，会

22、阻碍金属之间的互相结合，而且不熔化，很容易造成焊缝的未熔合、夹渣、气 孔等缺陷。 铝及铝合金的导热系统(Wm)、比热容(Jkg)等都很 大(比钢大一倍多)，在焊接过程中大量的热能迅速传播，因此焊接铝及铝合金要比钢消耗更多的热能，应选择能量大、集中的大功率热源。 铝及铝合金焊接接头中气孔是较容易产生的缺陷。氢是熔化焊时产生气孔的主要 因素。铝及铝合金液体在高温下很容易吸收大量气体，焊接后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。 铝及铝合金的热裂纹倾向性大。其线膨胀系数约为钢的两倍，凝固收缩时的体积 收缩率达6.5左右，焊接时由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹。这是铝合金尤其是

23、高强铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一。34第二篇 过程装备制造工艺 (2)铝及铝合金的焊接 焊前必须认真清理铝及铝合金与焊接材料表面的氧化物及污物，并防止焊接过程中再氧化。对焊接全过程进行有效保护，这是最行之有效的预防措施，既可防止氧化，又 能减少气孔等缺陷的产生。 钨极氩弧焊，熔化极氩弧焊，是焊接铝及铝合金的较好焊接方法，其热量集中。氩气保护效果较好，可获得满意的焊接接头。 35第二篇 过程装备制造工艺注意焊接材料要烘干，并要严格保管、发放，这是预防空气、水蒸气入侵，预防 氢气孔的重要工艺内容。 铝及铝合金在高温焊接时强度很低，液态金属及附近金属容易塌陷。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采

24、用垫板托住熔化金属及附近金属，垫板可用石墨、钢材制成。36第二篇 过程装备制造工艺 四 焊后热处理 焊后热处理是将焊接设备的整体或局部均匀加热至金属材料的相变点以下的温度范围内，保持一定的时间，然后均匀冷却的过程。 1目的和规范（1）焊后热处理的目的 a. 松弛（降低）焊接残余应力 焊接残余应力的降低，加热温度起很大作用，保温过程的作用却相当重要。原理是在高温的过程中，由于金属的蠕变现象（高温松弛），焊接残余应力得以充分松弛、降低。 37第二篇 过程装备制造工艺b稳定结构形状和尺寸 c. 改善母材、焊接接头和结构件的性能 软化焊接热影响区。 提高焊缝的延性。 提高断裂韧性。但是对于淬火、回火的

25、调质高强钢等材料，采用焊后热处理有时会使其失去调质效果因而降低断裂韧性。 有利于焊接接头(焊缝区、热影响区)的氢等有害气体扩散、逸出。 提高蠕变性能以及在各种腐蚀介质中的耐腐蚀性能、抗疲劳性能等。 38第二篇 过程装备制造工艺 2 热处理方法（1）炉内整体热处理 条件允许情况下应当优先采用。其优点是被处理的焊接构件、容器温度均匀，比较容易控制，因而残余应力的消除和焊接接头性能的改善都较为有效，并且热损失小。其缺点是需要较大的加热炉，投资较大。 39第二篇 过程装备制造工艺（2）炉内分段加热处理 当被处理的焊接构件、容器等装备体积较大，不能整体进炉时，或者装备上局部区域不宜加热处理，否则会引起有

26、害影响时，可以在加热炉内分段或局部热处理。炉内部分的操作应符合上述焊后热处理规范，炉外部分应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。 炉内的加热燃料有工业煤气、天然气、液化石油气、柴油等。40第二篇 过程装备制造工艺 (3)炉外加热处理 当被处理的装备过大，或由于其他各种原因不能进行炉内热处理时，只能在炉外进行热处理。炉外加热的方法有工频感应加热法、电阻加热法、红外线加热法、内部燃烧加热法。 炉外加热处理也有整体加热处理和分段或局部加热处理之分。 41第二篇 过程装备制造工艺 (3)炉外加热处理 当被处理的装备过大，或由于其他各种原因不能进行炉内热处理时，只能在炉外进行热处理。炉外加热的方法有工频感应加热法、电阻加热法、红外线加热法、内部燃烧加热法。 炉外加热处理也有整体加热处理和分段或局部加热处理之分。 42第二篇 过程装备制造工艺3 钢制压力容器应进行焊后热处理的条件 钢制压力容器是进行焊后热处理的典型装备。压力容器用钢板厚度大小、材质的不同，容器接触各种腐蚀性介质，钢板所具备的冷、热加工工艺性能、焊接性的不同等诸多因素，都会在不同程度上造成装备或焊接接头的内部产生残余应力、变形或其他性能变化，都需要热处理。我国GB 150压力容器中提出了相应的要求。43GB150.4 压力容器-制造、检验和验收8 热处理8. 1成形受压元件的恢