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1、山东交通学院毕业论文（设计）摘 要随着科学技术的不断发展，焊接新技术新工艺也不断成熟与创新使其应用越来越广泛。在机械制造、航空航天、石油化工、能源、交通、建筑、冶金等领域使用的金属结构都属于焊接结构，在加工过程中都离不开焊接。工业的发展，具有特殊性能的新型结构材料不断涌现，对焊接技术的要求也越来越高，因此焊接新技术新工艺的发展情况也越来越受到关注。文中先从焊接技术和材料开始介绍，以此为前提再通过对典型金属材料的焊接新技术新工艺讲解入手，着重介绍焊接技术及工艺在原有水平及基础上的最新发展状况，指出了这些焊接新技术新工艺的内容及应用状况，并对焊接技术和工艺做出了适当的展望。关键词：新技术，新工艺，
2、金属材料，焊接方法27AbstractWith the development of science and technology, welding new technology new technology has been matured and innovation make the application more and more widespread. In machinery manufacturing, aerospace, petrochemical industry, energy, traffic, building, metallurgy and other field
3、s used metal structure belongs to the welding structure, in the process without welding. The development of industry, has the special property of new structural materials continue to emerge, the welding technology requirements are also getting higher and higher, so the welding new technology new tec
4、hnology development is paid more and more attention. The article first from the welding technology and materials is introduced, taking this as the premise and the typical metal material welding new technology new technology on proceed with, introduced emphatically the welding technology and process
5、in the original level and on the basis of the latest development, pointed out these welding new technology new technology content and the application condition, and to welding technology and process to make appropriate prospect.Key word: New technology, New process, Material, Welding method目 录前 言.11
6、 金属焊接材料及技术简介.21.1 焊接材料作用及种类.21.1.1 焊接材料的作用21.1.2 新型焊接材料简介41.2 金属焊接技术简介及现状.51.2.1 焊接技术简介51.2.2 金属焊接技术现状82 金属焊接新技术和新工艺.92.1 珠光体耐热钢的焊接新工艺.92.1.1 焊前分析92.1.2 焊接新工艺92.2 奥氏体不锈钢的焊接.102.2.1 奥氏体不锈钢的焊接缺陷及措施112.2.2 奥氏体不锈钢焊接新工艺122.3 铝及铝合金的焊接.132.3.1 铝及铝合金焊接缺陷132.3.2 铝及铝合金的焊接工艺142.3.3 铝及铝合金的焊接新技术152.4 铝与铜的焊接.172.
7、4.1 铜与铝焊接的特点172.4.2 铜与铝的焊接工艺172.5 新型金属材料的焊接.182.5.1 硬质合金的焊接182.5.2金属陶瓷与金属的焊接213 焊接新技术新工艺的发展及前景.233.1 焊接新技术新工艺的发展趋势.233.1.1 能源方面233.1.2 计算机在焊接中的应用233.1.3 焊接机器人和智能化243.1.4 提高焊接生产率243.2 焊接技术的前景展望.24结 论.26致 谢.27参考文献.28前 言焊接作为金属加工方法已发展成一门独立的学科，焊接新技术新工艺的不断成熟与发展使其应用越来越广泛。在机械制造、航空航天、石油化工、能源、交通、建筑、冶金等领域广泛使用的
8、金属结构都属于焊接结构，在加工过程中都离不开焊接。一些发达国家利用焊接加工的钢材量已经超过钢产量的一半。大量的铝、铜、钛等非铁金属的结构也是用焊接方法制造的。随着科学技术的发展和使用要求的日益提高，具有特殊性能的新型结构材料不断涌现，对焊接技术的要求也越来越高，因此材料的焊接性，特别是金属材料的焊接性，也越来越受到密切关注。只有在了解了焊接的发展历程、现状及未来的发展趋势，才能准确掌握焊接的发展方向，有助于从事焊接工作，在焊接工作岗位上才能承前启后，充满信心，去做好焊接工作。本文主要采用论文的形式，首先对焊接材料和近几年焊接新技术及现状作了概述，在此基础上对常用及新型焊接材料的焊接新技术新工艺
9、进行分析，掌握典型金属材料的焊接技术和工艺；充分了解金属材料在焊接过程中可能面临的困难及问题，增强克服困难和解决问题的能力；通过对焊接过程中焊接工艺及缺陷的了解和解决措施，旨在通过本文，在大体了解金属材料的焊接技术与焊接工艺的发展情况下，要不断努力，积极研究，尽可能开发出新的焊接技术和焊接工艺，以应对不断发展和提高的焊接需求。 现代焊接技术是从19世纪80年代末发展起来的，至今不过百余年。焊接技术的发展依托于科学技术的进步，而焊接加工的优越性使之成为在各种装备制造中必不可少的手段。目前用于生产的焊接方法已超过50种。除常规的电弧焊方法外，电阻焊、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等焊接方法的
10、使用，使现代化的大型设备能够大量采用焊接结构，如大型高压容器与储罐、大吨位运输船舶、核电站、水力及火力发电站、超音速飞机等的制造中都采用了焊接技术；近年来的大型焊接结构及焊接技术在尖端精密产品中的印业大量应用，如：鸟巢、三峡水轮机转轮、神州三号机大型热壁加氢反应器。随着焊接产品使用要求的不断提高，需要采用一些具有特殊性能的结构材料，如高强度钢、超高强度钢、耐热耐蚀钢、难熔合金、非铁金属及合金、火星金属、异种金属及复合材料等，因此对焊机技术提出来更高的要求；反过来也促进了焊接技术和焊接工艺的发展，促进了焊接生产的机械化和自动化，如焊接机器人、自动焊接生产线在我国制造业中应用越来越广泛。山东交通学
11、院毕业设计（论文）1 金属焊接材料及技术简介虽然现代焊接技术已进入了成熟阶段，但随着社会的发展，科学的进步，新产品、新材料不断地涌现，焊接技术也需要不断地发展，进一步地完善。新型的焊接材料不断地开发并得以应用，既进一步提高了焊接生产率，又可以使焊接过程更加稳定，飞溅更小，焊缝质量更好。焊接工作者研制出了各种新型焊条，如铁粉焊条、重力焊条、躺焊焊条等；还研制出了各种送丝方式和焊缝跟踪装置，弧焊机器人及智能化；大力发展高能束焊接，即等离子束焊接、电子束焊接、激光束焊接等。1.1 焊接材料作用及种类随着焊接技术的迅速发展，焊接材料的应用范围日益扩大。焊接材料在造船、石油化工、车辆、电力、核反应堆等领
12、域中起着非常重要的作用，在焊接过程中作为填充金属及保护物质而存在。1.1.1 焊接材料的作用(1) 焊接材料的作用焊接过程中的各种填充金属及为了提高焊接质量而附加的保护物质统称为焊接材料。随着焊接技术的迅速发展，焊接材料的应用范围日益扩大。焊接材料在造船、石油化工、车辆、电力、核反应堆等领域中起着非常重要的作用。而且，焊接技术的发展对焊接材料无论在品种和产量方面都提出了越来越高的要求。焊接生产中广泛使用的焊接材料主要包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体和钎剂、钎料等。不同焊接工艺下采用的焊接材料的组合见表1.1表1.1 不同焊接工艺条件下采用的焊接材料Tab.1.1 Under different
13、welding processes welding material used焊接工艺 焊焊接材料接焊条电弧焊电焊条电（普通焊条、专用焊条）气体保护焊焊丝（实心焊丝、药芯焊丝）+保护气体（活性、惰性、混合）埋弧焊、电渣焊焊丝+焊剂（熔炼焊剂、非熔炼焊剂）钎焊钎剂、钎料上上述几种焊接工艺方法的共同特点是以焊接材料作为焊缝填充金属的来源，依靠焊接材料来完成焊接过程对液态熔池的保护盒冶金作用，以获得优质的焊缝金属。各国焊条和焊丝产量的比例，在一定程度上反映了该国的焊接自动化水平。目前在欧、美等工业发达国家的焊接生产中，焊条产量在焊接材料中约占60%，焊丝产量约占40%。我国当前焊条产量约占焊接材料总
14、产量的80%，低于欧、美等工业发达国家。目前我国生产的低碳钢焊条以钛钙型焊条为主，低合金高强度钢焊条以低氢型焊条为主，钛钙型和低氢型焊条约占焊条总量的90%以上。焊接材料的质量对保证焊接过程的稳定和获得满足使用要求的焊缝金属起着决定性的作用。归纳起来，焊条材料应具有以下作用： 保证电弧稳定燃烧和焊接熔滴顺利过渡； 在焊接过程中保护液态熔池金属，以防止空气侵入； 进行冶金反应和过渡合金元素，调整和控制焊缝金属的成分与性能； 防止气孔、裂纹等焊接缺陷的产生； 改善焊接工艺性能，在保证焊接质量的前提下尽可能提高焊接效率。 我国输焊接材料使用大国，今后若干年内还是以焊条，焊丝为主。有技术开发能力的企业
15、正在及时调整产品结构，开发生产市场上急需的品种，如管线用纤维素型和低氢型全位置立向下焊焊条、船舶行业使用的高效铁粉焊条和重力焊条、石油化工行业短缺的耐发红不锈钢焊条、交流施焊的高韧性低氢焊条等。开发重点工程用特殊焊条、专业焊条，在提高和稳定产品质量、降低成本，为用户提供优质高效焊条和服务等方面开展工作。 二氧化碳气体保护焊焊丝发展前景看好。但我国目前焊丝品种单调，应不断开发焊丝的品种和规格，如600MPa、700MPa、800MPa高强度焊丝，特殊用途的产品，如耐蚀钢焊丝等。改进包装，攻克小规格焊丝层绕上盘工艺和设备，研制罐装焊丝工艺及设备。药芯焊丝在产品中的种类、质量、成本等方面还有很多工作
16、要做，如开发各种气体保护焊、自保护焊、埋弧自动焊、堆焊用药芯焊丝。(2) 焊接材料对接头性能的影响焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）的成分对焊缝金属的化学成分、组织与性能有重要的影响。为了使焊缝金属具有所要求的成分与性能，必须保证焊材中有益的合金元素含量和严格控制有害杂质的含量。 焊缝金属的合金化 焊缝金属的合金化就是把所需要的合金元素通过焊材过渡到焊缝金属（或堆焊金属）中去。焊接中合金化的目的是补偿合金元素的烧损、消除焊接缺陷（裂纹、气孔等）和改善焊缝金属的组织性能等。 合金成分是决定焊缝成分的主要原因。改进和研制焊条、焊丝、焊剂时，必须根据焊接接头工作条件焊缝金属的最佳化学成分，以保证焊缝性能满
17、足使用要求。 有害杂质的控制杂质对焊缝金属的性能和金属焊接性有十分重要的影响，其中影响有较大的有害杂质主要有O、N、H、S、P等。O、N、H元素对焊缝金属的主要影响是导致脆化，产生气孔和裂纹，降低焊缝金属的塑性和韧性。常用焊材熔敷金属中O、N、H的含量列于表1.2表1.2 常用焊材熔敷金属中O、N、H的含量Tab.1.2 Commonly used welding consumables welding metal O,N, H content类别氧含量/%氮含量/%氢含量/%H08A焊丝0.010.02-0.20.5光焊丝0.150.300.080.228-纤维素焊条0.0900.01335
18、.8钛型焊条0.0650.01539.1钛钙型焊条0.050.07-钛铁矿型焊条0.1010.01430.1低氢型焊条0.020.030.0104.2埋弧焊焊条0.030.050.0020.0074.40CO2焊焊条0.020.070.0080.0150.04惰性气体保护焊焊条0.00170.0068-药芯焊丝CO2焊焊条-0.0150.040-气焊焊材0.0450.050.0150.0205.00对于N和H的控制，须清除焊件和焊接材料附着的油、锈、氧化膜及水分、烘干焊材（焊条、焊剂）并应加强保护，防止空气侵入焊接区域。对于氧的控制，可在药皮、药芯或焊剂中添加脱氧铁合金，限制气氛的氧化性。焊缝
19、金属中S、P含量的控制主要从限制焊材中的S、P杂质含量入手，一般应分别控制在0.03%以下。1.1.2 新型焊接材料简介(1) 高强高韧性焊条近年来，冶金工业技术进步很快。随着控轧、控冷和炉外精炼技术的应用，使各类结构钢材的强度、韧性和纯度都有了很大的提升。对焊接材料的韧性和抗裂性能提出了更高要求。基于这种转变，焊接材料韧性水平需要一个技术跨越才能满足现代焊接结构的要求，国外多家厂商展出了这方面产品，在国内一些焊接材料企业的展台上也展出了强度6001000MPa级的超低氢高韧性焊条系列产品，其熔敷金属的塑韧性水平，扩散氢含量和纯净度达到国外水平。产品已成功用于重大军事工程、奥运“鸟巢”工程、三
20、峡工程等重大水利工程、工程机械、矿山机械焊接。(2) 新型耐热钢焊条这是当前电力工业建设中的一个热点，国外几家名牌企业已连续几年在北京埃森展会上展出了与超临界、超超临界机组配套的新型耐热钢焊条。国内在新型耐热钢焊条研究方面，也取得重要技术成果，已开发出用于T/P23、T/P24、T/P92钢焊接的电焊条产品，其熔敷金属高温抗蠕变和焊接工艺性能与国外产品性能相当。已具备与超临界， 超超临界机组焊接的配套能力。(3) 新型不锈钢焊条不少国内外企业都展出了双相不锈钢、控氮不锈钢、超级双相不锈钢、超低碳不锈钢和高温耐热不锈钢等新型焊条。(4) 耐火耐候高性能建筑用钢焊条 武钢自主开发了，具有国际领先水
21、平的高性能WGJ510C2耐火耐候钢，为解决高性能WGJ510C2耐火耐候钢焊接材料的配套问题，国内已开发出配套的焊条并应用于大型高层建筑钢结构工程建造。(5) 管线钢焊条 这方面国外名牌企业的产品已用于我国管线焊接工程。目前国内已具备X80及以下的低氢焊条和X70及以下纤维素焊条的产品配套能力，并批量出口。(6) 大型原油储罐高强钢焊条 为确立国家石油战略储备基地的建设，国家发改委组织国内主要钢铁企业和焊接材料企业进行了技术攻关。目前10万立方米及以上大型原油储备罐建造用高强度钢焊条，主要是国产焊条，并批量出口。(7) 抗氢钢焊接材料 炼油装置和天然气集输、脱硫工程结构对抗硫化氢和应力腐蚀提
22、出来较高要求，工程装备和管路系统采用16MnR（HIC）或20（HIC）建造，对焊接材料熔敷成分有严格要求，尤其要求S小于等于0.006%。P小于等于0.008%。并要求有较低的屈强比，国内开发的抗氢钢焊条已大量用于高含硫气田开发、石油化工装置建造。(8) 深冷工程焊接材料 欧洲和日本3.5Ni钢和9Ni钢焊条已在这几年展会中展出，并在我国工程中使用。我国主要焊条企业这次也展出了与9Ni钢配套的镍-铬-钼，镍-铬-铁和奥氏体合金系焊条产品，技术水平与国外相当。(9) 铁道车辆用焊接材料 铁路运输业的高速发展为采用新技术创造了条件，铁道车辆建造用钢经历了从普通碳钢到具有优良的抗大气腐蚀性的耐候钢
23、、特种物料腐蚀性能的高强耐候钢和TCS铁素体不锈钢，国内已具备覆盖了50、55、60公斤级车辆用焊条和TCS不锈钢焊条的商品化配套能力1。1.2 金属焊接技术简介及现状随着科学技术的不断发展，焊接技术的竞争不断加大，大量的现代化焊接技术被应用到焊接中，焊接工作者面临着更复杂的技术难题，在这样的隋况下，焊接方法迅猛发展，焊接生产的工艺水平也在迅速的改进。焊接工作者积极的研发新的焊接方法，来提高产品的焊接质量。1.2.1 焊接技术简介焊接技术主要应用在金属母材上。常用的有电弧焊，氩弧焊，C02保护焊。氧气-乙炔焊，激光焊接，电渣压力焊等多种，塑料等非金属材料亦可进行焊接金属焊接方法有40种以上，主
24、要分为熔焊、压焊和钎焊三大类：熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法；压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接；钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎科，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子问的相互扩散，从而实现焊接的方法。下面就分析近几年出现的几种焊接新方法及其应用。(1) 电子束焊接技术电子束焊接技术起源于德国，随着电子束焊接的不断发展，这种技术受到了世界的普遍关注，电子束焊接设备的稳定性很好，操作过程自动化程度很高，是目前比较成熟的高能束流的加工方法之一。20世纪60年代初
25、，这种技术开始应用于原子能工业，飞机制造业中。由于其具有深穿透的特点，后来又进入到大厚度，重型零件的焊接中，同时，在真空室，高功率的电子枪中也有很大的应用。电子束焊接技术正越来越应用广泛，在空间结构的焊接和加工中发挥着重要的作用。电子束焊接是这样的一种焊接方法，它利用汇聚的高速电子轰击工件接缝处所产生的热量来使材料熔合，从而达到焊接的目的。由电子枪产生的电子束在轰击工件时，使动能转变为热能，成为了焊接的热源，一般的电子枪是由阴极，阳极和聚束极组成的。当阴极被加热后，在电场的作用下，阴极表面由于热发射效应会发射电子，这些电子连续不断的飞向工件，当这些电子束汇聚起来时，能量密度很高，可以达到熔化焊
26、接金属的目的。电子束焊接技术相比于传统的焊接工艺来说，有很多无可比拟的优势： 电子束焊接的能量密度很高，效率很高。对于钨，钼等高熔点的材料都能够快速熔化，而且对于大厚度工件，电子束的深穿透性对于提高焊接的效率发挥了很重要的作用。 工件的变形小，热影响区小。由于电子束焊接的焊接速度快，能够形成一个深而窄的焊缝，工件得到的热量小，所以工件的变形小。 可焊接的材料和零件很多。电子束焊接可对于陶瓷、石英玻璃、以及超导材料、热敏材料，难熔的金属等进行焊接，还可以对某些特殊结构和精细零件进行焊接。 电子束焊接是在真空中进行的，可以避免有害气体的侵入和材料的氧化。(2) 搅拌摩擦焊接技术搅拌摩擦焊接技术是一
27、种高效的固态连接方法，它可以用于焊接低熔点的有色金属。相比于传统的焊接技术，它的接头质量好，自动化的程度高，广泛应用于航空航天，汽车，造船等合金结构制造领域。摩擦焊是一种利用摩擦产生的热量来进行焊接的技术，节能效果显著。与常规的摩擦焊接样，搅拌摩擦焊接的焊接热源也来源于摩擦热，它是由英国的焊接研究所发明的，其实质是用一个带有搅拌针和轴肩的特殊的搅拌头来进行焊接，将搅拌针插入焊缝，摩擦加热被焊金属，使金属的温度升高，成为塑性状态，同时搅拌金属形成一个旋转空洞，当旋转空洞随着搅拌针前移时，热塑性的金属不断地流向后方，冷却后形成致密焊缝。搅拌摩擦焊相比于其他的焊接技术来说，它的优点很突出： 焊接质量
28、高。由于是固态连接，没有粗大的凝固组织和焊接缺陷，热变形小，可以实现大型结构的精密焊接。 耗能低，节能效果显著，没有污染，没有烟尘，飞溅，以及强烈的辐射等。 成本低，摩擦焊接新技术不需要焊条，焊丝，焊药以及保护气体，还可实现水下焊接。 自动化程度高。这种焊接技术不需要进行等级培训，操作过程简便，容易实现自动化。搅拌摩擦焊接的应用非常广泛，已经在航空，航天，造船，建筑，交通领域得到了充分的发展。在制造船舶上，可以用来焊接甲板，船头等零部件。在航空领域可以用来焊接机翼，机身以及飞机油箱等，另外，在其他方面，这种焊接技术也发挥了很大的作用，高速列车，汽车底盘的车身支架，热交换器，发动机壳体都可用搅拌
29、摩擦焊来进行焊接。(3) 激光焊接技术激光加工技术的一个重要的应用就是激光焊接技术。这种技术是一种热传导型的技术，就是利用激光的辐射产生的热量来加热工件表面，这些热量通过热传导向工件内部扩散。这种热量可以通过控制激光脉冲的宽度、能量、功率等参数来得到，来形成特定的熔池。激光焊接是一种高能束的焊接方式，比其他的焊接方式更能够实现深熔焊的形式，所以目前已经有大量的激光焊接生产线投入工业生产。激光焊接是一种以激光作为热源而进行的焊接，通过用抛物面镜或凸透镜聚光的激光可以得到高功率密度的热源，这样的焊接得到的焊缝熔深很大。当激光焊接使工件表面温度迅速上升后，又迅速冷却，这样就可以进行熔融或非熔融表面的
30、处理。激光焊接有两种基本的方式，传导焊和小孔焊。传导焊的熔池表面是封闭的，这种焊接对于系统的扰动较小，并目焊缝不易被气体侵入。小孔焊的熔池被激光光束穿透成了孔，小孔的不断关闭导致了气孔的产生。激光焊接比其他的传统焊接技术速度更快，深度更大，变形较小，并且在特殊的环境下也能够进行焊接。但是它的要求较高，光束的位置在工件上不能有太大的偏移，另外，激光焊接系统的成本较高。随着激光技术的发展，现代研究的主要方向转向了激光方法与其他方法联合的技术，如激光焊与钨极氩弧焊共同作用的焊接等，这些技术弥补了激光焊接技术的一些缺点。目前，激光焊接的应用领域不断的扩大，涉及到了制造业，汽车工业，电子工业，生物业，航
31、空航天业和造船工业等。激光焊接在汽车领域的发展很快，逐步应用到半轴，传动轴，散热器等汽车部件的制造。由于激光焊接的优点，它在集成电路和半导体器件的焊接中，发挥了很大的优势。另外，激光焊接也在真空器件的研制中得到了应用，如快热阴极灯丝组件等。对于航空航天领域的激光的研究也取得了良好的进展，如利用激光技术来修复损伤的结构件等，对于有些要求较高的焊缝，只有激光焊才能完成2。除了以上三种方法在近几年来发展较快外，还有其他的焊接新技术在不断出现，不断发展，新的焊接工艺比如弧焊机器人及智能化焊接、数字化生产及其他焊接工艺方面也在不断探索和创新。1.2.2 金属焊接技术现状焊接已成为现代工业中一种不可缺少，
32、而且日益重要的加工工艺方法。在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加,其他新型金属材料焊接也在不断涌现。金属焊接技术已经在我国各个领域中得到广泛应用。但是由于金属焊接技术会对被焊工件的质量造成直接影响，而被焊工件出现质量问题通常是由于出现焊接缺陷导致。在金属焊接中常出现的缺陷是由于焊接工艺、焊接技术、外部环境以及被焊接的金属材料本身的性能不同而产生的。为确保焊接件的质量和内部组织无缺陷，达到质量和设计要求，在焊接过程中对被焊接金属的焊接性、工艺要求、焊接规范以及焊接设备进行检查和检验，并采取相应的技术
33、和工艺措施对焊接结构进行保护，才能很好地预防和防止某些缺陷的产生。 近些年来，焊接工作者们在焊接过程中不断吸取经验，总结教训，探索出了很多在金属材料焊接中克服缺陷，保证质量的焊接新技术新工艺。2 金属焊接新技术和新工艺焊接作为金属加工方法已发展成为一门独立的学科，焊接新技术新工艺的不断成熟与发展使其应用越来越广泛。随着焊接产品使用要求的不断提高，需要采用一些具有特殊性能的结构材料，如高强度钢、超高强度钢。耐热耐蚀钢。难熔合金、非铁金属及其合金、活性金属、异种金属及复合材料等，因此对焊接技术提出了更高的要求；反过来也促进了焊接技术与焊接工艺的发展，促进了焊接生产的机械化和自动化，如焊接机器人、自
34、动焊接生产线在我国制造业中应用也越来越广泛。2.1 珠光体耐热钢的焊接新工艺多年来国内在焊接主蒸汽管道(材质为珠光体耐热钢)时，采用根部未充氩 保护、焊后未立即进行热处理焊接工艺，运行一段时间后出现了裂纹，不能保证机组运行的可靠要求。由于其焊接性能差，在进行焊前分析的基础上，采用了E5515-2- (R317)焊条焊接及根部充氩保护、焊后立即进行热处理新焊接工艺，保证了主蒸汽管道焊口的焊接质量。2.1.1 焊前分析由于钢中加入的铬、钼、钒等合金元素质量分数较高，增大了钢的淬硬倾向，使焊接热影响区的硬度提高，容易产生冷裂纹。从硬度分布来看，钢中焊接接头经长期高温工作后，许多情况下都是在软化区发生
35、断裂现象，即峰值温度处于780附近，焊前的原始温度硬度较高，焊后弱化程度增大。在长期高温工作时，蠕变变形将集中在软化区，最后导致断裂。由于合金质量分数的增加，产生热裂纹的倾向也增大。由于钢中合金质量分数较高，如果根部得不到良好的保护，钢中所含的铬被氧化烧损，使焊缝根部抗氧化能力降低，其持久强度降低，且可能产生微裂纹，所以焊接焊缝根部时宜采取充氩保护。2.1.2 焊接新工艺(1) 焊前准备： 为了防止产生裂纹，我们选择合金含量稍低的R317电焊条进行焊接。从表2.1可以看出，其热强系数比使用R337电焊条焊接接头的热强系数大，软化区弱化程度减小，由于合金含量稍低，淬硬现象降低。焊接所用焊丝为TI
36、G-31，焊条为R317、E5515-2-Nb337)。(2) 焊接参数的选择：为了防止产生粗大组织及减小软化区的软化程度，应选用合理的焊接线能量。采用多层多道焊、焊条摆动宽度不大于焊条直径5倍、单层厚度不大于所用焊条直径加2 mm、盖面采用退火的焊道，可以有效防止最后一层淬硬，防止产生冷裂纹，应选择焊接参数为：电流125190 A，电压2028 V，焊接速度20.242.9mm/min，氩气流量812 L/min。表2.1 使用两种焊条焊接的焊接接头持久强度和热强系数Tab.2.1 The use of two kinds of welding rod welding joint stren
37、gth and thermal strength coefficient焊条材料持久强度/Nmm-2接头热强系数焊接温度/焊缝接头母材R33754055095987884881270.75R31754055092987587981080.80(3) 焊前预热及热处理焊前预热：焊前预热可以减小焊缝与焊件间的温度梯度，减小冷却速度，减缓避免生成马氏体组织，减小开裂的危险性，减小内外壁温差，减小热应力，可以有效地防止产生冷裂纹。预热温度为300350，恒温30 min，升温速度为172/h。珠光体耐热钢焊缝金属的含碳量和金属元素含碳量较高，有可能使母材热影响区先于焊缝发生相变，氢原子就从热影响区向焊
38、缝扩散，使焊缝中氢原子处于过饱和，当焊缝冷却后转变为马氏体组织时，产生冷裂纹。焊后热处理：焊后立即进行高温回火热处理，可有效防止产生冷裂纹，消除近缝区硬化现象，并可以使氢溢出，降低氢致延迟裂纹的敏感性。焊后热处理参数包括升降温速度172/h；720750恒温1.5h；升温4.2h；降温2.44h。(4) 新旧焊接工艺焊接接头性能分析为了评价新焊接工艺焊接接头的质量，依据火力发电厂锅炉压力容器焊接工艺评定规程(SD34089)的规定，对采用R317与R337焊条焊接的焊接接头性能进行对比，对比结果如下： 试验数据说明，采用比母材低的焊接材料焊接珠光体耐热钢中(抗拉强度保证值大于等于540MPa)
39、的焊接接头，各种性能优于采用与母材相匹配的焊接材料焊接的珠光体耐热钢的焊接接头； 采用新的焊接工艺焊接珠光体耐热钢，可以有效防止产生热影响区软化，并能防止产生裂纹； 采用新的焊接工艺，可防止根部的氧化、产生微裂纹； 采用合理的焊前预热和焊后热处理可以有效防止裂纹的产生； 主蒸汽管道焊口光谱分析符合图标材质要求，硬度检验全部符合规程规定，经100超声波检验合格。所以主蒸汽管道焊口采用新的焊接工艺焊接后，确保了主蒸汽管道的焊接质量3。2.2 奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢由于不发生相变，对氢脆不敏感，接头有良好的塑性和韧性，因此焊接性较好。2.2.1 奥氏体不锈钢的焊接缺陷及措施(1) 焊接接头的
40、晶间腐蚀 在腐蚀介质作用下，起源于金属表面沿晶界深入到金属内部的腐蚀就是晶间腐蚀。晶间腐蚀是一种局部性的腐蚀，它会导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，是一种必须重视的危险的腐蚀现象。如图2.1所示。图2.1焊接件的晶间腐蚀Fig.2.1 Weld intercrystalline corrosion 产生原因：奥氏体钢在固溶状态下碳以过饱和的形式溶解于固溶体，加热时过饱和的碳以碳化铬的形式沿晶界析出。碳化铬的析出消耗了大量的铬，因而使晶界附近铬的含量降到低于钝化所需要的最低量（12%），形成贫铬层。贫铬层的电极电位比晶粒内低得多。当金属与腐蚀介质接触时，就形成了微电池。电极电位低的晶界成
41、为阳极，被腐蚀溶解形成晶间腐蚀。 防止措施：降低母材和焊缝中的含碳量，将钢中的碳降低到小于或等于其室温时在相中的溶解度，这样在加热时就不会有或很少有碳化铬析出，从而从根本上避免贫铬层的形成；在钢中加入稳定的碳化物形成元素，改变碳化物的类型，如向钢中加入与碳亲和力大于铬的钛、铌、钽等，这些元素将优先与碳结合而避免形成碳化铬，从而避免了碳化铬的产生；焊后进行固溶处理，固溶处理可使已经析出的碳化铬重新溶于奥氏体中，但对大型复杂零部件则有一定的困难。且在加热时会反复形成碳化铬；改变焊缝的组织状态，使焊缝由单一的相改变为+双相。当焊缝中存在一定数量的初析铁素体相时，可以打乱粗大的柱状树枝晶，使面积较小而
42、直的晶界变为曲折的晶界，破坏了腐蚀通道。(2) 焊接接头的热裂纹 产生原因：奥氏体不锈钢对热裂纹比较敏感，主要是由冶金因素决定的，即由钢的化学成分、组织与性能决定的。由于奥氏体钢是单相组织，焊缝从凝固冷却到室温不发生相变，很容易形成方向性很强的粗大柱状晶组织，为低熔点物质的偏析与集中创造了条件；且奥氏体钢中合金元素的品种多，数量大，不仅硫、磷等杂质会与铁形成低熔点共晶，合金元素之间或与杂质之间作用也会形成低熔点化合物或共晶；奥氏体钢的热物理性能对裂纹敏感性亦有着直接的影响 防止措施：严格控制有害杂质，主要是硫、磷的数量；调整焊缝金属为双相组织，因为纯奥氏体组织的焊缝很容易产生结晶裂纹；合理进行
43、合金化；工艺上，为了降低热裂倾向，应尽可能减少熔池过热和接头的残余应力。2.2.2 奥氏体不锈钢焊接新工艺 (1) 原焊接工艺出现的问题 原工艺采用与焊接低碳钢(如Q235钢、20钢)相似的焊接规范，仅焊接电流略小10%20%。相似的焊接规范，打底层采用“一点击穿断弧法”的操作手法，单面焊双面成形。其余各层焊条横向摆动，焊波均匀，外观成形良好，表面检验合格率达95%以上。 因奥氏体组织对氢气、氧气、氮气气体原子的溶解度稍高于普通低合金钢组织。焊缝气孔倾向小，X光射线检验底片级别均在级以上，内部质量检验合格率达100%。 板状、管状试件的弯曲检验，面弯、背弯试样均措焊缝中心开裂甚至折断，复试试样
44、也同样开裂，弯曲检验全部不合格。 检查断口形貌，呈组织疏检、晶粒粗大的过烧组织。在位于焊条接头部位，存在形状如黄豆粒的夹杂物灰黑点。 管板角焊缝的金相宏观断面检查，也发现有夹杂物状黑点，且组织晶粒粗大，杂质密集，断面灰黑，金相检查不合格。(2) 改进后的焊接新工艺工艺改进思路从两方面考虑： 一是采取措施尽量缩短焊缝金属及热影响区的高温停留时间；二是改变焊缝金属结晶形态，减少区域偏析和弧坑缩孔。 选用小直径焊条，小电流和小线能量的焊接规范参数。如扳状平焊打底层用直径为2.5mm的焊条焊接电流I为7080A；其余层次用直径为3.2mm焊条，I为120125A，焊接线能量控制在1OKJ/CM以下。 打底层采用“一点(或两点)击穿断弧焊” 的操作手法，平均燃熄弧的频率在8090次/min。“断弧焊”类似于无基值电流的脉冲焊法，平均热输入量小，熔池凝固快，减少过热区域和晶粒长大倾向。且单面焊双面成形难度大。采用“断弧焊”法较为容易控制熔池成型。当熔池未完全结晶时，其偏析杂质又被后续熔池所熔化，吹向熔渣，偏析杂质较为弥散，断口无宏观缺陷。 当更换焊条前，填满弧坑，并将电弧引向坡口边侧，熄弧于坡口面上。对于出现的弧坑缩孔和夹杂物富集区，可用角向磨光机去除，将弧坑磨成缓坡形，确定无缺陷后，再燃弧接着焊接。 打乱结晶方向，使每条
