有色金屬壓力容器的焊接壓力容器設(shè)備中注意事項

        有色金屬壓力容器的焊接壓力容器設(shè)備中，除廣泛使用碳鋼、低合金鋼及不銹鋼外，有色金屬如鈦及鈦合金、鎳及鎳基合金、銅及銅合金、鋁及鋁合金的應(yīng)用也日益增多。

由于這些有色金屬具有不銹鋼所不能比的優(yōu)點，所以在一些特殊的重要場合已占有主導(dǎo)地位。

一、鎳基耐蝕合金的焊接鎳及鎳基合金具有特殊的物理、力學(xué)及耐腐蝕性能，鎳基耐蝕合金在200℃ ~ 1090℃范圍內(nèi)能耐各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，同時具有良好的高溫和低溫力學(xué)性能。

在一些苛刻腐蝕條件下是一般不銹鋼無法取代的優(yōu)良材料。純鎳一般在工業(yè)中應(yīng)用較少，但在鎳中添加入鉻、銅、鐵、鉬、鋁、鈦、鈮、鎢等元素后，通過固溶強(qiáng)化，不但改善其力學(xué)性能，而且可適應(yīng)于各種腐蝕介質(zhì)下侵蝕，使其具有優(yōu)良的耐腐蝕性。

1. 鎳基耐蝕合金的焊接特點

① 易產(chǎn)生焊接熱裂紋由于鎳基合金為單相奧氏體組織，所以與不銹鋼相比，具有高的焊接熱裂紋敏感性，特別是焊縫易產(chǎn)生多邊化晶間裂紋。這種裂紋一般為微裂紋，焊后對焊縫進(jìn)行著色檢查時，短時間都發(fā)現(xiàn)不了，但經(jīng)過一段時間后，才顯露出來。

這說明裂紋非常微細(xì)，但有時也能發(fā)展為較寬的宏觀裂紋。如果在單相奧氏體焊縫中加人固溶強(qiáng)化的鉬、鎢、錳、鉻、鈮等元素，就可有效地抑制鎳基合金焊縫多邊化結(jié)晶的發(fā)展，從而顯著提高抗熱裂紋能力。限制線能量，避免采用大線能量焊接也有利于防止熱裂紋的產(chǎn)生。此時注意，如果線能量過小，會加速焊縫的凝固結(jié)晶速度，更易形成多邊化晶界，在一定應(yīng)力下有助于多邊化裂紋的產(chǎn)生。

② 液態(tài)金屬流動性差，焊縫熔深淺這是鎳基合金的固有特性。靠加大焊接電流不是解決此問題的辦法，因為電流增加會引起裂紋和氣孔，降低接頭的耐蝕性能，所以為了獲得良好的焊縫成形，應(yīng)采用小擺動工藝，另外要加大坡口角度，減小坡口鈍邊。

2. 鎳基耐蝕合金的焊接要點鎳基合金一般可采用與奧氏體不銹鋼相同的焊接方法進(jìn)行焊接。鎢極氣體保護(hù)焊和焊條電弧焊進(jìn)行論述。無論是何種焊接方法，焊前一定要*清理焊接區(qū)表面，鎳基合金對污染物的危害極為敏感，母材應(yīng)盡可能在固溶狀態(tài)下焊接。

① 鎢極氣體保護(hù)焊是應(yīng)用，幾乎適合于任何一種可熔焊的鎳基合金，特別適合于薄件和小截面構(gòu)件。保護(hù)氣體常用的是氬氣，它成本低，密度大，保護(hù)效果好。氬氣中加5％氫氣，有還原作用，一般只用于層焊道和單道焊，多層焊的其余焊道可能要產(chǎn)生氣孔。

氦氣保護(hù)焊應(yīng)用較少，但有如下特點，氦氣導(dǎo)熱大，向熔池線能量比較大，能提高焊接速度，減少了氣孔的可能性，但氦弧焊，電流小于60A時，電弧不穩(wěn)定。鎢極氣體保護(hù)焊焊一般使用直流正接，采用高頻引弧以及電流衰減的收弧技術(shù)。在保證焊透的條件下，應(yīng)采用較小的焊接線能量，多層焊時應(yīng)控制層間溫度，焊接析出強(qiáng)化合金及熱裂紋敏感性大的合金時，更要注意控制層間溫度。

弧長盡量短，薄件焊接時焊槍可不作擺動，但厚板多層焊時，為使熔敷金屬與母材及前道焊縫充分熔合，焊槍仍可適當(dāng)?shù)臄[動。為保證單面焊*焊透需要用帶凹形槽的銅襯墊，通以保護(hù)氣體進(jìn)行反面保護(hù)。為加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)效果，也可在焊嘴后側(cè)加一輔助輸入保護(hù)氣體的拖罩。

② 使用焊條電弧焊時焊接鎳基合金時，由于焊條含合金元素多，且要求防止熱裂紋，一般鎳基合金焊條的藥皮類型為堿性藥皮，采用直流反接。為了防止合金元素的燒損和控制線能量，焊接時要求盡可能采用小規(guī)范，與同規(guī)格的不銹鋼焊條相比，電流可降低20％ ~ 30％。由于液態(tài)金屬的流動性差，為防止未熔合和氣孔等缺陷，一般要求在焊接過程中適當(dāng)擺動，但不能過大。在焊縫接口再引弧時，應(yīng)采用反向引弧技術(shù)，以利調(diào)整接口處焊縫平滑并且能有利于抑制氣孔的發(fā)生。采用逆向收弧，把弧坑填滿，防止弧坑裂紋，必要時要對弧坑進(jìn)行打磨。

二、鈦及鈦合金的焊接鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性能，在氧化性、中性及有氯離子介質(zhì)中，其耐腐蝕性優(yōu)于不銹鋼，有時甚至為普通奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的10倍。工業(yè)純鈦塑性好，但強(qiáng)度較低，具有良好的低溫性能，其線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率都不大，這都不會給焊接帶來困難。鈦合金的比強(qiáng)度大，又具有良好的韌性和焊接性，在航天工業(yè)中應(yīng)用廣泛。鈦及鈦合金在我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中按其退火態(tài)的組織分為α鈦合金、β鈦合金和α+β鈦合金三類，分別用TA、TB和TC表示。在石化行業(yè)中的壓力容器設(shè)備中，牌號為TA2這種工業(yè)純鈦使用為居多。

1. 鈦及鈦合金的焊接特點

① 雜質(zhì)元素的沾污引起脆化鈦是一種活性元素，特別是在焊接高溫下非常容易吸收氮、氫、氧，從而使焊縫的硬度、強(qiáng)度增加，塑性、韌性降低，引起脆化。碳也會與鈦形成硬而脆的TiC，易引起裂紋。因此，鈦及鈦合金焊接時必須進(jìn)行有效的保護(hù)，防止空氣或其他因素的污染。因此鈦及鈦合金焊接不能采用氣焊或焊條電弧焊方法進(jìn)行，否則接頭滿足不了焊接質(zhì)量要求，一般只能采用氬氣保護(hù)或在真空下焊接。

② 焊接相變引起的接頭塑性下降常用的工業(yè)純鈦為α合金，焊接時由于鈦導(dǎo)熱差、比熱小、高溫停留時間長、冷卻速度慢，易形成粗大結(jié)晶；若采用加速冷卻，又易產(chǎn)生針狀α組織，也會使塑性下降。

③ 產(chǎn)生焊接裂紋鈦合金焊接時產(chǎn)生的焊接熱裂紋的幾率極小，只有當(dāng)焊絲或母材質(zhì)量不問題時才可能產(chǎn)生熱裂紋。由氫引起的冷裂紋是鈦合金焊接時應(yīng)注意防止的，焊接時熔池和低溫區(qū)母材中的氫向熱影響區(qū)擴(kuò)散，引起熱影響區(qū)含氫量增加，造成熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋。

④ 氣孔鈦及鈦合金焊接時氣孔是見的焊接缺陷。焊絲或母材表面清理不干凈或氬氣不純都會造成氣孔產(chǎn)生，因此保護(hù)氣-氬氣純度要求在99.99％ 以上，焊絲及工件表面要酸洗、凈水沖洗后烘干。

2. 鈦及鈦合金的鎢極氬弧焊鈦及鈦合金焊接時采用就是鎢極氬弧焊，對于較厚的工件也可采用熔化極氬弧焊，對于技術(shù)要求嚴(yán)格的航天工業(yè)中一些重要設(shè)備經(jīng)常也采用真空電子束焊接。

① 焊絲的選用。焊絲的選用應(yīng)使在正常焊接工藝下的焊縫在焊后狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度不低于母材退火狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，焊縫焊后狀態(tài)的塑性和耐蝕性能不低于退火狀態(tài)下的母材或與母材相當(dāng)，焊接性能良好，能滿足鈦容器制造和使用的要求。焊絲中的氮、氧、碳、氫、鐵等雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量上限值應(yīng)大大低于母材中雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量上限值。

不允許從所焊母材上裁條充當(dāng)焊絲，應(yīng)采用JB/T 4745-2002《鈦制焊接容器》中附錄D中的焊絲用作鈦容器用焊絲。雜質(zhì)元素含量不高于JB/T 4745-2002中附錄D的其他標(biāo)準(zhǔn)的焊絲也可使用。

母材牌號與建議所用焊絲牌號表列于表10-8中。

表10-8 鈦及鈦合金建議焊材母材牌號 TA0、TA1-A TA1 TA2 TA3 TA9 TA10 建議所用焊絲牌號 STA0R STA1R STA2R STA3R STA9R STA10R 一般情況下可按表10-8根據(jù)所焊母材牌號來選擇相應(yīng)的焊絲牌號，并通過JB/T 4745-2002中附錄B的焊接工藝評定驗證。

不同牌號的鈦材相焊時，一般按耐蝕性能較好和強(qiáng)度級別較低的母材去選擇焊絲材料。

② 保護(hù)氣體的選用。焊接用氬氣純度不應(yīng)低于99.99％，露點不應(yīng)高于-50℃，且符合GB 4842-1984的規(guī)定。

當(dāng)瓶裝氬氣的壓力低于0.5MPa時不宜使用。

③ 鎢極。鎢極氬弧焊時建議采電極。

電極直徑應(yīng)根據(jù)焊接電流大小選擇，電部應(yīng)用鈰鎢為圓錐形。鈦及鈦合金氬弧焊時，關(guān)鍵的是要將焊接高溫區(qū)與空氣隔離開，為了有效地進(jìn)行保護(hù)，焊炬噴嘴、拖罩和背面保護(hù)裝置通以適量流量的氬氣是極其重要的。焊縫及近縫區(qū)顏色是衡量保護(hù)效果的標(biāo)志，銀白色、淺黃色表示保護(hù)效果好，深黃色為輕微氧化，一般情況下還是允許的，金紫色表示中度氧化，深藍(lán)色表示嚴(yán)重氧化，至于灰白色是不允許的，表示焊縫已經(jīng)變質(zhì)，必須報廢重焊。

三、鋁及鋁合金的焊接壓力容器中常用純鋁、鋁-錳合金和鋁-鎂合金。

鋁錳合金僅可變形強(qiáng)化，其強(qiáng)度比純鋁略高，成形工藝及耐蝕性、焊接性好。鋁鎂合金僅可變形強(qiáng)化，其ω(Mg)一般為0.5 ％ ~ 7.0 ％ ，與其他鋁合金相比，鋁鎂合金具有中等強(qiáng)度，其延性、焊接性能、耐蝕性良好。

鋁在空氣和氧化性水溶液介質(zhì)中，表面產(chǎn)生致密的氧化鋁鈍化膜，因而在氧化性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性。

鋁在低溫下與鐵素體鋼不同，不存在脆性轉(zhuǎn)變，鋁容器的設(shè)計溫度可達(dá)-269℃。

1. 鋁及鋁合金焊接特點鋁極易氧化，在常溫空氣中即生成致密的A12O3薄膜，焊接時造成夾渣，氧化鋁膜還會吸附水分，焊接時會促使焊縫生成氣孔。焊接時，對熔化金屬和高溫金屬應(yīng)進(jìn)行有效的保護(hù)。鋁的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，鋁凝固時的體積收縮率也比鋼大得多，鋁焊接時熔池容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。鋁及鋁合金液體熔池易吸收氫等氣體，當(dāng)焊后冷卻凝固過程中來不及析出，在焊縫中形成氣孔。當(dāng)母材為變形強(qiáng)化或固溶時效強(qiáng)化時，焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度將下降。

2. 焊接方法鋁及鋁合金適用的方法很多，壓力容器上施焊時，經(jīng)常采用鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊，這兩種焊接方法熱量比較集中，電弧燃燒穩(wěn)定，由于采用隋性氣體，保護(hù)良好，容易控制雜質(zhì)和水分來源，減少熱裂紋和氣孔的發(fā)生，焊縫質(zhì)量優(yōu)良，鎢極氬弧焊一般用于薄板，熔化極氣體保護(hù)焊用于厚板。

3. 焊絲材料選用的焊絲應(yīng)使焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度不低于母材(非熱處理強(qiáng)化鋁為退火狀態(tài)，熱處理強(qiáng)化鋁為值)的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值或值，并使焊縫金屬的塑性和耐蝕性不低于或接近于母材，或滿足圖樣要求。為保證焊縫的耐蝕性，在焊接純鋁時宜用純度與母材相近或純度比母材稍高的焊絲。在焊接鋁鎂合金或鋁錳合金等耐蝕鋁合金時，宜采用含鎂量或含錳量與母材相近或比母材稍高的焊絲。

焊絲可從GB/T 10858-1989《鋁及鋁合金焊絲》中選取，也可從化學(xué)成分與變形鋁及鋁合金相同(符合GB/T 3190-1996《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》)的絲材中選取，如按(GB/T 3197-2001《焊條用鋁合金線》。常用的保護(hù)氣體有氬氣和氮氣，其氣體純度應(yīng)大于99.9％。由于鈰鎢極化學(xué)穩(wěn)定性好，陰極斑點小，壓降低，燒損少，易于引弧，電弧穩(wěn)定性好。宜選用鈰鎢極。

三、銅及銅合金的焊接常用的銅及銅合金有四種：純銅，黃銅，青銅和白銅。在壓力容器中純銅與黃銅使用較多。純銅是ω(Cu)不低于99.5％ 的工業(yè)純銅，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，良好的常溫和低溫塑性，以及對海水等的耐腐蝕性，純銅中的雜志如氧、硫、鉍等都不同程度地降低純銅的優(yōu)良性能，增加材料的冷脆性和接頭中出現(xiàn)熱裂紋的傾向。黃銅系銅和鋅組成的二元合金，黃銅與純銅強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕能力都高，且具有一定塑性，能很好承受熱加工和冷加工，ω(Zn)在< 30％ ~ 40％ 的黃銅具有α相與少量的β相，因而提高了強(qiáng)度、塑性、耐蝕性、但對焊接性不利。

1. 銅及銅合金焊接特點銅及銅合金導(dǎo)熱率高，線脹系數(shù)和收縮率大，當(dāng)焊接線能量不足時，則容易產(chǎn)生未熔合、未焊透，焊后變形也較嚴(yán)重，外觀成形差。焊接時，銅能與其中雜質(zhì)生成多種低熔點共晶，在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生熱裂紋，雜質(zhì)中以氧的危害性大。熔焊銅及銅合金時，由于溶解的氫和氧化還原反應(yīng)引起氣孔，幾乎分布在焊縫的各個部位。同時，由于晶粒嚴(yán)重長大，雜質(zhì)和合金元素的摻人，有用合金元素的氧化、蒸發(fā)，使焊接接頭性能發(fā)生很大的變化。

2. 焊接方法焊接銅及銅合金需要大功率、高能束的熔焊熱源，熱效率越高，能量越集中愈有利，不同厚度的材料對于不同焊接方法有其適應(yīng)性，薄板焊接以鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和氣焊為好，中板以熔化極氣體保護(hù)焊和電子束焊較合適，厚板則建議使用埋弧焊、MIG焊和電渣焊。

3. 焊接材料

① 焊條焊條電弧焊用焊條分為純銅、青銅兩類，由于黃銅中的鋅容易蒸發(fā)，因而極少采用焊條電弧焊。純銅焊條型號ECu為低氫型藥皮，用于焊接脫氧或無氧銅結(jié)構(gòu)件，在大氣及海水中具有良好的耐腐蝕性。

② 埋弧焊用焊絲與焊劑埋弧焊的特點是電熱效率高，對熔池的保護(hù)效果好。大、中厚度銅焊件的焊接工藝與鋼基本相同，可選用高硅高錳焊劑HJ431，但可能發(fā)生合金元素向焊縫過渡，對接頭性能要求高的焊件宜選用HJ260、HJ150。焊絲則選用純銅焊絲、青銅焊絲、焊接純銅和黃銅。 ③ 氣體保護(hù)焊用焊絲銅薄板和中板焊接，使用氣保焊逐漸取代氣焊、焊條電弧焊，電極一般采用釷鎢極(EWTh-2)。焊接純銅，一般選用含有ω(Si) 0.5％，ω(P) 0.15％或ω(Ti) 0.3％ ~ 0.5％脫氧劑的無氧銅焊絲，如HSCu。焊接普通黃銅，采用無氧銅加脫氧劑的錫青銅焊絲，如HSCuSn。對高強(qiáng)度黃銅則采用青銅加脫氧劑的硅青銅焊絲或鋁青銅焊絲，如：HSCuAl、HSCuSi等。保護(hù)氣體則選用氬氣(Ar)或Ar+He(Ar+He混合比50/50或30/70)，采用Ar+He混合氣體的優(yōu)點是可以改善焊縫金屬的潤濕性，提高焊接質(zhì)量。由于氦氣保護(hù)時輸入熱量比氬氣保護(hù)時大，故可降低預(yù)熱溫度。

4. 焊接工藝

① 焊前要預(yù)熱或在焊接過程中采取同步加熱的措施。

② 嚴(yán)格限制銅中的雜質(zhì)含量，通過焊絲加人硅、錳、磷等合金元素，增加對焊縫的脫氧能力，選用能獲得α+β組織的焊絲等措施防止焊接接頭裂紋與減少氣孔。

③ 控制焊后冷卻速度，防止焊接變形。