各種材料的焊接

1、 各種材料的焊接 2011年10月1一.奧氏體不銹鋼的焊接1.不銹鋼概述（1）不銹鋼的概念1）定義:主加元素鉻含量高于12%，能使鋼處于鈍化狀態(tài)又具有不銹特性的鋼稱之為不銹鋼。2）通常所說的不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼：一般是指在大氣、水等弱腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。耐酸鋼：是指在酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。不銹鋼不一定耐酸，而耐酸鋼一般都具有良好的不銹性能。2不銹鋼和耐酸鋼的共同點(diǎn)：含r量都在12%以上。按照習(xí)慣叫法，下文中將不銹鋼和耐酸鋼統(tǒng)稱為不銹鋼。2.不銹鋼的分類及用途按金相組織分：可分為五類 奧氏體不銹鋼：如： 304，316 L，在氧化性、中性以及弱還原性介質(zhì)中均具有

2、良好的耐蝕性，應(yīng)用最為廣泛 。3鐵素體不銹鋼：如：00Cr12，1Cr17，主要應(yīng)用于腐蝕環(huán)境不十分苛刻的場合，如室內(nèi)裝飾、廚房設(shè)備、家用器具。主要用它的不銹性能。馬氏體不銹鋼：如： 0Cr13，1Cr13，主要用于硬度、強(qiáng)度要求較高而耐腐蝕性要求不太高的場合，如量具、刀具、餐具等。主要用它的不銹和高強(qiáng)度。鐵素體-奧氏體型不銹鋼（雙相不銹鋼）： 如：UNS S31803， UNS S32750,韌性良好，強(qiáng)度較高，耐氯化物應(yīng)力腐蝕和抗點(diǎn)腐蝕能力強(qiáng)。在石化領(lǐng)域、海水處理設(shè)備中應(yīng)用廣泛。沉淀硬化不銹鋼 ：0Cr17Ni7Al，0Cr17Ni4Cu4Nb ，通常用作耐磨、耐蝕的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件。如軸、齒

3、輪、螺栓等。 43.奧氏體不銹鋼焊接特點(diǎn) 易產(chǎn)生焊接熱裂紋，這主要由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，接頭在高溫停留時(shí)間長，在熱應(yīng)力作用下易產(chǎn)生熱裂紋，同時(shí)由于單相奧氏體組織易形成粗大的方向性很強(qiáng)的柱狀晶組織，在凝固過程中，一些雜質(zhì)元素易在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜，在拉應(yīng)力作用下形成凝固裂紋。5易產(chǎn)生晶間腐蝕傾向，在500800溫度區(qū)間停留時(shí)間過長時(shí)，晶內(nèi)的碳就會析出于晶界，與晶界處的Cr結(jié)合形成Cr23C6，從而使晶界發(fā)生貪Cr現(xiàn)象，當(dāng)晶界的Cr低于12%時(shí)，就會使晶間的耐蝕性嚴(yán)重降低，不耐腐蝕，這就造成晶間腐蝕傾向。64.工藝要點(diǎn)：選擇合適的焊材，保證焊縫的Cr、Ni含量盡量選用偏小電

4、流、快速焊，使高溫停留時(shí)間短嚴(yán)格控制層間溫度，一般低于100選用超低C和S、P含量低的焊材。但對于連續(xù)重整裝置中的再生器，應(yīng)保證C=0.040.08%，以確保高溫蠕變強(qiáng)度。7二.抗氫誘導(dǎo)裂紋用鋼（HIC鋼）的焊接1. HIC鋼的由來 隨著我國石化行業(yè)的飛速發(fā)展，原油需求量越來越大，且進(jìn)口原油多占得比例越來越大，進(jìn)口油大部分是高S，而 S在有水的條件下就會形成H2S，設(shè)備在濕H2S條件下使用就會由此而引起裂紋，從而發(fā)生損壞或破裂事故。近年來 在石化行業(yè)由于H2S的存在引起的破壞事故越來越多。 如何提高鋼材的品質(zhì)，采用具有能抵抗誘導(dǎo)裂紋能力的鋼，這是解決問題的關(guān)鍵，為此抗誘導(dǎo)裂紋用鋼就應(yīng)運(yùn)而生，我

5、國已經(jīng)成功地研制出Q345R（HIC）鋼。8 德國迪林根鋼廠依照美國工程材料標(biāo)準(zhǔn)（ASTM/ASME）SA516Gr60、65、70所生產(chǎn)的DICREST系列鋼材是具有良好抗HIC性能的壓力容器用鋼板,SA516Gr.70（HIC）鋼不是一個(gè)新的鋼號，只是在SA516Gr.70鋼板規(guī)定的范圍內(nèi)增加了一些附加要求，以提高鋼材抗氫誘導(dǎo)開裂（HIC）的能力?！癏IC”的英文全稱為“Hydrogen Included Cracking”，中文含義為“氫誘導(dǎo)裂紋”。所以無論從焊工資格、焊接規(guī)范等方面，均可按SA516Gr.70鋼來對待，只是由于焊材選擇和力學(xué)性能（-30沖擊要求）、焊縫化學(xué)成分有特殊要求

6、，故焊接工藝評定必須單獨(dú)進(jìn)行。92.抗HIC鋼的特點(diǎn)嚴(yán)格控制其含Mn量和S、P含量 Mn從1.20-1.601.20-1.35 S0.004 P0.010對鋼的冶煉過程中進(jìn)行噴鈣處理，以改善夾雜物的形狀。控制其硬度200HB焊后應(yīng)該進(jìn)行消應(yīng)力熱處理應(yīng)能夠通過抗氫誘導(dǎo)裂紋的腐蝕試驗(yàn) 具體的講，美國NACE TM-0284-2003標(biāo)準(zhǔn) 我國GB/8650-2006試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)103.抗氫誘導(dǎo)裂紋的腐蝕試驗(yàn)A溶液：試驗(yàn)溶液含5%氯化鈉和0.5%醋酸，在硫化氫飽和之后的PH值約為3。B溶液：人造海水，在硫化氫飽和之后的PH值約為4.85.4。圖一 HIC試驗(yàn)方法11圖二 試樣截取示意圖圖三 裂紋的計(jì)算示

7、意圖12裂紋長度比：CLR=a/W 100% 裂紋厚度比：CTR=b/T 100%裂紋敏感性比： CSR=（ab）/（WT ） 100%其中：a裂紋長度， b裂紋寬度， T試樣厚度 W試樣寬度 （W=200.5mm） 134. HIC鋼對焊接的特殊要求焊縫的S、P含量要求 S0.010 P0.015焊接接頭的硬度 HB200接頭沖擊試驗(yàn)：A-30kv 34J 單個(gè)值24J焊后應(yīng)該進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。 推薦使用溫度為6201414三.低溫鋼的焊接定義：凡用來制造低于或等于-20的低溫設(shè)備，在相應(yīng)的低溫條件下仍具有良好的低溫沖擊韌性和抗脆斷能力的鋼稱之為低溫鋼。 1.影響低溫韌性的主要因素(1)化學(xué)

8、成分 C、S、P都會使韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，盡量降低 含C量,嚴(yán)格限制S、P含量。 V、Ti、Nb及RE(稀土)可以細(xì)化晶粒，提高低溫韌性。15Mn、Ni會降低鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。特別是Ni可以顯著改善鋼的低溫韌性。（2）金屬的組織和晶粒、晶格狀態(tài) 奧氏體鋼具有面心立方晶格，其韌性隨溫度降低變化極小，故在很低的溫度下仍具有較高的韌性。凡具有面心立方晶格的金屬，如鐵、鋁、銅及鎳等都不會產(chǎn)生冷脆性。此外，鋼的晶粒越細(xì)，低溫沖擊韌性越好，所以凡是可以細(xì)化晶粒的合金元素或通過正火熱處理等工藝措施，均能改善鋼的低溫韌性。2. 低溫鋼的分類按鋼的組織分：可分為鐵素體型低溫鋼和奧氏 體型低溫鋼。 按合金體系分：

9、可分為不含 Ni鋼和含Ni鋼。16a）不含 Ni鋼：一般最低使用溫度在- 40以上，屬于鐵素體型低溫鋼。這類鋼主要通過嚴(yán)格控制C、S、P含量或添加少量的V、Al、Nb、Ti等微合金化元素，通過合金元素的固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化并進(jìn)行正火、正火+回火、淬火+回火的熱處理來得到良好的低溫韌性。如： SA350 LF6Cl.2、SA333Gr.6 。b）含 Ni鋼：根據(jù)Ni含量的高低，其使用溫度也不同，一般來說，隨著Ni含量的增加，使用溫度也越低。含 Ni鋼中，當(dāng)Ni含量較低時(shí)，屬于鐵素體型低溫鋼；當(dāng)Ni含量較高時(shí)，則屬于奧氏體型低溫鋼。對于鐵素體型含Ni低溫鋼，按含Ni量不同，可分為0.5Ni鋼、1.5

10、Ni鋼、2.5Ni鋼、3.5Ni鋼、5 Ni鋼和9 Ni鋼。 按最低使用溫度分：-40 、 -70 、 -90 17 - 101、 - 170 、- 196等幾個(gè)溫度級別用鋼。如：SA203GrA、B等均屬于2.5Ni鋼，使用溫度 在- 60 ，SA SA203GrD、E 、F等均屬于3.5Ni 鋼，使用溫度在- 101 。3. 焊接工藝要點(diǎn) 選擇合適的焊接材料。要選擇與鋼的最低使用溫度相匹配的焊接材料，必要時(shí)，要選用能保證比鋼的最低使用溫度更低的焊材。要從焊縫的化學(xué)成分組成上保證焊縫的低溫沖擊韌性。如添加Ni和細(xì)化晶粒的Ti、B等微合金化元素，嚴(yán)格控制其C、S、P含量。 嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和層

11、間溫度不可過高，一般控制在100-150。18采用較小的焊接熱輸入量，這是避免焊縫和熱影響區(qū)不會形成粗大的結(jié)晶組織而使低沖嚴(yán)重降低的關(guān)鍵工藝措施，具體要求是：（a）焊接電流不易過大（b）盡量采用窄焊道，不擺動的多道多層焊（c）宜采用快速多道焊，以減輕焊道過熱，并通過薄層多道焊的重?zé)嶙饔眉?xì)化晶粒。要避免弧坑、未焊透及咬邊等缺陷。這些缺陷造成應(yīng)力集中，是引起低溫條件下造成脆性破壞的源泉，所以低溫容器不允許任何咬邊缺陷存在。194. 焊后熱處理焊后消除應(yīng)力熱處理對于低溫容器而言，是確保焊接接頭低溫沖擊韌性合格的重要工藝措施之一。雖然GB150附錄C低溫壓力容器規(guī)定，只有16mm的碳鋼、低合金鋼制低溫

12、容器或元件應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，但一般對于低溫容器而言，要慎重考慮其熱處理問題，因?yàn)楹负鬅崽幚砜梢越档推浯鄶嗟奈ｋU(xiǎn)性。 一般低溫鋼容器的焊后熱處理溫度不宜超過620。20四.雙相不銹鋼的焊接1. 雙相不銹鋼定義：指金相組織由鐵素體和奧氏體兩相組成的不銹鋼，其中鐵素體和奧氏體各占一半，且一般較少相的含量至少也要在30%以上，這種不銹鋼稱為鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼。鐵素體含量低于10%，這種不銹鋼不屬于雙相不銹鋼之列，一般仍稱之為奧氏體不銹鋼。212. 雙相鋼的特性具有良好的耐蝕性，特別是其耐點(diǎn)蝕，縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力比傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼優(yōu)越的多。綜合性能好，不但有較高的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，同時(shí)具

13、有良好的韌性，其Rp0.2可達(dá)400-550MPa，是普通不銹鋼（Rp0.2205MPa）的兩倍，具有良好韌性的原因：主要是奧氏體相的存在 。223. 焊接特點(diǎn)：焊接性良好，與奧氏體不銹鋼比有較低的熱裂紋傾向，與鐵素體不銹鋼相比有較低熱脆化傾向。4. 焊接工藝要點(diǎn)：焊縫和熱影響區(qū)都應(yīng)保持相平衡，得到滿意的相比例組織是關(guān)鍵，一般鐵素體在30-60%，最好在30-45%。23嚴(yán)格控制熱輸入量，過大或過小都不利，最好在5-15KJ/cm。過大時(shí)，冷卻速度慢，會使量多，結(jié)果使過少；過小時(shí)，冷卻速度快，會使量少，結(jié)果使過高，要絕對避免十分快速的冷卻。提高焊材的Ni含量，一般要 焊材中Ni含量要比母材 高

14、2-4%，所以在焊2205雙相鋼時(shí)要用E2209焊條。盡量采用多層多道焊。一般不需要預(yù)熱焊接，層間溫度控制在150以下。TIG焊時(shí)不推薦采用自熔焊。24（5）使用：雙相鋼的極限使用溫度，EN標(biāo)準(zhǔn)定為250。2205、2207是瑞典雙相鋼的焊條，作為通用型號 應(yīng) 成UNSS31803和UNSS32750。焊材選用：焊條 AWS A5.4 E2209 E2594 焊絲 AWS A5.9 E2209 ER2594255鎳基合金1.什么是鎳基耐蝕合金 Ni含量在30%以上的合金通常稱為Ni基合金，它屬于有色合金之列，其顯微組織為單一的奧氏體組織。鎳基合金固態(tài)下沒有相變，母材和焊縫金屬的晶粒不能通過熱處

15、理細(xì)化，固態(tài)具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，化學(xué)活潑性低，在2001090能耐各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，同時(shí)具有良好的高溫和低溫力學(xué)性能。262.為什么鎳基合金運(yùn)用的越來越好： 石化行業(yè)中所用設(shè)備的工作介質(zhì)環(huán)境越來越苛刻，各種腐蝕日益嚴(yán)重，需要用耐蝕性好的材料來做設(shè)備。 Ni基合金具有獨(dú)特的物理、力學(xué)和耐蝕性能，能解決一般不銹鋼和其他金屬、非金屬材料無法解決的工程腐蝕 ，是各行各業(yè)中耐高溫、高壓、高濃度或混有不純物質(zhì)各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬材料。273.常用的鎳基合金分類純Ni，如鎳200、鎳201Ni-Cu合金：蒙乃爾合金，Monel 400Ni-Cr-Fe合金：稱因康鎳合金, Inconel 600 Ni-Cr-MO-Nb合金：稱因康鎳Inconel 625Ni-Fe-Cr合金：稱因科洛依合金， Incoloy 800 Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金:稱因科洛依Incoloy 825Ni-Mo-Cr合金：稱哈斯特洛依合金,如C-27628常用鎳基合金推薦選用的焊材294.焊接特點(diǎn)具有高的熱裂紋敏