焊接与热处理

二、焊接与热处理焊接基础知识焊接工艺评定焊工资格考核焊接工艺一般要求碳素钢和低合金钢的焊接不锈钢的焊接产品焊接试件及检验热处理（一）焊接基础知识1、常用焊接方法（1）焊条电弧焊（手工电弧焊）（SMAW）设备简单，便于操作，适用于室内外各种位置的焊接，可以焊接各种材料，应用十分广泛；生产效率低，劳动强度大；对焊工的技术水平及操作要求较高。（2）埋弧自动焊（SAW）生产率比手工电弧焊高5～10倍，节省焊材，自动操作使焊接规范参数稳定，焊缝成分均匀，外型光滑美观，因而焊接质量良好、稳定；设备比较复杂昂贵；由于电弧不可见，因而对接头加工与装配要求严格；焊接位置受到一定限制，一般在平焊位置焊接。（3）氩弧焊非熔化极（TIG，GTAW），熔化极（MIG）手工，半自动，自动；适于焊接各种钢材、有色金属及合金，焊接质量优良；便于实现全位置自动化焊接；热量集中，熔池较小，焊接速度较快，热影响区较小，工件焊接变形较小；电弧稳定，飞溅小，成形美观，适于双面成形。氩气成本较昂贵，氩弧焊的设备和控制系统比较复杂；钨极氩弧焊的生产效率较低。（4）CO2气体保护焊（GMAW）CO2气体，混合气体（富氩）成本低，效率高，质量好，操作性能好；控制或操作不当时，容易产生气孔。焊接设备比较复杂。二氧化碳气体保护焊在压力容器制造中可用于焊接低碳钢、低合金钢（5）等离子弧焊（PAW）（6）电渣焊（ESW）：用于大厚度件的纵缝立焊（7）窄间隙焊（narrow-gap）：用于大厚度件的环缝焊接（8）气电立焊（EGW）：用于中厚板以上的纵缝立焊（9）带极堆焊（BESW）：用于表面耐蚀层堆焊（一）焊接基础知识2、焊接材料包括：焊条，焊丝，焊剂，保护气体，焊剂垫标准GB/T5117—1995《碳钢焊条》GB/T5118—1995《低合金钢焊条》GB/T983—1995《不锈钢焊条》GB/T984—2001《堆焊焊条》GB/T8110—2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》GB/T10045—2001《碳钢药芯焊丝》GB/T5293—1999《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》GB/T12470—2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》GB/T17854—1999《埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂》GB/T4842—2006《氩》焊条标准焊条型号牌号药皮类型电流种类GB/T5117《碳钢焊条》E4303J422钛钙型交流、直流E4310J425高纤维素型直流反接E4315J427低氢钠型直流反接E4316J426低氢钾型交流、直流E5015J507低氢钠型直流反接GB/T5118《低合金钢焊条》E5515-B2R307低氢钠型直流反接E6015-B3R407低氢钠型直流反接GB/T983《不锈钢焊条》E308-15A107低氢钠型直流反接E308L-15A007低氢钠型直流反接E347-15A137低氢钠型直流反接E316-15A207低氢钠型直流反接（一）焊接基础知识3、焊缝与焊接接头“焊缝”是指焊件经焊接后所形成的结合部分焊接接头包括：焊缝、熔合区、热影响区（二）焊接工艺评定监检人员应当对焊接工艺的评定过程进行监督；焊接工艺评定报告(PQR)和焊接工艺规程(WPS)经过监检人员签字确认后存入技术档案；焊接工艺评定技术档案应当保存至该工艺评定失效为止，焊接工艺评定试样应当至少保存5年。（三）焊工资格考核取得相应项目的《特种设备作业人员证》；施焊记录与焊接记录焊工代号钢印，或者在焊接记录(含焊缝布置图)中记录焊工代号，焊接记录列入产品质量证明文件。（四）焊接工艺一般要求1、焊接环境条件►风速：手工焊≤10m/s，气保焊≤2m/s►相对湿度：≤90%►焊件温度：≥－20℃►焊件温度为0~－20℃时，将始焊处预热到15℃以上►无雨雪环境►焊材贮存库相对湿度：≤60%，温度：≥5℃2、焊接工艺要求►禁止在非焊接部位引弧和收弧►受压元件角焊缝的根部应保证焊透►控制线能量不超过评定合格值►控制层间温度►双面焊应清理焊根►每条焊缝应尽可能一次焊完（四）焊接工艺一般要求3、返修具有经过评定合格的焊接工艺规程(WPS)支持；焊缝同一部位的返修次数不宜超过2次，如超过2次，返修前应当经过制造单位技术负责人批准；返修的次数、部位、返修情况记入压力容器质量证明文件；在热处理后进行焊接返修，根据补焊深度确定是否需要进行消除应力处理；有特殊耐腐蚀要求的压力容器或者受压元件，返修部位仍需保证不低于原有的耐腐蚀性能；返修部位应当按照原要求检测合格；耐压试验后进行返修的，返修深度大于1/2厚度的，应当重新进行耐压试验。（五）碳素钢和低合金钢的焊接1、焊接性能►碳素钢►低合金钢：普通低合金钢、低合金高强钢、低合金耐热钢（Cr-Mo）、低合金低温钢（Ni）►主要问题：冷裂纹，再热裂纹►冷裂纹三要素：扩散氢，淬硬组织，拉伸应力碳当量：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15Ceq0.4％，焊接性优良；Ceq=0.4~0.6％，淬硬倾向增大，需预热、缓冷等；Ceq0.6％，属较难焊的钢材。2、焊材选择原则►碳素钢、普低钢和低合金高强钢：力学性能►Cr-Mo耐热钢：化学成分►低温钢：化学成分和低温韧性►异种钢接头：就低的原则（五）碳素钢和低合金钢的焊接3、焊接方法：各种4、焊接工艺：降低冷却速度►焊前预热的作用:1）降低焊接冷却速度，遏制或减少淬硬组织；2）减小焊接区的温度梯度，降低焊接接头内应力；3）扩大焊接区的温度场，使焊接接头在较宽的区域内处于塑性状态，减弱了焊接应力的不利影响；4）降低残余应力峰值；5）有利于焊缝中氢的逸出。预热温度对焊缝边界焊接热循环的影响4、焊接工艺►预热温度：由焊接性试验确定►层间温度：不低于预热温度►焊接参数：由焊接工艺评定确定线能量(热输入)：焊接电流、焊接电压、焊接速度►缓冷►后热处理：在焊接完成后，立即加热到一定温度一般为200～350℃（根据材料和结构型式的不同而不同）保持一定时间（一般不少于30min），目的：降低扩散氢含量（六）不锈钢的焊接（1）焊接性能用于耐腐蚀、高温、低温奥氏体不锈钢主要问题：晶间腐蚀：碳在奥氏体中溶解度不同，1100℃时达0.12%，450～850℃时只有0.02%，称为敏化温度；在敏化温度区晶粒边界析出Cr23C6，造成晶界局部贫铬（含Cr量低于12%），丧失抗腐蚀能力。解决办法：超低碳，添加稳定化元素（Ti、Nb），快速冷却热裂纹：S可与Ni形成低熔点共晶，熔点650℃，聚集在晶界，凝固过程中，在拉伸应力的作用下开裂。解决办法：严格限制S、P含量马氏体、铁素体不锈钢主要问题：冷裂纹，脆化晶间腐蚀（六）不锈钢的焊接（2）焊接方法：常见方法（3）焊材选择原则►同种接头：化学成分►不同奥氏体不锈钢异种接头：化学成分就低的原则►不同马氏体、铁素体不锈钢异种接头：化学成分就低的原则►提高焊缝耐腐蚀性：超低碳，添加稳定化元素（Ti、Nb）►奥氏体不锈钢与碳素钢、低合金钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢的异种接头应选用：25Cr-13Ni（E309型），25Cr-20Ni（E310型）（六）不锈钢的焊接4、焊接工艺►马氏体、铁素体不锈钢：与低合金钢相类似►奥氏体不锈钢：快速冷却（与低合金钢相反）不预热，层间温度≤150℃，小线能量，多层多道焊，背面充氩保护药芯焊丝的应用5、不锈钢复合钢的焊接►马氏体（铁素体）不锈钢复合钢，奥氏体不锈钢复合钢►焊材选择：基层和复层：按其本身选焊材过渡层：选25Cr-13Ni或25Cr-20Ni型焊材►预热：按总厚度确定►定位焊：只允许焊在基层上►焊接顺序：基层→过渡层→复层►不得用碳钢、低合金钢焊材在复层、过渡层上施焊►过渡层焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材、复层母材，且盖满基层焊缝和基层母材（七）产品焊接试件及检验1、产品焊接试件的意义►检验产品焊接接头的力学性能和弯曲性能2、需要制备产品焊接试件的条件►碳钢、低合金钢制低温容器；►抗拉强度下限值≥540MPa的低合金钢制容器；►需经过热处理改善或者恢复材料力学性能的钢制容器；►盛装毒性为极度或者高度危害介质的压力容器；►设计和标准要求制备产品焊接试件的压力容器。（七）产品焊接试件及检验3、产品焊接试件制备►试件材料：与容器同标准、同牌号、同厚度、同热处理状态►由施焊容器的焊工，同条件、同工艺焊接►在筒节A类纵向接头焊缝的延长部位与筒节同时施焊►与容器同炉热处理►同一台容器上不同壳体的纵向接头工艺不同，则分别制作试件4、产品焊接试件的检验►检验依据：NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》►检验项目：外观，无损检测，拉伸，弯曲，冲击（要求时）►试样类别、数量：10＜T＜20，可用2个侧弯代替面弯和背弯；两侧母材钢号不同时，每侧热影响区都取3个冲击；低碳钢、Q345R和铬镍奥氏体钢允许免做热影响区冲击。试件厚度拉伸弯曲试验冲击试验面弯背弯侧弯焊缝热影响区T≤101113310＜T＜20111*33T≥201233►拉伸试验：与焊接工艺评定相同►弯曲试验：与焊接工艺评定相同►冲击试验：试验温度：不高于最低设计金属温度。合格标准：试验温度下，3个试样的平均值不低于规定值，其中1个试样的冲击功可小于规定值，但不得小于规定值的70％。铬镍奥氏体钢试样还应提供侧向膨胀量。（七）产品焊接试件及检验5、复验►检验项目不合格，允许从原试件上取样复验。►拉伸、弯曲试验：对不合格项目取双倍试样复验（如：面弯试样不合格，再取2个试样做面弯）；合格指标按原要求，复验试样应全合格。►冲击试验：不合格的项目取一组（3个样）复验；合格指标为：前后两组6个试样的平均值不低于规定值，允许有2个试样小于规定值，但其中小于规定值70％的只允许1个。（八）热处理1、焊后热处理目的：消除残余应力，改善接头组织和性能►不属于焊后热处理：碳素钢、低合金钢：＜490℃高合金钢：＜315℃2、热处理厚度要求►碳素钢、Q345R、Q370R、07MnNiMoDR：δ＞32mm；预热100℃以上时，δ＞38mm；►16MnDR：δ＞25mm；►15MnNiDR、09MnNiDR：δ＞20mm；设计温度＜－45℃时，任意厚度；►S11306、S11348（铁素体不锈钢）：δ＞10mm；►其他低合金钢：任意厚度►同钢材，不同厚度：按薄者►异种钢：按热处理严者►有应力腐蚀的容器►盛装毒性为极度或高度危害介质的容器►奥氏体不锈钢一般不要求热处理（八）热处理3、热处理规范►碳素钢、Q345R、Q370R、12CrMo：≥600℃►15CrMoR、12Cr1MoV：≥650℃►12Cr2Mo1R、1Cr5Mo、12Cr2Mo1VR：≥680℃►调质钢热处理温度应低于调质处理的回火温度，至少30℃；►不同钢号：按温度要求高的进行，但不应超过任一钢号的下临界点；►保温时间：δ/25（h），最少15min；►降低热处理温度，延长保温时间（δ≤25mm）：比规定温度降低（℃）305580110最短保温时间（hr）2410204、热处理方法►尽可能采取炉内整体热处理►分段时，加热重叠部分至少1500mm►局部热处理时：均温带最小宽度为焊缝宽度两侧各加δ或50mm，取大值；均温带应环绕接管、筒体全圆周►自动记录热处理时间与温度关系曲线5、热处理工艺►进、出炉温度：≤400℃►升温速度：≤5500/δ(℃/h)，且≤220(℃/h)►降温速度：≤7000/δ(℃/h)，且≤280(℃/h)►升温、降温：最小不低于55℃/h►保温期间，加热区内温差：≤80℃6、返修后的热处理：►需要重新热处理：有应力腐蚀的压力容器盛装毒性为极度或高度危害介质的压力容器Cr-Mo钢制容器低温压力容器►可不再重新热处理：Fe-1和Fe-3类钢材返修焊缝厚度小于钢材厚度的1/3，且不大于13mm；（两面返修应相加）返修技术要求：返修采用低氢型药