压力容器中异种钢的焊接

时间：2019-04-26

压力容器中异种钢的焊接

一、异种钢焊接概述及其焊接特点

两种牌号不同的钢之间的焊接称之为异种钢焊接，它是属于异种金属焊接中应用较为广泛的一类接头。
对于异种钢焊接接头又可分为两种情况，第一类为同类异种钢组成的接头，这类接头的两侧母材固然化学成分不同，但都属于铁素体类钢或都属于奥氏体类钢；第二类接头为异类异种钢组成，即接头两侧的母材不属于同一类钢，例如一侧为铁素体类钢，另一侧为奥氏体类钢(如奥氏体不锈钢)。对于母材都属于铁素体类钢，其焊缝采用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条焊接的接头，也属于第二类接头。

由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、化学性能上都存在着差异，因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多。异种钢焊接时存在以下焊接特点：

① 接头中存在着化学成分的不均匀性

异种钢焊接接头的化学成分不均匀性及由此而导致的组织和力学性能不均匀性题目较为**，特别是对于第二类异种钢接头更是如此。不仅焊缝与母材的成分往往不同，就连焊缝本身的成分也是不均匀的，这主要是由于焊接时稀释率的存在所造成的。这种化学成分的不均匀性对接头的整体性能影响较大。

② 接头熔合区组织和性能的不稳定性
在母材与焊缝金属之间的熔合区由于存在着明显的宏观化学成分不均匀性，因此就引起组织较大的不均匀性，给接头的物理化学性能、力学性能带来很大影响。比如用奥氏体不锈钢焊条焊接低合金钢与奥氏体不锈钢之间的异种钢接头，在熔合区就存在着“碳迁移”现象，使熔合区靠焊缝一侧形成增碳层，而低合金钢一侧形成脱碳层，在此区域内硬度变化剧烈，同时力学性能下降，甚至引起开裂。

③ 焊后热处理是较难处理的题目

异种钢接头的焊后热处理是一个比较难处置的题目，假如处置不当，会严重损坏异种钢接头的力学性能，甚至造成开裂。例如对于同类异种钢接头，一侧母材强度较低，要求的焊后热处理温度也较低，而另一侧母材强度及合金元素含量较高，要求的焊后热处理温度较高，此时假如PWHT温度选择不当，会使强度低的一侧母材强度下降过度。

二、异种钢焊接工艺要点
1. 焊材选择
正确地选用焊材是焊接异种钢的关键，焊接接头的质量和使用性能与所选用的焊材密切相关。

异种钢接头的焊缝和熔合区，由于合金元素被稀释及碳的迁移等原因存在一个过渡区，过渡区中不但化学成分、金相组织不均匀，而且物理性能、力学性能等通常也有很大差异，可能会引起焊接缺陷(如裂纹等)或严重降低性能。为此必须按照母材的成分、性能、接头形式和使用要求等来正确选用焊材。其焊材选用的基本原则有以下几点：

① 在焊接接头不产生裂纹等缺陷的条件下，若焊缝金属的强度和塑性不能兼顾时，则应选用塑性和韧性较好的焊材。

② 焊缝金属性能只需要符合两种母材中的一种，即可以为满足使用技术要求。一般情况下，选用焊材使焊缝金属的力学性能及其他性能不低于母材中性能较低一侧的指标，即以为满足了技术要求。但在某些情况下还应从焊接工艺性能(如抗裂性等)方面来考虑。

③ 结构钢的异种钢号焊接时，对相同强度等级的结构钢焊条，一般应选用抗裂性能好的低氢焊条。对于金相组织差别比较大的异种钢接头，如珠光体－奥氏体异种钢接头，则必须充分考虑填充金属受到稀释后焊接接头性能仍然得到**。

④ 在满足性能要求的条件下，选用工艺性能好、价低、易得的焊材。

⑤ 对于异类异种钢接头，一般均选用高铬镍奥氏体不锈钢焊条或镍基合金焊条。对于工作条件苛刻的重要接头，**选用镍基合金焊条，由于固然它价格较贵，但可以减少或避免碳迁移，且其焊缝金属的线膨胀系数介于铁素体钢和奥氏体钢之间，对接头的组织及力学性能都有好处。
2. 焊接预热要求
预热温度的确定，一般按预热要求高的一侧来确定焊接预热温度，但对于异类异种钢接头，可以适当降低预热温度，必要时经试验后确定。

3. 焊接规范的确定

对于异类异种钢接头，在选择焊接规范时，因想法降低熔合比。为此，应选择小直径焊条或焊丝，尽量选用小电流快速焊。

4. 采用预堆边焊的方法进行焊接

有时为了解决异种钢接头预热和焊后热处理难的题目，往往采用预堆边焊的方法进行焊接。其工艺顺序为：在需要热处理的一侧母材坡口先预堆边焊1 ~2层与焊缝同种钢的焊条→此侧进行PWHT→冷态焊接整个焊缝，然后接头不再进行PWHT。

这种做法，可减少熔合区成分不均匀所带来的一些题目，也给接头的热处理带来方便，但切记此时预堆边焊层的厚度一定要保证大于或即是4mm，以起到隔离层的作用。

5. 焊后热处理温度的确定

一般是按照热处理温度要求高的一侧母材来选定异种钢接头的PWHT温度，此时一定要事先做焊接工艺评定，以防使强度低的一侧母材强度严重下降，出现强度分歧格。

三、复合钢板的焊接

复合钢板是由不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板为复层，珠光体钢为基层，以爆炸焊、复合轧制、堆焊等方法制成的双金属板材。复合钢板的基层应满足接头强度和刚度的要求，复层应满足耐蚀等要求。

为了保证复合钢板不失往原有的综合性能，对基层和复层必须分别进行焊接，其焊接性、焊材选择、焊接工艺等由基层、复层材料决定。

基层和复层交界处的焊接属异种钢焊接，其焊接性主要取决于基层和复层的物理性能、化学成分、接头形式、填充金属成分。凡是异种钢焊接存在的题目在复合钢板焊接时同样存在，为此本节只阐述复合钢板焊接时应留意的一些题目。目前应用较多的是奥氏体不锈钢为复层、珠光体为基层的复合钢板，其次是铁素体钢为复层、珠光体为基层的复合钢板。

1. 焊接方法

根据复合钢板材质、接头厚度、坡口尺寸及施焊条件等确定焊接方法，通常有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、CO2气体保护焊及等离子弧焊等。目前常用钨极氩弧焊或焊条电弧焊焊接复层，用埋弧焊或焊条电弧焊焊接基层。

2. 坡口形式

对接接头坡口形式见JB/T 4709《钢制压力容器焊接规程》图A1。可采用V形、X形、V和U联合形坡口。也可以在接头背面一小段间隔内进行机械加工，往掉复层金属，以确保焊基层焊道时不使基层焊肉焊到复层上。一般尽可能采用X形坡口双面焊，先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层。以保证焊接接头具有较好的耐腐蚀性。同时考虑过渡层的焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接工作量。

角接接头坡口形式见JB/T 4709《钢制压力容器焊接规程》中图A2。无论复层位于内侧或外侧，均先焊接基层。复层位于内侧时，在焊复层以前应从内侧对基层焊根进行清根。复层位于外侧时，应对基层最后焊道进行修磨光。焊复层时，先焊过渡层，再焊复层。

当复层金属的熔化温度**基层钢的熔化温度，而且两种金属在冶金上不相容时，复层金属必须采用衬垫以保持复层的完整性。在基层焊完后，用角焊缝将衬垫与复层焊接起来。

3. 填充金属选择

基层采用适宜的填充金属进行焊接，使接头具有预期使用所需要的力学性能。在大多数情况下，选用合适的中间填充金属作为钢的过渡层，从而控制复层金属良好焊道的含铁量，避免复层和基层处焊道产生脆化、裂纹等，保证复层焊道的耐蚀、耐磨等特殊性能。

4. 焊接顺序及焊材选用

① 通常先焊基层，**道基层(碳钢、低合金钢)焊缝不应熔透到复层金属，以防焊缝金属发生脆化或产生裂纹。措施是采用合适的接头设计，限制钢焊缝金属熔透；从接头背面往除复层，这当然也增加了焊复层的工作量，进步了焊接本钱。

② 焊(堆焊)复层一侧时，必须考虑稀释的影响。无论哪一种堆焊方法，**层堆焊的焊缝金属都是由堆焊材料的熔敷金属和熔进的母材金属熔合而成的。由于母材的合金元素含量很低，所以它对**层焊缝金属的合金成分具有稀释作用。因此，可能使焊缝金属中奥氏体和铁素体形成元素含量不足，结果堆焊金属可能出现大量的马氏体组织，并可能产生裂纹，同时导致堆焊层韧性降低。
下面以手工电焊条为例说明。手工电焊条的熔合比一般是20％左右。如用308型焊条(Cr18％、Ni 8％)型的电焊条，经母材稀释以后，堆焊的焊缝金属成分将变成15-7型，这样焊缝中可能是奥氏体+马氏体组织。若在实际操纵中熔合比控制较大时，就有可能在焊缝中产生大量的脆硬马氏体，这样的堆焊层无论力学性能、耐蚀性能，还是抗裂性能都很差。由于稀释作用，焊缝中的Ni含量较低，在熔合线四周产生较宽的马氏体过渡层。同样的堆焊方法，若选用309型的堆焊材料，经母材稀释后，堆焊的焊缝金属成分是19-9或18-8型，这样**层就基本达到堆焊成分的要求，而且焊缝组织是奥氏体+铁素体组织，这样焊缝金属就具有较高的抗热裂性能和抗腐蚀性能。

所以在焊接复合板的复层时，应选择合适的填充金属先堆焊一层或多层过渡层，然后再焊复层。过渡层的填充金属必须能容许基层钢的稀释。以压力容器常见的16MnR+304复合板为例，焊接复层时通常采用309型焊材先堆焊一层，然后用308型焊材焊盖面层。

③ 根部可用碳弧气刨、铲削或磨削法进行清根。在堆焊过渡层前，必须清除清根坡口中的任何残余物。

消除应力热处理可在焊完基层后进行，然后焊过渡层，再焊复层。热处理温度取下限，延长保温时间。

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