焊接材料對工藝質量的影響研究

李紅杉 韓波

摘要：在焊接產品結構成型是否符合設計要求，滿足使用要求的能力，焊接質量是其相關的重要基礎，焊接成型是受其焊接材料、焊接工藝、結構類型和使用要求的重要因素決定，而焊接材料（焊條、焊絲、鋼帶、焊劑、氣體、電極以及襯墊等）的選擇與其焊接工藝以及焊后熱處理是相輔相成的，所以焊接材料正確的選取和焊接工藝的正確性是焊接質量的重要保證。

關鍵詞：焊接材料；焊接工藝；焊接質量；熱處理；力學性能

針對焊接材料與焊接工藝對焊接質量的影響，現在具體對鋼制壓力容器焊接，氣體保護焊進行詳解。

1 焊接材料的選用原則

焊接材料的選用應當根據母材的化學成分、焊接性能、力學性能等因素進行選擇，同時還應該結合設備使用條件和設備的結構特點以及焊接方法等因素綜合的選擇焊接材料，如有必要的時候可以通過各種實驗進行選擇。而壓力容器是一種承載一定壓力的密閉設備，使用條件多為復雜的工況條件，其焊縫金屬材料的性能必須大于或等于母材的力學性能。

對于特殊復雜的壓力容器焊接材料的選用，應當按照GB/T 25774.12010《焊接材料的檢驗鋼、鎳及鎳合金熔敷金屬力學性能的制備及檢驗》進行選材，應當按照其要求進行熔敷金屬拉伸和沖擊試驗進行制備試驗。

結構鋼焊接材料的力學性能應當符合以下要求：

① 焊接材料級別為2Y40、3Y40、4Y40，熔敷金屬試驗中，其夏比V型缺口沖擊實驗沖擊功不得低于47J，屈服強度不得低于400Reh（N/mm2），抗拉強度在510～690Rm（N/mm2），伸長率不得低于22%，對接焊試驗中，夏比V型缺口沖擊實驗沖擊功不得低于47J，彎曲試驗中，試樣表面上出現的裂紋或其他缺陷長度不得大于3mm，接頭抗拉強度不得低于510N/mm2。

② 焊接材料級別為3Y42、4Y42、5Y42，熔敷金屬試驗中，其夏比V型缺口沖擊實驗沖擊功不得低于47J，屈服強度不得低于420Reh（N/mm2），抗拉強度在530～680Rm（N/mm2），伸長率不得低于20%，對接焊試驗中，夏比V型缺口沖擊實驗沖擊功不得低于47J，彎曲試驗中，試樣表面上出現的裂紋或其他缺陷長度不得大于3mm，接頭抗拉強度不得低于530N/mm2。

③ 焊接材料級別為3Y55、4Y55、5Y55，熔敷金屬試驗中，其夏比V型缺口沖擊實驗沖擊功不得低于55J，屈服強度不得低于550Reh（N/mm2），抗拉強度在670～830Rm（N/mm2），伸長率不得低于18%，對接焊試驗中，夏比V型缺口沖擊實驗沖擊功不得低于55J，彎曲試驗中，試樣表面上出現的裂紋或其他缺陷長度不得大于3mm，接頭抗拉強度不得低于670N/mm2。

④ 焊接材料級別為3Y69、4Y69、5Y69，熔敷金屬試驗中，其夏比V型缺口沖擊實驗沖擊功不得低于69J，屈服強度不得低于690Reh（N/mm2），抗拉強度在770～940Rm（N/mm2），伸長率不得低于17%，對接焊試驗中，夏比V型缺口沖擊實驗沖擊功不得低于69J，彎曲試驗中，試樣表面上出現的裂紋或其他缺陷長度不得大于3mm，接頭抗拉強度不得低于770N/mm2。

注：高強度焊接材料以之母Y表示，焊接材料的屈服強度大于或等于400N/mm2，則在字母Y后面接以數字表示，如Y41，Y42。

2 焊縫的組織與性能

焊縫金屬主要由部分母材和焊接材料金屬融合凝固而成，在此融合與凝固變化中會發生兩次的組織變化，第一次是從液態開始凝固結晶的過程，第二次為焊縫金屬溫度低于相變后的結晶過程，其金屬的組織與焊縫金屬的性能有至關重要的聯系。

2.1 第一次結晶

第一次結晶隨著熱源的離開，熔池金屬的凝固結晶開始沿熔合導熱相反方向進行凝固，同時晶粒開始長大等一系列變化。其變化特點是熔池冷卻速度大；金屬處于過熱狀態；熔池中心和邊緣的溫度梯度大；帶周期性的，運動狀態的結晶。改善的方法有：通過焊接工藝條件進行改善焊縫結晶和進行質變處理以及振動結晶等方法。

2.2 焊縫金屬二次結晶

焊縫第一次結晶后，進一步冷卻和變化形成最終的組織，其各種材料的焊縫金屬結晶組織有不銹鋼的焊縫組織、低碳鋼的焊縫組織、低合金高強度鋼的焊縫組織。改善焊縫金屬結晶的方法有：焊后熱處理、多層焊接、錘擊焊道表面等。

3 焊接工藝

焊接工藝是一種對焊接過程中焊接人員操作的指導行為規范，它是控制焊接能夠滿足要求提供必要的基礎條件。

壓力容器接頭焊接中，首先應當按照標準要求對相關焊接接頭進行焊接工藝評定，其相關的焊接力學性能應當符合以下合格指標，如：

① 拉伸試驗，試樣的抗拉強度σb應滿足：

式中：σb1 ——復材抗拉強度標準下限值，MPa；

σb2 ——基材抗拉強度標準下限值，MPa；

t1——復層厚度，mm；

t2——復層厚度，mm。

② 彎曲試驗：試件彎曲到規定的角度后，其試件的表面任何方向的裂紋或缺陷長度不得大于3mm，試樣的菱角開裂可以忽略。

③沖擊試驗：每三個試件為一組進行常溫狀態下的沖擊試驗，其沖擊的吸收功平均值應符合圖樣或相關規定，并且最小不得低于27J。

焊接前應當按照接頭的形式進行編制焊接工藝規程，焊接實施過程中必須按照焊接工藝規程進行操作，如風速氣體保護焊時大于2 m/s ，其他的焊接方法大于10m/s，相對濕度大于90%，焊件溫度低于20%時應該進行有效的保護；引弧的時候應在引弧板或坡口內引弧，禁止在非焊接部位引弧，縱焊縫應在引出板上收弧，弧坑應填滿；焊接時應當采用多層焊，多道焊，嚴禁一次焊接成型，承插焊時焊接接頭應當錯開。

4 焊后熱處理

焊接后的熱處理，是為了減小殘余焊接應力，恢復材料的原始屬性和減少成形產生的應力。

5 結語

工藝質量的好壞直接的由焊接材料選擇和焊接工藝的控制，控制產品的焊接質量就是控制焊接材料的選擇和焊接工藝的先進性，焊接材料與焊接工藝的相輔相成的關系決定了產品的焊接質量的基礎。

參考文獻：

[1]焊接材料的檢驗剛、鎳及鎳合金熔敷金屬力學性能的制備及檢驗（GB/T 25774.12010）.

[2]鋼制壓力容器焊接規程（JB/T 47092000）.

[3]焊接及相關工藝的熱處理（ISO TR 176632001）.

[4]材料與焊接規范.

作者簡介：李紅杉（1987），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，工程師。