顾福明--压力容器检验师培训材料焊接

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压力容器材料焊接

上海市特种设备监督检验技术研究院

顾福明

工学博士

教授级高工,国家高级安全评价师,AWS焊接检验师,国际焊接工程师电话:13524522468 EMAIL:gufuming1000@

一、材料的焊接

1.1低碳钢的焊接

1.低碳钢焊接特点低碳钢含碳量低，锰、硅含量少，在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织。这种钢的塑性和冲击韧性优良，其焊接接头的塑性、韧性也极其良好。 2.低碳钢焊材选用 (1)焊条应根据焊缝金属强度与母材等强的原则选用焊条，当厚度增大时，在同等强度等级中应选用抗裂性能好的焊条，如低氢型焊条等。 (2)埋弧焊焊丝和焊剂低碳钢埋弧焊时，由于母材中合金成分不多，故即可采用焊丝渗合金，也可采用焊剂渗合金。 (3)气体保护焊焊丝首先要满足焊缝金属与母材等强，焊缝化学成分与母材的一致性则放在次要。

3.低碳钢焊接要点 (1)焊接时不需要预热及控制层间温度和后热，整个焊接过程中不需采用特殊的工艺措施，焊后也不必进行热处理。 (2)在严寒的低温条件下焊接低碳钢或焊接大厚度的焊缝时，为避免焊接裂纹，应采取以下措施。 1)焊前预热，焊接过程中保持层间温度。 2)采用低氢型或超低氢型焊条。 3)定位焊时，加大电流，减慢焊速。 4)整条焊缝尽量一次连续焊完。 (3)低碳钢埋弧自动焊时，为保证其接头的冲击韧性和冷弯性能，应适当控制热输入量，不宜采用大规范焊接。 (4)氩弧焊打底焊时，背面不必进行氩气保护。

1.2低合金高强度钢的焊接 1.低合金高强钢焊接特点低合金高强钢的含碳量一般不超过0.20%,合金元素总量一般不超过 5%。正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素，使其焊接性能与碳钢有一定差别，其焊接特点表现在： (1)焊接接头的焊接裂纹 1)冷裂纹低合金高强钢由于含有强化钢材的C、Mn、V、Nb等元素，在焊接时易淬硬，这些硬化组织很敏感，因此，在刚性较大或拘束应力高的情况下，很容易产生冷裂纹。 2)再热裂纹再热裂纹又称消除应力裂纹(SR裂纹),是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行(一定范围内的再次加热)中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹，如16MnR、15MnVR等。但对于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强钢，如07MnCrMoVR,由于Nb、V、Mo是促使再热裂纹敏感性较强的元素，因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区，防止再热裂纹的发生

。

(2)焊接接头的脆化和软化 1)应变时效脆化焊接接头在焊接前需经受各种冷加工(下料剪切、筒体卷圆等),钢材会产生塑性变形，如果该区再经200~450℃的热作用就会引起应变时效。应变时效脆化会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高，从而导致设备脆断。PWHT可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复。 2)焊缝和热影响区脆化低合金高强钢易淬硬，热输入过小，HAZ会出现马氏体引起裂纹；热输入过大，WM和 HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。应将热输入限制在一定范围。 3)焊接接头的热影响区软化由于焊接热作用，低碳调质钢的热影响区(HAZ)外侧加热到回火温度以上特别是Ac1附近的区域，会产生强度下降的软化带。但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求。

2.低合金高强钢焊材选用 (1)选择与母材强度相当的焊缝金属 (2)由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向，所以，在等强度原则的前提下，严格控制焊材中的氢含量是非常重要的，应尽量选用低氢型的焊材。并严格控制焊材的存放和使用。 (3)考虑焊后加工工艺的影响。对焊后需经热处理、热卷(热弯)的焊件，应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。

3.低合金高强钢焊接要点 (1)选用低氢或超低氢高韧性的焊材，且重视烘干、保存以及坡口的清理，以减少焊缝中的扩散氢。 (2)一般应注意不要使用过大的热输入。 (3)对于碳及合金元素含量较高、屈服强度也较高的低合金高强钢，在选用较小热输入的同时，还要增加焊前预热、焊后及时后热等措施。 (4)焊接低碳调质钢时，要严格控制焊接热输入， (5)加强对焊接接头的无损检测。对再热裂纹敏感的钢种，应在PWHT前后都要做射线或超声检测。

1.3.耐热钢的焊接耐热钢是以Cr-Mo为基的低合金钢，具有较好的高温抗氧化性和热强性，是热动力设备及中、高温的主要材料。常用的钢号有12CrMo、15CrMo、15CrMoR、14CrlMoR、12Cr2Mo、 12CrlMoV、20CrMo、2.25CrlMo等。 1.耐热钢的焊接特点 (1)淬硬性低合金耐热钢中的主要合金元素Cr和Mo等都能显著提高钢的淬硬性。在较高的冷却速度下可能形成全马氏体组织，比如12Cr2Mo1R焊接时，如果焊接热输入较小、钢板厚度较大且不预热，就有可能发生100%的马氏体转变。 (2)冷裂纹由于Cr-Mo钢极易产生淬硬的显微组织，再加上焊缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用，焊接接头易产生氢致延迟裂纹。这种裂纹在热影响区大多是表面裂纹，在焊缝金属中通常表现为垂直

于焊缝的的横向裂纹，也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。冷裂纹是CrMo钢焊接中存在的主要危险。

(3)消除应力裂纹又称为再热裂纹。Cr-Mo钢是再热裂纹敏感性钢种，敏感的温度范围一般在500~ 700℃之间。大量试验结果表明，钢中Cr、Mo、V、 Nb、Ti等强碳化物形成元素对再热裂纹形成有很大影响。 (4)热裂纹当焊道的成形系数(熔宽与熔深比)小于1.2~1.3时，焊道中心易形成热裂纹。这是因为窄而深的梨形焊道，低熔点共晶聚集于焊道中心，在焊接应力作用下，导致焊道中心出现热裂纹。 (5)回火脆性 Cr-Mo钢及其焊接接头在350~500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。例如某厂一台2.25Cr-1Mo钢制容器在332~ 432℃运行30000h后，钢的40J脆性转变温度从37℃提高到了+60℃,并最终导致灾难性的脆性断裂事故。

2、耐热钢焊材选用 (1).不但要考虑焊缝金属与母材的常温强度等强，同时也要使其高温强度不低于母材标准值的下限要求。 (2).焊缝金属的铬、钼含量不得低于母材标准值的下限。 (3).为保证焊缝金属有同样小的回火脆性，应严格限制焊材中的氧、硅、磷、锑、锡、砷等微量元素的含量。 (4).为提高焊缝金属的抗裂性，应控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量，对于低合金耐热钢的焊缝金属含碳量最好控制在0.08%~0.12%范围内，这样才会使焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的高温蠕变强度。

3、耐热钢焊接要点(1).预热与层间温度耐热钢焊前必须预热，预热的目的是为了防止冷裂纹的产生，对含铬、钼、钒等元素的耐热钢而言，预热还可以有效地避免和减少再热裂纹的产生。 (2).焊后热处理对于低合金耐热钢，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，而且更重要的是改善组织提高接头的综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬度，还有就是使氢进一步逸出以避免产生冷裂纹。 (3).后热 Cr-Mo钢冷裂倾向大，焊后必须立即消氢。 (4).对于低合金耐热钢而言，允许的焊接热输入范围较宽，为了防止冷裂纹的产生，希望焊接时热输入不要过小。

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