焊接质量与焊条选择、母材

焊接质量与焊条选择、母材成分、焊接方法及施焊环境关系的研究引言•焊接技术是一门重要的金属加工技术，它贯穿着生活中的各个方面，从航天航空设备到汽车零配件、从石油石化到桥梁建造，甚至于家用各种电气设备都能看到它的身影。我们公司主要生产压力容器产品中的加压过滤机、反吹风包系列，各种压力容器中的小件，以及冶金、烧结设备。经过多年的努力，我们公司能够独立设计并制造出D级类压力容器，并且深受客户的好评与信任。要高效保质的完成加压类产品，焊接质量是关键，多年的经验与总结，以及这些年的探索与收获，我们发现了影响焊接质量的诸多因素。本课题针对于影响焊接质量的因素进行了分析与研究，并最终得出结论。1.焊条的选择与焊接质量之间的关系•焊条由药皮和焊芯组成，长度大约在250-450mm，直径有φ2、φ2.5、φ3.2、φ4等多种如图1所示。•图11.1药皮的作用•（1）改善焊接工艺性能—易于引弧和再引弧，稳弧性好，减少飞溅，使焊缝成形美观；•（2）机械保护作用──气保护和渣保护；•（3）冶金处理作用──去除有害杂质（如O.H.S.P等），添加有益元素；•（4）改善焊接工艺性能——改变药皮熔点，形成套筒保护熔滴过渡；1.2焊芯是用专用钢丝制成，它是焊条的核心部件具有以下作用•（1）传导焊接电流使其产生电弧把电能转化为热能。•（2）焊芯本身将熔化作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝。焊芯中含有多种合金元素，包括碳、锰、硅、铬、镍、硫、磷等，各种元素对焊接质量产生很大的作用，其作用如下表元素名称对焊接质量的影响碳作为脱氧剂，生成二氧化碳、一氧化碳气体，减少空气中氧气、氮气对熔池的不良作用，减少焊缝金属中氧和氮的含量。当焊芯中含碳量高时会引起较大的飞溅和气孔，降低焊缝的塑性。碳的含量应不大于0.1%锰作为合金剂和脱氧剂，可以减少焊缝的热裂纹倾向，还可以提高焊缝的力学性能。碳素结构钢焊芯的含锰量为0.3%—0.5%特殊用途的焊芯含锰量在1.7%—2.1%硅作为合金剂和脱氧剂，可以提高焊缝强度、弹性、抗酸性，还可以与氧形成二氧化硅。但是过多的硅会造成焊缝的塑性和韧性降低，还会增加飞溅，因此应将硅的含量控制在0.2%以下铬能提高钢的硬度、耐磨性、耐腐蚀性，但对于低碳钢来说，铬会使焊缝中夹渣、降低熔渣的流动性，铬的含量应控制在0.2%以下镍镍对于低碳钢来说是一种杂质，含量要小于0.3%但对于低温冲击值要求较高时，应适当的加入镍元素。硫有害杂质，能使焊缝的金属力学性能降低，增大焊缝的热裂纹倾向。硫的含量应不大于0.04%当焊重要结构时应保证其含量不大于0.03%磷有害杂质，能降低焊缝的力学性能，使焊缝出现冷脆现象，造成低温冲击韧性下降，因此磷的含量应不大于0.04%当焊重要结构时应保证其含量不大于0.03%1.3焊条型号的意义如下：•例如：1.4焊条的选用原则：•总原则：尽可能使接头的使用性能与母材保持一致•（1）根据母材的物理、机械性能和化学成分•（2）根据母材工作条件和使用要求•（3）根据焊接结构的特点•（4）根据焊接现场设备条件•（5）根据劳动条件和生产效益•针对于我公司的产品，普通钢板Q235B之间的焊接用J422焊条，锰板Q345R之间的焊接用J507的焊条，奥氏体不锈钢Ocr18Ni19之间的焊接用不锈钢焊条A102或A302。奥氏体不锈钢Ocr18Ni19与Q235B之间的焊接用A102，奥氏体不锈钢Ocr18Ni19与Q345R之间的焊接用性能稍高一点的A302焊条，Q235B与Q345R之间的焊接用J422的焊条施焊。在焊接蒸压釜、加压仓体时低合金钢之间用J507焊条施焊，碳素钢之间用J427施焊，低合结钢与碳素钢之间的焊接用J427焊条。只有这样才能保证焊接区域的使用性能与板材的使用性能接近于等强匹配。常用焊条的型号牌号如下表：国标部标型号（按化学成份分类）牌号（按用途分类）国家标准号名称代号类型名称代号字母汉字GB5117-1985碳钢焊条E一结构钢焊条J结GB5118-1985低合金钢焊条E一结构钢焊条J结二钼和铬钼耐热钢焊条R热三低温刚焊条W温GB983-1985不锈钢焊条E四不锈钢焊条G铬A奥2.母材成分对焊接质量的影响•2.1焊接接头•对于压力容器而言，焊接接头的力学性能是基本性能，同时焊接接头也是焊接结构中的薄弱环节，焊接接头存在着组织和性能的不均匀性，还往往存在着一些焊接缺陷，存在着较高的拉伸残余应力。提高焊接接头的质量可以从以下途径着手：•（1）正确选配焊接材料。•（2）采用合理的焊接工艺方法控制熔合比、调节焊接热循环特征、运用合理的操作方法和坡口设计辅以预热层间保温及缓冷后热措施。•（3）焊后热处理方法可获得优质的焊接接头。•2.2母材成分•在焊接过程中母材的成分也尤为重要，根据母材成分来选择合适的焊材。高性能母材与低性能母材焊接时，焊材性能应与低性能母材相近或等强。•焊缝金属与母材力学性能匹配应该统一考虑强度匹配、塑性匹配和韧性匹配。对于强度型低合金钢按等强原则选用焊接材料，焊接接头可具有足够的韧性储备，而适当的“超强”也确实有利于提高接头的抗脆段性能。用强度为700-800mpa的高强度钢材作为母材，选择不同强度级别焊条焊接后进行落锤试验和深缺口宽板拉伸试验结果表明：焊缝金属过分超强或过分低强，均易促使脆性断裂，接近等强的接头最为理想，焊缝低强在工艺上还可降低预热温度，减少冷裂纹和敏感性。母材中的缺陷•（1）非金属杂质：钢中的金属O、S、N、Si、P等相互作用，形成不具有金属及其合金性质的化合物，如：MnS、FeS、复合硅酸盐等，这些物质机械的混杂在钢中，称为非金属夹杂物。这些夹杂物在钢内是非正常组织，破坏了金属基体的连续性，降低了金属的强度、韧性和塑性、抗疲劳和抗应力腐蚀能力，可能造成锻造和冷加工开裂、淬火裂纹、焊缝层状撕裂等。对材料性能的影响程度除与夹杂物的种类有关外，还与其大小、形状、数量及分布密切相关。•（2）化学成分不合格：除主要合金元素外，微量元素含量也是衡量化学成分是否满足要求的重要依据，这也是导致失效的常见原因之一。•（3）组织结构：压力容器用钢对金属的组织、晶粒度都有一定的要求，因为这直接影响到材料的力学性能、组织和化学稳定性。而材料的扎制工艺、热处理状态和合金成分决定了其组织结构。•（4）成分和组织偏析;由于再冷却过程中钢锭的内外冷却速度不同，造成杂质在钢芯和顶部偏聚，某些组织优先析出。因此，扎制的钢板化学成分和金相组织存在不均匀现象，特别是厚钢板芯部的杂质含量通常较其他区域高。这一现象往往是造成低合金钢在湿硫化氢环境中，钢板芯部产生密集HIC（氢致开裂）的主要原因。•（5）裂纹：材料内部夹杂物在扎制过程中可能造成夹杂物周围的母材开裂，某些杂质也可能导致材料在热处理过程中产生再热裂纹。•（6）氢脆：当钢中的扩散氢质量浓度超过3×10-6，钢内存在较大应力时（相变应力），可使钢锭或锻轧的钢材表面形成发纹、白点，导致钢材韧性下降。•（7）表面缺陷：材料表面的机械损伤、折叠和腐蚀缺陷，他们往往成为某些失效的裂纹源。•（8）成型加工缺陷•（9）热处理缺陷：主要指氧化和脱碳。淬火裂纹、过热和过烧、回火脆。•我公司生产的大型压力容器用的多是Q345R的锰板，蒸压釜、高压0.6Mpa的加压仓体是用厚度为16mm的锰板、低压0.5Mpa的加压仓体是用厚度为14mm的锰板，生产的反吹风包用的是8mm厚度的Q235B普通钢板，生产的直径2.8米长度10米的混料筒是用厚度为20mm的Q235B的钢板，加压槽体是用奥氏体不锈钢板材。针对以上板材进行如下分析：（1）Q235B是碳素结构钢，抗拉强度为235Mpa，其化学成分如下表：元素化学成分质量分数碳0.09~0.15%锰0.25~0.55%硅≤0.3%硫≤0.045%磷≤0.045%（2）Q345R是普通低合金钢，抗拉强度为510~640Mpa，其屈服强度为265~345Mpa，是a级的压力容器专用钢板，具有良好的综合力学性能，其所含的硫、磷元素略低于Q345且抗拉强度、延伸率比Q345高，能够保证更好的冲击韧性。其所含化学元素如下表：元素化学成分质量分数碳≤0.55%硅1.2~1.6%锰≤0.2%硫≤0.015%磷≤0.025%•2.3常用母材的焊接•Q345R板材的焊接：•一般特点：材料中比低碳钢增加了少量的Mn，是低合金钢中可焊性比较好的钢，但是由于含有一定量的合金元素，淬硬倾向比低碳钢大。在低温或大刚度、大厚度焊接时可能出现淬硬组织或裂纹。•焊接材料：按照等强原则，应用E50型焊条，压力容器焊接中一般采用低氢型碱性焊条，如E5015，E5016。埋弧自动焊时焊丝有H08A，H08MnA和H10Mn2等。•工艺要点：•（1）温度较低或焊件厚大时需要预热；•（2）装配点焊应在5℃以上进行气温低于时应预热；•（3）当与低碳钢焊接时，如结构为受压元件，焊材与工艺按低碳钢，如不是受压元件其焊材和工艺可按16MnR考虑。•奥氏体不锈钢Ocr18Ni19•一般特点：具有较好的焊接性，焊接时一般不需采用特殊工艺措施，但选择工艺方法不当，容易出现晶间腐蚀和热裂纹。•焊接材料：可采用A002和A120、A132型焊条。埋弧自动焊时焊丝有H0Cr18Ni9Ti等•工艺要点：•（1）防止晶间腐蚀：使焊缝形成双相组织，控制含碳量，添加稳定元素如Ti、Nb，进行焊后处理，采用合适焊接工艺参数；•（2）防止热裂纹：在焊缝中加入铁素体元素，形成双相组织；减少含碳量严格控制规范，减小熔合比。•实例1：•我公司于2010年底为辽宁海城某企业生产的直径2.8m长度10m的混料筒，其板材是普通钢板Q235板厚20mm，我公司职工用J422焊条施焊，完工后在海城运行了一段时间后，在混料筒筋板的热影响区的板材与焊缝出现裂纹如图2所示。经专家检测处理后得出结论：板材是锰板，不是普通钢板，由于他们企业所用的混料筒下方的滚轮是自己生产的，滚轮与混料筒之间并没有橡胶等起缓冲作用的物质，这就造成了在接触面之处受到的压力非常大，再加上摆放之处不是水平，混料筒运行起来受力不均,于是造成了热影响区之中的板材与焊缝出现裂纹，实例1：图2•另外锰板的性能应高于普通钢板的性能，但在施焊过程中，由于板材的标记错误，工人们使用的焊材并没有选用J506的焊材施焊而是用J422焊条施焊，这就使焊接时焊材性能比母材性能“过低”也影响到了混料筒整体的质量问题。由于在焊接过程中焊缝两侧受到高温作用的影响，其板内金属晶粒的排布会发生变化，致使原来材料的力学性能有所降低，所以裂纹出现在热影响区附近。在了解到具体问题的根源之处，我公司派员工前去针对上述种种问题一一处理，从处理完成后到目前为止这台混料筒在运行期间没有类似现象的再次发生。•这个实例也反映出了根据母材的材料来进行焊材的选用是非常关键的，它影响到设备以后的运行情况，甚至于可影响到设备的寿命，会影响代企业的经济效益。•实例2：酒精蒸压釜爆炸事件•江苏省苏州市某厂采用乙醇氧化法成产醋酸和醋酸酐。1993年，该厂所用的一台酒精蒸压釜发生爆炸事故，造成1人死亡，2人受重伤。•该厂蒸压釜的结构为立式一类换热熔器，由上、中、下3段构成，3段之间由法兰连接。上端是酒精液、酒精蒸汽、热空气的混合区；中间是列管加热段；下端是酒精液及压缩空气入口段。经过有关专家检查、化验、分析得出如下结论：•（1）釜体材质因素：本产品采用00Cr17Ni14Mo2不锈钢和a022焊条制造，该材料具有良好的焊接性能和抗晶间腐蚀能力。由于应力腐蚀机理不同于晶间腐蚀，因此，抗晶间腐蚀能力强的不锈钢不一定有较高的抗应力腐蚀能力。理论和实践证明，应力腐蚀的敏感性主要取决于应力大小和方向，同时还与腐蚀介质种类、浓度和温度有关。奥氏体不锈钢对应力腐蚀的敏感性最大。即使在其中添加钼、铌或钛的稳定碳化物元素，也不能完全避免应力腐蚀。因此，本蒸压釜制造用材料虽为超低碳型并加了近2%钼的奥氏体不锈钢，也未能避免应力腐蚀的发生。•（2）温度因素：据有关资料表明，奥氏体不锈钢在50摄氏度以上的含氯介质中极易产生应力腐蚀。而本釜的工作温度8