壓力容器中異種鋼的焊接

時間：2019-04-26作者：清河縣漢龍焊接材料有限公司瀏覽：201

                                            壓力容器中異種鋼的焊接


一、 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)用較為廣泛的一類接頭。
對于異種鋼焊接接頭又可分為兩種情況，第一類為同類異種鋼組成的接頭，這類接頭的兩側(cè)母材固然化學(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)。對于母材都屬于鐵素體類鋼，其焊縫采用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)性能不均勻性題目較為**，特別是對于第二類異種鋼接頭較是如此。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)由于存在著明顯的宏觀化學(xué)成分不均勻性，因此就引起組織較大的不均勻性，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題目

異種鋼接頭的焊后熱處理是一個比較難處置的題目，假如處置不當(dāng)，會嚴(yán)重?fù)p壞異種鋼接頭的力學(xué)性能，甚至造成開裂。例如對于同類異種鋼接頭，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，此時假如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。

二、 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)性能等通常也有很大差異，可能會引起焊接缺陷(如裂紋等)或嚴(yán)重降低性能。為此必須按照母材的成分、性能、接頭形式和使用要求等來正確選用焊材。其焊材選用的基本原則有以下幾點：

① 在焊接接頭不產(chǎn)生裂紋等缺陷的條件下，若焊縫金屬的強度和塑性不能兼顧時，則應(yīng)選用塑性和韌性較好的焊材。

② 焊縫金屬性能只需要符合兩種母材中的一種，即可以為滿足使用技術(shù)要求。一般情況下，選用焊材使焊縫金屬的力學(xué)性能及其他性能不**母材中性能較低一側(cè)的指標(biāo)，即以為滿足了技術(shù)要求。但在某些情況下還應(yīng)從焊接工藝性能(如抗裂性等)方面來考慮。

③ 結(jié)構(gòu)鋼的異種鋼號焊接時，對相同強度等級的結(jié)構(gòu)鋼焊條，一般應(yīng)選用抗裂性能好的低氫焊條。對于金相組織差別比較大的異種鋼接頭，如珠光體－奧氏體異種鋼接頭，則必須充分考慮填充金屬受到稀釋后焊接接頭性能仍然得到**。

④ 在滿足性能要求的條件下，選用工藝性能好、價低、易得的焊材。

⑤ 對于異類異種鋼接頭，一般均選用高鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條或鎳基合金焊條。對于工作條件苛刻的重要接頭，**選用鎳基合金焊條，由于固然它價格較貴，但可以減少或避免碳遷移，且其焊縫金屬的線膨脹系數(shù)介于鐵素體鋼和奧氏體鋼之間，對接頭的組織及力學(xué)性能都有好處。
2. 焊接預(yù)熱要求
預(yù)熱溫度的確定，一般按預(yù)熱要求高的一側(cè)來確定焊接預(yù)熱溫度，但對于異類異種鋼接頭，可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫度，必要時經(jīng)試驗后確定。

3. 焊接規(guī)范的確定

對于異類異種鋼接頭，在選擇焊接規(guī)范時，因想法降低熔合比。為此，應(yīng)選擇小直徑焊條或焊絲，盡量選用小電流快速焊。

4. 采用預(yù)堆邊焊的方法進(jìn)行焊接

有時為了解決異種鋼接頭預(yù)熱和焊后熱處理難的題目，往往采用預(yù)堆邊焊的方法進(jìn)行焊接。其工藝順序為：在需要熱處理的一側(cè)母材坡口先預(yù)堆邊焊1 ~2層與焊縫同種鋼的焊條→此側(cè)進(jìn)行PWHT→冷態(tài)焊接整個焊縫，然后接頭不再進(jìn)行PWHT。

這種做法，可減少熔合區(qū)成分不均勻所帶來的一些題目，也給接頭的熱處理帶來方便，但切記此時預(yù)堆邊焊層的厚度一定要保證大于或即是4mm，以起到隔離層的作用。

5. 焊后熱處理溫度的確定

一般是按照熱處理溫度要求高的一側(cè)母材來選定異種鋼接頭的PWHT溫度，此時一定要事先做焊接工藝評定，以防使強度低的一側(cè)母材強度嚴(yán)重下降，出現(xiàn)強度分歧格。

三、 復(fù)合鋼板的焊接

復(fù)合鋼板是由不銹鋼、鎳基合金、銅基合金或鈦板為復(fù)層，珠光體鋼為基層，以爆炸焊、復(fù)合軋制、堆焊等方法制成的雙金屬板材。復(fù)合鋼板的基層應(yīng)滿足接頭強度和剛度的要求，復(fù)層應(yīng)滿足耐蝕等要求。

為了保證復(fù)合鋼板不失往原有的綜合性能，對基層和復(fù)層必須分別進(jìn)行焊接，其焊接性、焊材選擇、焊接工藝等由基層、復(fù)層材料決定。

基層和復(fù)層交界處的焊接屬異種鋼焊接，其焊接性主要取決于基層和復(fù)層的物理性能、化學(xué)成分、接頭形式、填充金屬成分。凡是異種鋼焊接存在的題目在復(fù)合鋼板焊接時同樣存在，為此本節(jié)只闡述復(fù)合鋼板焊接時應(yīng)留意的一些題目。目前應(yīng)用較多的是奧氏體不銹鋼為復(fù)層、珠光體為基層的復(fù)合鋼板，其次是鐵素體鋼為復(fù)層、珠光體為基層的復(fù)合鋼板。

1. 焊接方法

根據(jù)復(fù)合鋼板材質(zhì)、接頭厚度、坡口尺寸及施焊條件等確定焊接方法，通常有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊及等離子弧焊等。目前常用鎢極氬弧焊或焊條電弧焊焊接復(fù)層，用埋弧焊或焊條電弧焊焊接基層。

2. 坡口形式

對接接頭坡口形式見JB/T 4709《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》圖A1。可采用V形、X形、V和U聯(lián)合形坡口。也可以在接頭背面一小段間隔內(nèi)進(jìn)行機械加工，往掉復(fù)層金屬，以確保焊基層焊道時不使基層焊肉焊到復(fù)層上。一般盡可能采用X形坡口雙面焊，先焊基層，再焊過渡層，最后焊復(fù)層。以保證焊接接頭具有較好的耐腐蝕性。同時考慮過渡層的焊接特點，盡量減少復(fù)層一側(cè)的焊接工作量。

角接接頭坡口形式見JB/T 4709《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》中圖A2。無論復(fù)層位于內(nèi)側(cè)或外側(cè)，均先焊接基層。復(fù)層位于內(nèi)側(cè)時，在焊復(fù)層以前應(yīng)從內(nèi)側(cè)對基層焊根進(jìn)行清根。復(fù)層位于外側(cè)時，應(yīng)對基層最后焊道進(jìn)行修磨光。焊復(fù)層時，先焊過渡層，再焊復(fù)層。

當(dāng)復(fù)層金屬的熔化溫度**基層鋼的熔化溫度，而且兩種金屬在冶金上不相容時，復(fù)層金屬必須采用襯墊以保持復(fù)層的完整性。在基層焊完后，用角焊縫將襯墊與復(fù)層焊接起來。

3. 填充金屬選擇

基層采用適宜的填充金屬進(jìn)行焊接，使接頭具有預(yù)期使用所需要的力學(xué)性能。在大多數(shù)情況下，選用合適的中間填充金屬作為鋼的過渡層，從而控制復(fù)層金屬良好焊道的含鐵量，避免復(fù)層和基層處焊道產(chǎn)生脆化、裂紋等，保證復(fù)層焊道的耐蝕、耐磨等特殊性能。

4. 焊接順序及焊材選用

① 通常先焊基層，**道基層(碳鋼、低合金鋼)焊縫不應(yīng)熔透到復(fù)層金屬，以防焊縫金屬發(fā)生脆化或產(chǎn)生裂紋。措施是采用合適的接頭設(shè)計，限制鋼焊縫金屬熔透；從接頭背面往除復(fù)層，這當(dāng)然也增加了焊復(fù)層的工作量，進(jìn)步了焊接本錢。

② 焊(堆焊)復(fù)層一側(cè)時，必須考慮稀釋的影響。無論哪一種堆焊方法，**層堆焊的焊縫金屬都是由堆焊材料的熔敷金屬和熔進(jìn)的母材金屬熔合而成的。由于母材的合金元素含量很低，所以它對**層焊縫金屬的合金成分具有稀釋作用。因此，可能使焊縫金屬中奧氏體和鐵素體形成元素含量不足，結(jié)果堆焊金屬可能出現(xiàn)大量的馬氏體組織，并可能產(chǎn)生裂紋，同時導(dǎo)致堆焊層韌性降低。
下面以手工電焊條為例說明。手工電焊條的熔合比一般是20％左右。如用308型焊條(Cr18％、Ni 8％)型的電焊條，經(jīng)母材稀釋以后，堆焊的焊縫金屬成分將變成15-7型，這樣焊縫中可能是奧氏體+馬氏體組織。若在實際操縱中熔合比控制較大時，就有可能在焊縫中產(chǎn)生大量的脆硬馬氏體，這樣的堆焊層無論力學(xué)性能、耐蝕性能，還是抗裂性能都很差。由于稀釋作用，焊縫中的Ni含量較低，在熔合線四周產(chǎn)生較寬的馬氏體過渡層。同樣的堆焊方法，若選用309型的堆焊材料，經(jīng)母材稀釋后，堆焊的焊縫金屬成分是19-9或18-8型，這樣**層就基本達(dá)到堆焊成分的要求，而且焊縫組織是奧氏體+鐵素體組織，這樣焊縫金屬就具有較高的抗熱裂性能和抗腐蝕性能。


所以在焊接復(fù)合板的復(fù)層時，應(yīng)選擇合適的填充金屬先堆焊一層或多層過渡層，然后再焊復(fù)層。過渡層的填充金屬必須能容許基層鋼的稀釋。以壓力容器常見的16MnR+304復(fù)合板為例，焊接復(fù)層時通常采用309型焊材先堆焊一層，然后用308型焊材焊蓋面層。

③ 根部可用碳弧氣刨、鏟削或磨削法進(jìn)行清根。在堆焊過渡層前，必須清除清根坡口中的任何殘余物。


④ 要焊后熱處理以消除焊接殘余應(yīng)力，選擇熱處理溫度時應(yīng)考慮：基層和復(fù)層的熱處理規(guī)范的差異；對復(fù)層耐蝕性的影響；基層和復(fù)層界面的元素擴散是否會產(chǎn)生脆性相，導(dǎo)致鋼板性能惡化；由于基層和復(fù)層的物理性能差異，熱處理冷卻過程產(chǎn)生殘余應(yīng)力，沿厚度方向在復(fù)層上形成拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)層產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂等。



消除應(yīng)力熱處理可在焊完基層后進(jìn)行，然后焊過渡層，再焊復(fù)層。熱處理溫度取下限，延長保溫時間。


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