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    在介紹了焊接的分類、電弧焊焊接接頭的冶金及組織特點、接頭的缺陷及其檢查試驗方法之后，這一節(jié)中將介紹有關(guān)的焊接技術(shù)及常見金屬材料的焊接。

    一、焊接技術(shù)

    前面已經(jīng)多次提到，焊接時所選用的焊接參數(shù)（包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度等）、焊縫坡口型式、焊前的預(yù)熱和焊后熱處理、焊接材料的選用等都將影響到焊接接頭的組織和性能。因此，在焊接前應(yīng)首先合理的確定這些技術(shù)參數(shù)和焊接工藝。

    （一）焊接參數(shù)的選擇

    焊接參數(shù)有時也叫焊接規(guī)范，它主要包括焊條直徑、焊接電流、焊接電壓、焊接速度等。正確地選擇這些參數(shù)，既可提高焊接生產(chǎn)率，又可獲得優(yōu)良的焊接接頭質(zhì)量。當然，對不同的焊接方法，焊接參數(shù)的選取原則是不同的，在這里仍以手工電弧焊為例進行介紹。

    1、焊條直徑的選擇

    焊條直徑越大，焊接生產(chǎn)率越高。但焊條直徑過大，會造成焊縫外觀差、焊漏或焊穿、未焊透等缺陷。焊條直徑小，生產(chǎn)率低，若焊條直徑過小，也容易造成未焊透缺陷。因此焊條直徑應(yīng)適中。影響焊條直徑選取的因素有構(gòu)件的壁厚、接頭的坡口型式、焊接的位置等。一般情況下，構(gòu)件的厚度越厚，選取的焊條直徑越大，否則將嚴重影響焊接生產(chǎn)率；對于角接和搭接焊接接頭，一般不容易被焊穿或焊漏，反而容易產(chǎn)生未焊透缺陷，故常用大直徑焊條；平焊比立焊、橫焊和仰焊應(yīng)選取更大的焊條直徑，或者說，立焊、仰焊、橫焊時焊條直徑不能太大（一般不超過5mm）。否則，由于熔池金屬（液體金屬）較多而下流，造成焊瘤、未焊滿、夾渣等缺陷。

    2、焊接電流的選擇

    焊接電流的大小對焊接接頭的質(zhì)量和焊接生產(chǎn)率也有較大的影響。焊接電流過小，電弧不穩(wěn)定，容易造成未焊透和夾渣等缺陷，而且生產(chǎn)率低；電流過大，會增加金屬的飛濺，焊縫容易產(chǎn)生咬邊、焊漏和燒穿等缺陷。影響焊接電流選取的因素有焊條類型、焊條直徑、構(gòu)件厚度、接頭型式、焊接位置等，但主要的影響因素是焊條直徑和焊接位置。一般情況下，焊接電流I（安培，A）與焊條直徑d（毫米，mm）可以按I=(35~55)d關(guān)系式確定。焊接電流對焊縫的影響與焊條直徑的影響相似，對于立焊、橫焊和仰焊，焊接電流太大時，容易產(chǎn)生較多的熔池金屬而下流，從而造成焊瘤、未焊滿、夾渣等缺陷，故立焊、橫焊和仰焊時應(yīng)取較小的焊接電流，一般應(yīng)比平焊小5%~10%。

    3、電弧電壓的選擇

    前面已經(jīng)講過，焊接回路的電壓不能太高，以避免現(xiàn)場人員觸電。而電弧本身的電壓在電路的電壓確定之后，它將受電弧長度的影響，電弧越長，電弧電壓越高。在焊接過程中，電弧不宜過長，否則會引起電弧不穩(wěn)定，增加金屬的飛濺，減小熔深以及產(chǎn)生咬邊等缺陷，電弧過長還容易導(dǎo)致空氣的侵入，從而使焊縫產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。因此，焊接中應(yīng)盡量采用短電弧低電壓焊接參數(shù)。一般情況下，堿性焊條焊接時應(yīng)控制其電弧電壓在23V~26V，酸性焊條則控制在24V~29V。

    4、焊接速度的選擇

    如果弧立地選擇焊接速度，那么焊接速度越大，焊接生產(chǎn)率越高，焊縫的冷卻速度越快，焊接變形越小，但未焊透、夾渣則越容易產(chǎn)生。但是，焊接速度往往是與焊條直徑、焊接電流等配合選用，只有它們搭配的比較好，才能獲得比較好的焊接質(zhì)量。例如，工程中為了減少焊接熱變形和獲得良好的焊縫外觀形狀，常選用小電流、慢速焊的焊接參數(shù)。為了提高生產(chǎn)率則常采用大電流、快速焊的焊接參數(shù)。

    上述這些焊接參數(shù)的選定，不能孤立的只考慮某一個參數(shù)的作用，應(yīng)將它們放在一起綜合考慮，合理搭配。參數(shù)的選擇可以通過焊接工藝評定進行篩選和確定。

    （二）焊接材料的選擇

    從上節(jié)的介紹中可以看出，焊接材料在焊接中起到填充金屬并參于焊接冶金反應(yīng)的作用。因此，焊接材料質(zhì)量的好壞、選擇的是否合理將直接影響到焊縫金屬的組織和性能，并對其起著決定性的作用。下面仍以手工電弧焊為例介紹常用的焊接材料及其特點、焊接材料如何選用以及焊接材料在焊前的預(yù)處理等內(nèi)容。

    1、常用焊接材料的分類及其特點

    對手工電弧焊來說，焊接材料就是焊條，它通常由金屬絲和包在金屬絲外面的藥皮兩部分組成。上節(jié)中已經(jīng)講到，根據(jù)藥皮的組成成分不同，可將焊條分為堿性焊條、酸性焊條和中性焊條三類。其中，堿性焊條與酸性焊條的特點對比如下：

    a、酸性焊條中由于存在氧化硅、氧化鈦等強氧化物，使得焊縫的氧化冶金反應(yīng)比較劇烈，因此焊縫金屬的有益合金元素容易被燒損，且不利于摻合金。反之，堿性焊條因含氧化性較小的氧化鈣、氧化鎂等氧化物，藥皮中合金元素燒損少，便于摻合金；

    b、堿性焊條中因含有氧化鈣（瑩石）而有利于脫氫，因此它對高強度鋼、高合金鋼等易產(chǎn)生冷裂紋的材料比較好。反之，酸性焊條的脫氫能力較差；

    c、酸性焊條脫硫、磷的能力較弱，而堿性焊條的脫硫、磷能力較好。故用堿性焊條焊接的焊縫其綜合機械性能較好；

    d、酸性焊條由于含有較強的氧化物，其脫氧能力強，而且脫氧時反應(yīng)劇烈，便于包括氫氣在內(nèi)的氣體從焊縫中逸出。故酸性焊條對焊縫接頭的鐵銹、油污等敏感性較小，且不易產(chǎn)生氣孔。而堿性焊條則對鐵銹、油污比較敏感，這是因為鐵銹、油污的存在會產(chǎn)生大量的氣體，而堿性焊條的脫氣能力較差。

    e、堿性焊條由于氟化鈣的存在，會影響到弧柱的電離，故其穩(wěn)弧性不好，須采用直流電源，只有加入適量的鉀、鈉等低電離電位的穩(wěn)弧劑后才可以用交流電源。而酸性焊條穩(wěn)弧性較好，能交直流兩用；

    f、酸性焊條有較好的焊接工藝性，焊縫成型好，脫渣性也較好。堿性焊條則較差些；

    g、堿性焊條焊接時產(chǎn)生的煙氣多，且由于其中含有氟化氫這一有毒氣體，故焊接時要有良好的通風措施。酸性焊條焊接時，產(chǎn)生的煙氣少，毒性也小。

    通過上面的對比分析來看，對重要的場合，宜用堿性焊條，一般情況下，可用酸性焊條。

    2、常用焊條的表示方法及其代號

    焊條主要分為碳鋼焊條、低合金鋼焊條和不銹鋼焊條等三種，分別敘述如下：

    a、碳鋼焊條

    碳鋼焊條型號根據(jù)熔敷金屬的機械性能、藥皮類型、焊接位置和焊接電流種類劃分。其代號表示如下：

    E  ＃＃   ＃  ＃＃

                                 表示焊接電流種類及藥皮類型；

                            表示焊條使用位置。0”及“1”表示焊條適用于全位置（平、

                            焊接立、仰、橫），“2”表示焊條適用于平焊及平角焊，“4”

                            表示焊條適用于向下立焊；

                            兩位數(shù)字，表示熔敷金屬抗拉強度的最小值，N/mm²；

                            表示焊條。

    例如，E4315表示：焊條；熔敷金屬抗拉強度的最小值為43N/mm²；適用于全位置焊接；焊條藥皮為低氫鈉型，可采用直流反接焊接。

    b、低合金鋼焊條

低合金鋼焊條型號根據(jù)其熔敷金屬的機械性能、化學(xué)成分、藥皮類型、焊接位置、焊接電流種類及熔敷金屬的化學(xué)成分分類代號等劃分。其代號表示如下：

    E  ＃＃   ＃  ＃＃  -A1

                                  后綴字母。為熔敷金屬的化學(xué)成分代號，并以短劃“—”與前

                                  面數(shù)字分開，如還具有附加化學(xué)成分時，附加化學(xué)成分直接用

                                  元素符號表示，并以短劃“—”與前面后綴字母分開。

                                  表示焊接電流種類及藥皮類型；

                             表示焊條使用位置。0”及“1”表示焊條適用于全位置（平、

                             焊接立、仰、橫），“2”表示焊條適用于平焊及平角焊，“4”

                             表示焊條適用于向下立焊；

                             兩位數(shù)字，表示熔敷金屬抗拉強度的最小值，N/mm²；

                             表示焊條。

    例如，E5018－A1表示：焊條；熔敷金屬抗拉強度的最小值為50N/mm²；適用于全位置焊接；焊條藥皮為鐵粉低氫型，可采用交流或直流反接焊接；熔敷金屬的化學(xué)成分分類代號，見有關(guān)標準。

    又例，E5515-B3-V表示：焊條；熔敷金屬抗拉強度的最小值為55N/mm²；適用于全位置焊接；焊條藥皮為低氫鈉型，可采用直流反接焊接；熔敷金屬的化學(xué)成分分類代號，見有關(guān)標準；熔敷金屬中含有釩元素。

    c、不銹鋼焊條

不銹鋼焊條型號根據(jù)其熔敷金屬的化學(xué)成分、機械性能、焊條藥皮類型、焊接電流種類、鉻和鎳元素的近似百分含量、其它重要合金元素及近似百分含量等劃分。其代號表示如下：

    E  ＃＃  ＃＃ ＃＃  ＃＃  ＃＃

                                 表示藥皮類型及焊接電流種類；

                                 表示熔敷金屬中其它重要合金元素及近似百分含量；

                                 表示熔敷金屬中鎳的近似百分含量；

                            表示熔敷金屬中鉻元素的近似百分含量；

                             為一位或兩位數(shù)字，表示熔敷金屬中的含碳量，“00”表示含

                             碳量≤0.04%，“0”表示含碳量≤0.10%，“1”表示含碳量≤

                             0.15%，“2”表示含碳量≤0.20%，“3”表示含碳量≤0.45%；

                            表示焊條。

    例如，E001910M_O215表示：焊條；熔敷金屬中的碳含量≤0.04%；鉻的含量為19%；鎳的含量為10%；鉬的含量為2%；焊條為堿性藥皮，適用于直流反接焊接。

    3、電焊條的選用原則

    電焊條的選用首先應(yīng)考慮作為填充金屬的金屬絲應(yīng)滿足對母材的使用性和適應(yīng)性。其次應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、焊接環(huán)境等因素選擇藥皮類型。

    a、金屬絲的選擇

    對于碳鋼、低合金鋼等大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的焊接，一般要求焊縫金屬與母材等強度，故可按等強度原則選用焊條，即焊條的強度與母材強度相同或相近。由于焊縫組織為鑄造組織，有時為了不使焊縫強度降低過多，常選用焊條金屬的強度略高于母材金屬。但是，焊條金屬不宜高于母材金屬強度太多，以免使焊縫金屬的塑性和沖擊韌性降低。有時為了保證焊縫金屬的沖擊韌性，有意選擇強度比母材金屬低的焊條。

    焊條金屬的化學(xué)成分應(yīng)與母材金屬的化學(xué)成分相同或相近，尤其是對于有耐熱、耐腐蝕要求的母材，為了保證焊縫具有同樣的耐熱、耐腐蝕性能，焊條金屬的化學(xué)成分必須滿足這一要求，而且其耐熱、耐腐蝕的成分應(yīng)比母材金屬更多，不利成分更少。

    b、焊條藥皮的選擇

    母材中如果含硫、磷等雜質(zhì)元素較高時，應(yīng)選用脫硫、脫磷且抗裂性較好的堿性焊條；對于承受動載荷或沖擊載荷的情況，為了保證焊縫金屬的塑性和韌性，宜選用堿性焊條；對于形狀復(fù)雜或壁厚較厚的焊件，由于它易產(chǎn)生焊接裂紋和較大的焊接應(yīng)力，也宜選用堿性焊條；對于易產(chǎn)生冷裂的高強度鋼，應(yīng)選用低氫型焊條；對于受結(jié)構(gòu)、位置等方面的影響，其焊接接頭的鐵銹、油污等難以清除干凈時，宜選用對它敏感性較小的酸性焊條；對于固定焊縫，應(yīng)選用全位置焊接的焊條；當沒有直流電焊機時，應(yīng)選用交流或交直流兩用焊條。

    4、電焊條的烘干

    在運輸或貯藏過程中，焊條的藥皮會受潮。受潮的焊條在焊接過程中會產(chǎn)生大量的水蒸汽及其電解物，從而造成焊縫金屬的飛濺，并使電弧不穩(wěn)定，同時還將大大增焊縫金屬中的含氫量，從而造成材料的冷裂。為此，焊接前必須對焊條烘干。

    烘干溫度不宜太低，時間不宜太短，否則達不到烘干的目的，即此時仍有部分水分留在焊條藥皮中，它仍將影響到焊縫的質(zhì)量。但烘干溫度也不宜太高，時間也不宜太長，否則，可能會使藥皮中的某些合金元素和有機物燒損，同時可能使藥皮變脆、開裂和脫落等。對于堿性焊條來說，由于其脫氣性不好，故要求其烘干溫度較高，一般為250℃~300℃，時間為1h~2h。酸性焊條的烘干溫度一般為70℃~150℃，時間同為1h~2h。

    烘干后的焊條應(yīng)存在烘干箱或保溫箱中備用，不宜露天放置，否則使用前應(yīng)再次烘干。烘干焊條時應(yīng)注意緩慢升溫和降溫，以免藥皮開裂剝落。

    （三）焊接坡口的準備

    為了保證構(gòu)件在焊接時能夠焊透，故對于壁厚較厚的構(gòu)件，焊接接頭應(yīng)開設(shè)一定的坡口。對壓力管道及其元件的焊接來說，常用的坡口型式及其尺寸要求見附錄F10-1所示。

    從F10-1中可知，常用的接頭型式可以分為三大類：即對焊接頭、角焊接頭和丁字接頭。

    1、對焊接頭

    對焊接頭的焊縫金屬主要是受拉應(yīng)力作用，受力情況比較好，強度高，而且節(jié)省接頭金屬，故它是應(yīng)用最廣的一種。

    對于構(gòu)件壁厚較?。ㄒ话阈∮?/span>3mm）的情況，即使在不開設(shè)坡口的情況，也能保證焊透，故此時往往不開設(shè)坡口。

    Y型坡口一般適用于構(gòu)件壁厚為4mm~40mm的情況；YV型復(fù)合坡口一般適用于構(gòu)件壁厚為17mm~60mm的情況；U型坡口一般適用于構(gòu)件壁厚為17mm~60mm的情況。這三種坡口型式相比，Y型坡口加工最簡單，但其金屬填充量最大。U型坡口則相反，即其加工最復(fù)雜，但金屬填充量最少。YV型坡口則居二者之間。不難理解，焊縫金屬填充量大時，不僅增加較貴的焊接材料用量，降低焊接生產(chǎn)率，還容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力和焊接變形。故當構(gòu)件壁厚較薄時，可選用Y型坡口，構(gòu)件壁厚較厚時應(yīng)優(yōu)先選用U型坡口。無論是Y型坡口、YV型坡口，還是U型坡口，都稱為單面成型坡口。這種坡口的焊腳（即焊縫的底部）質(zhì)量不好，容易出現(xiàn)焊漏、未焊透、裂紋、夾渣等缺陷，且內(nèi)表面不光滑。為了彌補這個不足，有時在背面墊一個墊環(huán)。然而，加墊環(huán)的焊縫，其焊接準備工作量較大，故實際工程上也很少用。為此，工程上常采用根部氬弧焊打底的方法以解決上面的問題。

    雙Y型坡口為雙面焊、雙面成型接頭型式，它適用的構(gòu)件厚度為12mm~60mm。這種焊接接頭型式即有利于減少焊縫填充金屬，又可減少焊縫的角變形，并且焊縫的內(nèi)外表面都比較好。但它最大的缺點是內(nèi)側(cè)焊接時需要有足夠的焊接空間，也就是說，對于壓力管道，只有當管道及其元件直徑足夠大時，才有可能采用這種坡口型式。因此，實際工程中，大多數(shù)管道元件的焊接并不能采用這種坡口型式。

    值得一提的是，在工程中經(jīng)常碰到不同壁厚的構(gòu)件對焊焊接的問題。對這種問題處理的原則是：接頭部分的兩邊壁厚應(yīng)相等，以免在焊縫這個薄弱的地方再出現(xiàn)應(yīng)力集中；壁厚較厚的一側(cè)應(yīng)設(shè)一坡度較緩的過渡區(qū)，一直過渡到與較薄一側(cè)的壁厚。該過渡區(qū)的坡度一般不宜大于15°，詳細規(guī)定見有關(guān)的施工規(guī)范。

    2、搭接接頭

    兩個焊件相疊加在一起，然后在它們頂端邊緣進行焊接的接頭稱為搭接接頭。

    這也是一種常用的焊接接頭型式。在壓力管道中，它常用于直徑較小（一般DN≤40mm）、壁厚較薄的管道元件連接中。搭接接頭的焊縫金屬受剪力作用，故其強度較低。但對于壁厚較薄的構(gòu)件，如果采用對焊接頭，很容易出現(xiàn)燒穿、焊漏等缺陷，焊縫的質(zhì)量反而難以保證。該部分問題在第五章中已有介紹。

    3、丁字接頭

    兩個焊件成丁字型結(jié)合的焊接接頭稱為丁字接頭。這種接頭在壓力管道中應(yīng)用的并不多，多用于管道的分支開口焊接處。這種接頭的焊縫金屬受力比較復(fù)雜，又常處于應(yīng)力集中區(qū)，故該處的母材金屬常常要進行補強。

    值得說明的是丁字接頭和搭接接頭的焊縫金屬無法進行射線探傷（RT），因此其內(nèi)部缺陷不易檢查出來，對于重要的壓力管道，不宜采用這兩種接頭。

    關(guān)于焊接坡口的制備，常用的方法有火焰切割、等離子切割和機械制備等。

    工程上常用的火焰切割方法為氧—乙炔焰切割，它與等離子切割相比具有這樣一些特點：一次投入的設(shè)備成本費用低，操作費用也較低，因此工程上應(yīng)用的比較廣泛。但其切割溫度較低，對高合金材料甚至切不動；火焰切割時的熱量不如等離子切割時集中，故其熱影響區(qū)較大，對于淬硬性較強的金屬，切割后的坡口修整工作量較大（因為此時的淬硬層在焊接之前必須清除，否則容易焊裂）。故火焰切割一般不宜用于淬硬性較強、高合金、貴重金屬材料的坡口制備。

    上節(jié)中已經(jīng)講到，等離子切割具有溫度高、熱量集中的特點，它幾乎能切割一切金屬材料，所以在工程上的應(yīng)用日益增多。它與機械切割相比，仍屬熔化切割，切割成形的坡口仍需修整，對淬硬性較強的金屬材料，需要將淬硬層全部清除掉，從而浪費一些母材金屬。其坡口制備的尺寸精度不如機械方法，但卻具有操作靈活的特點。

    機械法制備的坡口具有尺寸精度高、母材金屬浪費少、對母材金屬的損傷小等特點。因此它是最理想的制備坡口方法。但機械制備法對于小尺寸的管道元件，在工廠制備時容易實現(xiàn)，故由工廠生產(chǎn)的單體管道元件如彎頭、三通、大小頭、管帽、焊接閥門等都由制造廠直接機械加工出坡口。但現(xiàn)場裝配時，管子的切割和坡口制備則較少采用機械法。

    由此可見，關(guān)于焊接坡口的制備，常用的方法各有優(yōu)缺點，究竟采用哪種方法應(yīng)綜合考慮。

    （四）焊前預(yù)熱和焊后熱處理

    前文已經(jīng)多次提到，焊接的過程都是對焊件進行局部加熱的過程，局部加熱就意味著被加熱區(qū)與周圍的金屬之間存在一個溫度梯度。我們知道，凡是存在溫度梯度的金屬，都會存在一個熱變形或熱應(yīng)力問題。為了減少這個熱變形或熱應(yīng)力，使它不致于對焊件產(chǎn)生破壞作用，故常常對焊接接頭進行焊前預(yù)熱或焊后熱處理。

    1、焊前預(yù)熱

    一般情況下，焊接時的加熱速度是很快的。對于高強度鋼或壁厚較厚的鋼構(gòu)件，由于快速升溫，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這個熱應(yīng)力會導(dǎo)致構(gòu)件的開裂。當環(huán)境溫度比較低時，例如對除奧氏體不銹鋼以外的材料，它的焊接環(huán)境溫度低于0℃時，都很容易在較快的焊接加熱速度下造成焊接開裂，正因為如此，許多焊接施工規(guī)范中都提出了焊前預(yù)熱的規(guī)定。表10-3即為SH3051標準給出的常用材料的焊前預(yù)熱要求：

表10-3   常用金屬材料的焊前預(yù)熱和焊后熱處理要求

    焊前預(yù)熱除可防止因焊接加熱過快而導(dǎo)致的材料開裂外，還可以緩和焊后的冷卻速度，從而達到改善結(jié)晶條件、減少組織和化學(xué)成分不均勻性的目的；預(yù)熱還有利于焊縫金屬中的氣體（尤其是氫氣）的逸出，有利于減少焊縫的氣孔和冷裂的傾向性；預(yù)熱還有利于排除焊接接頭的濕氣和水分，減少焊接接頭的缺陷；等等。但焊縫的預(yù)熱惡化了焊接的工作環(huán)境，尤其是對手工焊接來說，它不利于焊接的操作。因此，并不是對任何焊接接頭都要采取焊前預(yù)熱，應(yīng)根據(jù)實際情況確定是否焊前預(yù)熱。

    2、焊后熱處理

    上節(jié)中已講到了焊后熱處理的必要性。事實上，任何焊接接頭，焊后都存在焊接變形和焊接殘余應(yīng)力的問題，只不過對于某些材料或某些焊接接頭，它的變形和殘余應(yīng)力不足以影響到其使用性，因此也就沒有必要進行焊后熱處理，因為熱處理會增加焊接施工的成本（包括材料成本和人工成本）。由于熱處理也是局部加熱，且影響到母材金屬，故對有些焊接接頭，如果焊后熱處理不當，還會適得其反，使焊接接頭的性能變壞。

    一般來講，符合下列條件之一者，宜進行焊后熱處理：

    a、易淬硬的高碳鋼、高合金鋼和高強度鋼。如鉻鉬合金鋼、鉻鉬釩合金鋼等；

    b、焊接構(gòu)件較厚的低碳鋼。如壁厚大于30mm厚的低碳鋼；

    c、有應(yīng)力腐蝕環(huán)境存在時。如有濕硫化氫、苛性堿存在時；

    d、有特定的防腐蝕要求時。如奧氏不銹鋼有抗晶間腐蝕要求時；

    e、低溫管道。如工作溫度低于－20℃除奧氏體不銹鋼以外的材料；

    f、受交變應(yīng)力作用時。

    不同的施工規(guī)范，對需要進行焊后熱處理的材料牌號和厚度范圍規(guī)定的不一樣。事實上，正如前面所說的那樣，對于任何焊接接頭，其焊后殘余應(yīng)力是必然存在的，只不過不同的人對什么情況下必須通過熱處理加以清除、什么情況下不必清除的界定范圍認識不同而已。這實際上是給了管道設(shè)計人一個權(quán)利，當設(shè)計人員認為有必要進行焊后熱處理時，可以超越有關(guān)規(guī)范的要求而特殊提出。表10－3給出了SH3501施工規(guī)范對常用金屬材料的焊后熱處理要求。

    所謂的焊后熱處理，是指將焊接接頭加熱到一定溫度，然后進行保溫，隨后以一定速度冷卻的熱處理過程。通過焊后熱處理，不僅可以消除或減緩焊接殘余應(yīng)力，還可改善焊接接頭的組織，降低接頭區(qū)的含氫量，提高焊接接頭的耐腐蝕性和韌性，防止焊縫區(qū)產(chǎn)生脆性破壞和延遲裂紋等。

    常用的焊后熱處理方法有正火、高溫回火和穩(wěn)定化熱處理（對穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼）等方法。

a、正火

正火的工藝見第九章所述（高溫回火和穩(wěn)定化熱處理同）。

    正火熱處理是利用了金屬的再結(jié)晶過程，使焊縫中的粗晶組織得到細化，并可消除焊縫區(qū)的淬硬組織和組織的不均勻性，同時達到緩解焊接殘余應(yīng)力的目的。但正火可使原焊縫中的過熱組織繼續(xù)惡化，也使處于焊縫熱影響區(qū)的母材正火組織有晶粒長大的傾向。正火熱處理的成本比高溫回火高，故選用時應(yīng)綜合考慮。

    b、高溫回火

    高溫回火熱處理是利用了焊縫金屬的高溫蠕變，使焊接殘余應(yīng)力發(fā)生松馳，從而達到消除或減緩焊接殘余應(yīng)力、穩(wěn)定組織的目的。同時，高溫回火可使焊接接頭金屬中的氫逸出，從而達到仰止或消除延遲裂紋的目的。由于焊接接頭最突出的問題就是焊接殘余應(yīng)力和冷裂紋的問題，而高溫回火對改善這些問題帶來的不利影響是有效的，又由于它對母材的損傷小，成本又低，故焊縫的高溫回火是應(yīng)用最多的焊后熱處理方法。

    c、穩(wěn)定化熱處理

    對于奧氏體不銹鋼來說，由于其塑性比較好，沒有淬硬性，因此它很少有冷裂的問題。焊接時，雖然奧氏體不銹鋼的焊縫金屬熱脹冷縮量比較大，但由于它塑性較好，通過自身的調(diào)節(jié)和平衡，焊接殘余應(yīng)力并不大，工程上很少出現(xiàn)由焊接殘余應(yīng)力而引起的奧氏體不銹鋼破壞的實例。因此，對于奧氏體不銹鋼很少進行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。但焊接接頭在經(jīng)歷了焊接之后，它原來的固溶組織也被破壞，故焊縫有喪失抗晶間腐蝕能力的傾向。因此，對于非穩(wěn)定型、非超低碳型的奧氏體不銹鋼，在經(jīng)歷了焊接之后，基本上不能用于有晶間腐蝕傾向的環(huán)境。這也是管道有別于設(shè)備的地方，因為對設(shè)備來說，焊后可進行整體固溶處理，但管道則做不到。對于超低碳型奧氏體不銹鋼，它不是利用固溶組織來保證其抗晶間腐蝕能力的，因此它的抗晶間腐蝕性一般不受焊接的影響，所以該材料焊后一般不進行焊后熱處理。對于穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼，在經(jīng)歷了焊接之后其焊縫及熱影響區(qū)可能會因碳化鈦的分解而喪失抗晶腐蝕能力，因此有必要對焊縫進行穩(wěn)定化熱處理，使焊縫重新獲得抗晶間腐蝕的能力。但是，正如第九章所述，關(guān)于穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼是否要進行焊后穩(wěn)定化熱處理的問題，目前國際上和國內(nèi)尚存在爭論。作者認為，除非該材料不在有晶腐蝕傾向的環(huán)境中使用，否則有必要對焊接接頭進行穩(wěn)定化熱處理。

    二、常用材料的焊接

    石油化工生產(chǎn)裝置中，經(jīng)常用到的有焊接要求的管道材料有低碳鋼、合金鋼、不銹鋼和異種鋼。在介紹這些材料的焊接特點之前，有必要先介紹一下材料的可焊性問題。

    （一）材料的可焊性

    金屬材料的可焊性是指在一定的工藝條件下通過焊接形成優(yōu)質(zhì)接頭的性能。如果一種金屬材料用普通簡單的焊接工藝條件就可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，那么就認為該種金屬材料具有良好的可焊性。反之，如果需要特殊復(fù)雜的焊接工藝條件才能獲得優(yōu)質(zhì)接頭，則認為該種金屬材料的可焊性差。這里所說的焊接工藝條件是指焊接方法、焊接參數(shù)、焊前預(yù)熱及焊后熱處理、接頭型式、坡口型式及尺寸、環(huán)境溫度、焊接位置、焊接材料等。優(yōu)質(zhì)接頭是指焊縫的機械性能和耐腐蝕性能好，熱裂和冷裂的傾向小，各種非人為的焊接缺陷少。

    金屬材料的可焊性說明其焊接的難易程度，它是一個相對概念。焊縫接頭的質(zhì)量好壞，受人為的影響因素也較大，例如焊工的技術(shù)水平、熟練程度等。它受環(huán)境的影響也比較大，如環(huán)境溫度、環(huán)境的風速、氣候等。因此說，金屬材料的可焊性只是一個籠統(tǒng)的概念。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，會使過去認為可焊性差或者不能焊接的材料也變?yōu)榭珊噶?。因此工程上并沒有一個具體的評定各種材料可焊性的指標，所能做的是在進行工程焊接前，進行焊接工藝評定試驗，通過焊接工藝評定試驗來確定合理的焊接工藝，從而達到所希望的焊接接頭質(zhì)量的目的。焊接工藝評定是指按照所擬定的焊接工藝指導(dǎo)書，根據(jù)焊接工藝評定標準的規(guī)定焊接試件，并檢驗試件焊接接頭的性能是否達到要求。通過焊接工藝評定可以檢驗預(yù)定的焊接工藝和焊接參數(shù)是否可行。如果試樣的焊接接頭性能未能達到要求，應(yīng)調(diào)整焊接工藝和焊接參數(shù)，重新評定，直到滿足要求為止。

    但是，初步預(yù)測材料的可焊性可以幫助焊接工程師首次編制焊接工藝和確定焊接參數(shù)。國內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士常用碳當量的概念來評估金屬材料的可焊性，但有關(guān)碳當量的計算方法有很多，有些計算方法之間差別還很大。本書第三章給出了兩種常用的計算方法，在此不再介紹。

    前面已經(jīng)提到，焊接接頭的質(zhì)量受焊工的技術(shù)水平和熟練程度的影響也比較大。事實上，不同的焊工，甚至同一焊工在不同的時間內(nèi)，其焊接質(zhì)量也是不一樣的。為此工程上對焊工的使用管理也作了一些規(guī)定，其中對焊工進行資格考試、持證上崗就是管理中的一個重要環(huán)節(jié)。

    （二）低碳鋼的焊接

    由于低碳鋼的含碳量較低，故其可焊性比較好，一般無須采取特殊的工藝措施就可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。但對于沸騰鋼，由于它脫氧不完全，硫、磷雜質(zhì)元素的分布也很不均勻，焊接時出現(xiàn)熱裂和冷裂的傾向較大。因此，對于沸騰鋼材料，不宜用在重要場合和有應(yīng)力腐蝕、交變應(yīng)力的場合。

    一般情況下，低碳鋼的焊接以手工電弧焊為主，不需要采用氣體保護焊焊接方法，只有當焊縫根部要求潔凈、或者構(gòu)件壁厚較薄容易焊漏時才考慮用氣體保護焊打底。

    焊接材料采用酸性焊條和堿性焊條均可，均能獲得較好的焊接接頭。但對于特殊場合，如臨氫、受交變載荷作用、處于低溫工況時或者工作在有應(yīng)力腐蝕傾向的環(huán)境時，宜選用堿性焊條。

    可以采用交流電源，也可以采用直流電源進行全方位焊接^¶，工藝簡單。

    由于結(jié)晶溫度區(qū)間小，故焊接時熔池金屬結(jié)晶的偏析小，產(chǎn)生熱裂紋的傾向小。

    一般情況下，無須焊前預(yù)熱，只有當環(huán)境溫度低于0℃時，或者焊件壁厚超過26mm厚時，才考慮預(yù)熱。一般情況下也不需要焊后熱處理，當構(gòu)件受交變應(yīng)力或者工作在有應(yīng)力腐蝕傾向的環(huán)境時，或者構(gòu)件壁厚超過30mm，或者在低溫下使用時，才考慮進行焊后熱處理。熱處理一般采用600℃~650℃的高溫回火。

注¶：交流電焊機在施焊時，其電流要反復(fù)多次出現(xiàn)零點，故其電弧燃燒不穩(wěn)定，焊縫容易受空氣的侵入而產(chǎn)生氣

      孔。但其設(shè)備構(gòu)造簡單，價格低，效率高，耗電少，使用維護方便，焊接時噪音小，無磁偏吹現(xiàn)象。因此

      它常用于一般材料的焊接。直流電焊機可適用于堿性焊條，而且它常用柴油機等作為其發(fā)電工具，故可適

      用于缺少電源動力線的野外工作。

    （三）合金鋼的焊接

    石油化工壓力管道中常用的合金鋼有16Mn、09Mn2V、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等材料，這些材料均屬于高強度易淬硬金屬材料，故其可焊性較差，焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋，故焊接時應(yīng)采用相應(yīng)的措施來保證焊接接頭的性能。

    1、碳錳低合金鋼（16Mn，09Mn2V等）的焊接

    從碳當量上來看，它的碳當量比低碳鋼高，但由于它不含鉻（Cr）、鉬（Mo）等合金元素，故其淬硬性和熱裂的傾向性比鉻鉬鋼或鉻鉬釩鋼小。

     碳錳低合金鋼的焊接材料應(yīng)選擇強度等于或略高于母材的材料，以免因焊縫強度過高而使其塑性和韌性下降。最好選用堿性焊條和直流電焊機，如果選擇了交直流兩用的堿性焊條，也可以用交流電焊機。

    碳錳鋼、碳錳釩鋼與低碳鋼的可接性差別不太大，僅淬硬性稍大些，故預(yù)熱溫度與預(yù)熱范圍比低碳鋼稍高些。一般情況下，當焊接構(gòu)件厚度大于15mm時，就應(yīng)考慮預(yù)熱。對于低溫、有應(yīng)力腐蝕環(huán)境、受交應(yīng)力、臨氫操作時，應(yīng)進行焊后熱處理。對于厚度大于19mm的構(gòu)件，焊后應(yīng)進行熱處理。熱處理一般采用高溫回火。

    2、鉻鉬鋼（12CrMo、15CrMo、1Cr5Mo）和鉻鉬釩鋼（12Cr1MoV）的焊接

    由于這類材料中含有較多的高熔點合金元素，故容易出現(xiàn)低熔點成分的偏析，并且由于這類材料的強度高，塑性差，對焊接變形的適應(yīng)性差，故很容易出現(xiàn)熱裂紋。由于這類材料存在鉻、鉬等增加材料淬透性的元素，故其淬硬性也比較強，焊縫及其熱影響區(qū)很容易出現(xiàn)淬硬馬氏體組織，加之氫在材料中的擴散速度較慢，因此這類材料又很容易出現(xiàn)冷裂紋，工程實踐也證明了這一點。

    為此，在選擇焊接材料時，應(yīng)選用低氫型焊條，并在施焊前嚴格烘干。

    焊前應(yīng)進行預(yù)熱，焊后應(yīng)進行熱處理，以釋放或降低焊接殘余應(yīng)力。

    焊接時應(yīng)采用短弧，多層焊接時應(yīng)保持層溫，冷卻時應(yīng)緩慢冷卻，以利于降低焊接應(yīng)力水平。

    應(yīng)盡量減少焊接結(jié)構(gòu)的剛度，尤其應(yīng)避免強行組對，這樣做對防止熱裂和冷裂均有益。

    焊前應(yīng)徹底清除焊接接頭的油污、鐵銹等。

    （四）不銹鋼的焊接

壓力管道中常用的不銹鋼一般為奧氏體不銹鋼，偶然用到鐵素體和馬氏體不銹鋼也是作為閥門的閥桿、墊片之類的非焊件，故這里僅介紹奧氏體不銹鋼的焊接性能。

前文已經(jīng)講到，由于奧氏體不銹鋼具有很好的塑性，又具有單一的奧氏體常溫組織，沒有淬硬性（即不出現(xiàn)淬硬馬氏體組織），故它具有很好的可焊性，一般不會出現(xiàn)冷裂紋。但是，奧氏體不銹鋼具有較大的熱膨脹率，且結(jié)晶時的樹枝狀結(jié)晶方向比較明顯，低熔點的雜質(zhì)或共晶物易集聚在晶界上，如果處理不好，易出現(xiàn)熱裂紋。

    焊接時，宜采用低碳型焊條，并適當加入鈦、鋁等變質(zhì)劑，能起到細化晶粒，改善偏析，防止熱裂紋的作用。

    焊接時可采用小功率（小電流）、高速度的焊接參數(shù)，有利于減少熔池金屬，從而減少熔池的焊接應(yīng)力。

    奧氏體不銹鋼一般不進行焊前預(yù)熱，也不宜預(yù)熱，因為冷焊縫有利于加快冷卻速度，從而起到細化晶粒、減輕偏析、防止熱裂紋的作用。

    奧氏體不銹鋼的焊后熱處理在前文已講到，這里略。

    （五）常用異種鋼的焊接

    對于異種鋼的焊接接頭，尤其是成分差別比較大的異種鋼焊接接頭，其焊縫組織存在著稀釋和被稀釋的問題，因此焊縫金屬的組織和成分可能與兩種母材均不同，在考慮其焊接接頭性能問題時應(yīng)充分注意這個因素。為了解決稀釋和被稀釋的問題，曾經(jīng)廣為應(yīng)用的焊接方法就是采用加過渡層的焊接辦法，但這種焊接方法工藝復(fù)雜，費工費時。因此，在考慮異種鋼接頭的使用工況后，也可以采用簡單的焊接方法來處理。下面就以常見的復(fù)合鋼板、碳鋼和鉻鉬鋼、碳鋼和不銹鋼、鉻鉬鋼和不銹鋼的焊接問題作簡單介紹。

    1、碳鋼和不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接

    首先應(yīng)該清楚，碳鋼－不銹鋼復(fù)合板是利用其較薄的不銹鋼復(fù)層具有抗腐蝕性能較好的特點來工作的，此時不能在焊縫處破壞其耐蝕性，也就是說，焊縫處的內(nèi)側(cè)應(yīng)保留不銹鋼的成分和耐腐蝕性。對此，工程上常采用加過渡層的方法進行焊接，即復(fù)層的焊接材料應(yīng)選用相應(yīng)的不銹鋼材料，在焊完復(fù)層后，清除干凈焊渣和飛濺物，然后再焊接過渡層。過渡層的焊接材料應(yīng)選用合金含量（尤其是鎳含量）較高的材料，以防止由于基層的稀釋而產(chǎn)生不良影響。最后焊接基層（即碳鋼層）。焊接基層的過程中，應(yīng)盡可能采用小電流、小直徑、高速度的焊接參數(shù)，以免基層金屬溶入到復(fù)層中。

    2、碳鋼和鉻鉬鋼的焊接

    可以肯定地說，此時的焊接接頭不會用于高于碳鋼使用條件的工況下，故焊縫金屬的性能只要不低于碳鋼的性能即可。由于常用鉻鉬鋼的合金含量比較低，經(jīng)碳鋼稀釋后，其性能沒有發(fā)生太大的變化。而碳鋼（一般為低碳鋼）又與鉻鉬鋼的含碳量差別不太大，也就是說鉻鉬鋼對碳鋼的含碳量不敏感，故此接頭的組織和性能均不會產(chǎn)生突變。焊接時只要按照焊接性較差的鉻鉬鋼選擇焊接工藝條件即可。一般情況下，焊接材料宜選比鉻鉬鋼合金元素含量稍低的焊接材料，以減少碳鋼側(cè)的淬硬性。焊前預(yù)熱和焊后熱處理按鉻鉬鋼確定。

    3、碳鋼和不銹鋼的焊接

    它與碳鋼－不銹鋼復(fù)合鋼板不同，其焊接接頭不要求具有不銹鋼的耐腐蝕性能，因此不必采用過渡層焊接，也不要求在超過碳鋼允許的溫度以上工作。因此，此時的焊接接頭性能只要不低于碳鋼母材金屬即可。但是，由于不銹鋼合金含量較高，而它的含碳量又比碳鋼低許多，因此，雖然二者單獨焊接時，可焊性比較好，但二者相互交融稀釋的結(jié)果，會形成一系列不同組分的高碳合金，這些合金當中有些具有較大的淬硬傾向。又由于碳鋼和不銹鋼的熱脹系數(shù)差別較大，故存在較大的熱應(yīng)力，此時的焊接接頭可能會出現(xiàn)熱裂紋和冷裂紋等一系列問題。首先，在焊縫金屬中，由于同時熔入了碳鋼和不銹鋼，因為稀釋作用而產(chǎn)生部分馬氏體組織，使焊接接頭的塑性和韌性變差，容易產(chǎn)生冷裂紋；其次是由于不銹鋼側(cè)含碳量較低，碳鋼側(cè)含碳量較高，在高溫下（無論是焊接過程，熱處理過程，還是正常的工作中），碳元素會發(fā)生由碳鋼側(cè)向不銹鋼側(cè)的遷移，從而造成碳鋼側(cè)因含碳量降低而強度下降，而不銹鋼側(cè)因含碳量的增加而耐蝕性降低；第三，由于碳鋼和不銹鋼的熱膨脹系數(shù)差別較大，故會在接頭的徑向產(chǎn)生一個較大的熱應(yīng)力，這個熱應(yīng)力與其它應(yīng)力疊加的結(jié)果會導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。如果此類接頭工作在有溫度循環(huán)的工況，其熱應(yīng)力會使它很快發(fā)生疲勞破壞。由此可見，工程中應(yīng)盡可能避免碳鋼和不銹鋼的焊接接頭，因為它不僅具有一般的焊接缺陷，還存在上述的一些特有缺陷。事實上，對于所有的異種鋼接頭，都有不同程度的特別缺陷，故在設(shè)計中，尤其是重要的管道設(shè)計中，應(yīng)盡可能采用法蘭連接去實現(xiàn)材料的分界。

    解決或緩解碳鋼與不銹鋼接頭缺陷的辦法是采用高鉻鎳焊接材料。高鉻鎳焊接材料可以補償碳鋼對不銹鋼的稀釋作用，同時鎳又能阻止碳的遷移。焊接接頭最好進行焊后熱處理，以消除馬氏體可能帶來的延遲裂紋。

    4、鉻鉬鋼和不銹鋼的焊接

    鉻鉬鋼與不銹鋼的焊接既具有碳鋼與不銹鋼焊接相似的特殊問題，又具有鉻鉬鋼本身可焊性差的問題，并且這樣的接頭又是用在使用條件較苛刻（一般是用在高溫下，例如加熱爐爐管與工藝管道的連接處）的情況下，故工程上應(yīng)力求避免這種接頭的出現(xiàn)。如果不可避免鉻鉬鋼與不銹鋼的連接時，應(yīng)采用法蘭連接。

思考題：

1、常用的焊接參數(shù)有哪些？

2、如何選擇焊條直徑、焊接電流和焊接速度？

3、試述常用的焊接材料種類及其特點？

4、試述常用焊條的表示方法？

5、為什么焊接前要進行焊條的烘干？

6、壓力管道中常用的焊接接頭有哪些？各有何特點？

7、壓力管道中，常用的焊接坡口型式有哪些？各有何特點？

8、常用的焊接坡口制備方法有哪些？各有何特點？

9、焊前預(yù)熱的目的是什么？

10、焊后熱處理的目的是什么？

11、常用的焊后熱處理方法有哪些？

12、什么叫材料的可焊性？

13、直流電焊機和交流電機焊機各有何特點？

14、試述鉻鉬鋼的焊接特點？

15、試述碳鋼和不銹鋼異種鋼的焊接特點？