压力容器制造中异种钢的焊接

压力容器制造中异种钢的焊接

杨计团

佛山市特种设备协会广东528000

摘要：在压力容器设计中，为保证其使用性能和工艺性能，以及制造成本控制的需求，往往需要选用异种钢进行搭配。本文对压力容器异种钢相焊时焊接材料的选择，焊接工艺以及焊接质量控制要点进行阐述。

关键词：压力容器；异种钢；焊接材料；焊接工艺

随着现代工业的发展，对钢制压力容器的性能提出了更高的要求，如高温屈服强度、持久强度、低温韧性、材料的耐磨性及耐腐蚀性等等。单一金属材料一般不能满足这些使用要求，即使有些材料性能比较理想，但价格比较昂贵，得不到广泛推广。而随着焊接技术的发展，异种钢焊接工艺逐渐成熟，并得到了广泛应用，这既满足了压力容器的各种性能要求，同时还降低了生产成本。

异种钢的焊接特点在于：异种钢之间性能上的差别大，与焊接同种钢相比要困难，最突出的问题是焊接接头的化学成分不均匀及因此引起的组织不均匀性、不稳定性，以及力学性能的复杂性等。为保证焊接接头的使用性能和工艺性能，需要正确选用焊接材料，制定适宜的焊接工艺和焊后热处理工艺、以及严格的焊接质量控制。

一、制定适宜的焊接工艺

因不同钢材在物理性能和化学成分上有所差异，给异种钢的焊接带来一定难度。制定正确的焊接工艺是保证异种钢焊接接头不产生裂纹或其它缺陷，使接头组织、力学性能，耐热性、耐磨蚀性等能够满足设计和使用要求的关键。

焊接工艺包括焊接方法、焊接材料、焊接坡口、焊接工艺参数、预热及焊后热处理、焊接工艺评定等。

1、焊接方法的选择

选择焊接方法时要考虑到焊接热输入对焊接接头的影响，结合异种钢的焊接性，组织和化学成分的要求等合理选用。在条件允许的情况下也可以选用钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊等等。因焊条的种类非常齐全，可根据不同异种钢的焊接灵活选用，适应性强，故而使用也是最广泛的。

2、焊接材料选用

异种钢的焊接，工艺人员需要对压力容器异种钢母材有充分的了解，分析它们的焊接性和焊接接头的使用性能，从而选用合适的焊接材料。若焊接材料选择不当，则很可能造成焊接裂纹，更有甚者会出现焊接接头达不到设计和使用要求的问题产生。对异种钢的焊接材料选用原则：

1)不同强度等级的碳素钢和低合金钢相焊，应选用焊缝金属抗拉强度不低于强度级别较低的母材下限值。如Q235B与Q345R的焊接，其中Q235B的抗拉强度为370~500MPa，而Q345R则达到了490~640MPa，因此应选用J422或J427焊条（当接头承受动载荷时，应当选用J427，保证接头抗拉强度和韧性）；

2)珠光体耐热钢、贝氏体耐热钢及马氏体耐热钢及其与碳素钢或低合金钢相焊时，可选用合金成分与较低一侧钢材相匹配或介于两者之间的焊接材料。如15GrMo与12Cr2MoG相焊，选用与合金成分较低的15GrMo相匹配的焊接材料R307。

3)奥氏体不锈钢与碳素钢或低合金钢相焊时，应考虑焊缝金属的抗裂性能和力学性能。当设计温度低于370℃时，可选用Cr、Ni含量较奥氏体型母材高的奥氏体不锈钢焊接材料；当设计温度高于370℃时，可选用镍基焊接材料。如S30408与Q345R相焊，两种钢材考虑到焊缝金属的稀释作用，防止Q345R侧产生严重碳迁移，应选用含镍量稍高的A302或A307焊条。

3、焊接坡口的选择

焊接前开坡口的目的是为了保证焊透或控制变形以及便于清渣等。坡口角度的选择除了根据母材板厚，还应该考虑焊接接头的熔合比。焊接层数越多，坡口角度越大其熔合比则越小。对异种钢的焊接，一般认为熔合比越小越好，这样可以尽量减小焊缝金属的化学成分和性能的波动，保证焊接接头的使用性能。例如在焊接S32205与Q345R时，如果选用I形坡口，熔合比大，焊缝金属稀释严重，形成脆硬的马氏体组织，极易出现裂纹。

4、焊接工艺参数的选择

焊接工艺参数也能直接影响熔合比，焊接热输入大，则母材熔入焊缝金属比例增加，熔合比变大，反之则小。焊接热输入和焊接电流、焊接电压成正比，与焊接速度成反比。异种钢的焊接，我们希望尽量减小熔合比，通常采用较小的焊接线能量进行焊接。奥氏体不透钢间异种钢的焊接，需要保证层间温度不得超过100℃，避免在450℃~850℃敏化温度区停留时间过长，热影响区部分区域碳化物析出，造成晶界贫铬，形成晶间腐蚀。

5、预热及焊后热处理

1)预热预热的目的是降低焊缝金属的冷却速度，进而降低焊接接头的淬硬倾向，防止裂纹的产生。被焊的两侧母材之一有较大淬硬倾向时必须预热，预热温度按淬硬倾向大的一侧母材选择，例如1Cr13和Q235B的焊接，可按1Cr13的预热温度进行。用奥氏体钢焊条焊接时可适当降低温度或不预热。

2)焊后热处理焊后热处理的目的是发送接头的组织和性能，消除焊接残余应力，使焊缝金属中的氢逸出等。对于金相组织与母材基本相同的焊缝金属（如珠光体钢，马氏体钢等），可按合金含量较高的钢材确定焊后热处理的温度。但对珠光体钢和奥氏体钢组成的异种钢接头则不适用，因为会造成碳迁移、产生脆化组织等

6、焊接工艺评定

焊接工艺评定是为验证所拟定的焊件焊接工艺的是否正确而进行的试验过程及结果评价。压力容器异种钢的焊接工艺评定执行NB\T47014承压设备焊接工艺评定，要注意：

1)拉伸试样的抗拉强度应该不低于标准规定的两种母材抗拉强度最低值中的较小值；

2)当规定进行冲击要求时，冲击试样取样位置为焊缝区3件，两侧热影响区各3件，共9件；

二、压力容器焊接质量控制要点

（一）焊接准备

压力容器异种钢焊接之前，应对焊前准备工作进行必要的检查：

1)焊缝坡口进行检查，包括坡口形式、坡口角度、钝边，以及铁锈、油污、水份等的清理过程，坡口应露出金属光泽。在检查合格后方可进行组对；

2)检查装配是否满足图纸要求；

3)要进行焊前预热处理的异种钢接头，检查预热措施是否按要求进行，温度是否达到工艺要求；

4)焊接材料是否按规定进行烘干和保温等。

（二）焊接过程控制

压力容器异种钢的焊接，要对过程关键点进行把控：

1)焊接工艺参数是不是严格按照工艺执行，保证焊接电流，电弧电压和焊接速度，对碱性焊条应采用短弧焊接；

2)层道间清渣是否合格；

3)有层间温度要求的异种钢焊接，层间温度是否符合工艺要求等。

（三）焊后检验

1)进行外观检查，不得有裂纹、未焊透等缺陷；

2)有焊后热处理要求的异种钢接头，检查热处理参数是否符合工艺要求，并做好检验记录；

3)按工艺要求进行无损检测，对于有产生延迟裂纹倾向的工件焊后应该在工艺要求的时间（至少焊后24小时）后进行无损检测。有再热裂纹倾向的还要在热处理后增加一次无损检测。

结束语

由于异种钢接头两侧母材的成分、金相组织和物理化学性质的差异，导致焊缝金属化学成份和组织的不均匀、不稳定以及力学性能的复杂性，因此异种金属焊接在焊接中更容易产生缺陷和工艺性能下降等问题。对于异种钢焊接而言，工艺确定的主要依据是异种钢的焊接性和产品的使用要求，确定合理的焊接工艺，改善焊后的组织和性能，通过执行严格的焊接检验，把控异种钢焊接中关键结点，减少或避免焊接缺陷产生，使压力容器异种钢焊接接头能够满足产品的使用要求。

参考文献

[1]陈祝年.焊接工程师手册(第2版).机械工业出版社，2009，10.

[2]张子荣，时炜.简明焊接材料选用手册-第二版.机械工业出版社，2004，3.

[3]国家能源局.NB/T47014-011承压设备焊接工艺评定.2011.7.

[4]国家能源局.NB/T47015-2011压力容器焊接规程.2011.7.