加热器的焊接工艺设计Word文件下载.docx
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例如在选材时，应选用焊接性良好的材料。
在强度计算和结构设计时应注意合理选取焊缝强度系数，开孔补强形式。
接头形式的设计应保证焊缝的强度性能，应避免应力集中。
焊缝的布置应有良好的可达性和可检验性。
鉴于锅炉和压力容器可能经受各种形式的载荷和恶劣的工作环境，故对有些受压部件及其焊接接头应着重分析其抗断裂性、抗疲劳性并考虑焊接热影响区性能的变化和焊接残余应力对其不利的影响。
对于在氢介质和腐蚀介质下工作的容器应仔细分析氢脆、应力腐蚀、腐蚀疲劳可能产生的后果，并从选材和结构设计上采取乡音个的防范措施。
2304奥氏体不锈钢的焊接性分析
2.1奥氏体不锈钢的成分及性能
2.1.1母材成分
牌号：
0Cr18Ni9
标准：
GB/T1220-1992
特性及适用范围：
作为不锈钢耐热钢使用最广泛，食品用设备，一般化工设备，原子能用工业设备。
化学成分见表2-1。
表2-10Cr18Ni9的化学成分
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
≤0.07
≤1.00
≤2.00
≤0.030
≤0.035
17.00～19.00
8.00～11.00
2.1.2母材性能
一、力学性能
0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的力学性能见表2-2。
表2-20Cr18Ni9的力学性能
抗拉强度σb（MPa）
条件屈服强度σ0.2（MPa）
伸长率δ5（％）
断面收缩率ψ（％）
硬度
HB
HRB
HV
≥520
≥205
≥40
≥60
≤187HB
≤90HRB
≤200HV
铬镍奥氏体不锈钢具有较好的塑性和韧性，无淬硬倾向，易于采用各种熔焊方法焊接。
焊接接头在焊后状态具有较高的力学性能，通常焊后无需热处理，焊接工艺较简单。
但因奥氏体钢不发生二次相变，焊缝金属初生柱状晶体比较发达，对焊接热裂纹比较敏感，尤其是当采用高热输入量焊接时，热裂纹问题更为突出，必须杂焊接材料的选配和焊接工艺上采用相应的措施。
二、耐蚀性分析
1晶间腐蚀
晶间腐蚀起源于金属表面沿金属晶界发生的有选择的溶入金属内部的腐蚀。
该种腐蚀是种局部腐蚀,能够导致晶粒间的结合力丧失,材料强度几乎消失。
所以在所有的腐蚀形式中,晶间腐蚀的危害性最大,容易造成设备突然破坏,而在金属外形上没有任何变化。
奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢均会产生晶间腐蚀。
奥氏体不锈钢焊缝和热影响区敏化区的晶间腐蚀，都与敏化处理使晶界形成贫铬层有关。
焊缝产生晶间腐蚀可能有两种情况：
一种是焊态下已有Cr23C6析出，如多层焊缝的重复加热区域；
另一种为接头在焊态下无贫铬层，焊后经过了敏化处理，因而具有晶间腐蚀倾向。
“贫铬理论”角度看奥氏体不锈钢在固熔状态下，碳以过饱和形式溶解于γ固溶体中。
加热时，过饱和的碳以Cr23C6的形式沿晶界析出。
Cr23C6析出消耗大量的铬，因而使晶界附近的铬含量降到低于钝化所需的最低含铬量，则在晶界表面形成了贫铬层。
贫铬层的电极电位比晶粒内低的多，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为阳极，则被腐蚀溶解。
奥氏体不锈钢在加热到400-800℃时，对晶间腐蚀最敏感，此温度区间称为敏化温度区。
由于奥氏体不锈钢焊接接头处在焊接的快速连续加热过程中，Cr23C6析出需要在更高的温度下才能充分进行，所以焊接接头的敏化温度范围为600-1000℃，高于平衡条件下的敏化温度。
在焊接接头的敏化温度区间时，金属晶粒内部过饱和的碳原子会逐步向晶粒边缘扩散，与晶粒边缘层的铬原子结合成Cr23C6，并沿晶界沉淀析出。
这是由于铬原子的扩散速率比碳原子慢的多，晶粒内部的铬原子来不及扩散到晶粒表面，补充形成Cr23C6所消耗的铬，故晶粒边缘层的铬含量低于耐蚀所需铬的极限值。
有腐蚀介质作用时，缺铬区域将明显腐蚀，即产生了焊接接头的晶间腐蚀
2结晶裂纹
铬镍奥氏体不锈钢焊缝金属中结晶裂纹的形成，首先与结晶过程中低熔点液膜的存在有关。
这些低熔点液膜通常分布于奥氏体柱状晶体之间，当焊缝金属冷却过程中经受的应变速率高于低熔点共晶体的凝固速度，则就必然产生裂纹。
其次，焊接熔池初生晶体的长大方向与残留低熔共晶液膜的分布位置之间的关系也是一个重要因素，下图示出了三种典型的焊缝金属结晶方式。
如焊缝金属按图2-2和图2-3孪生结晶方式凝固，则低熔点液膜将被夹在正长大的柱状晶体之间，或夹在从两侧相对增长的晶面之间。
在这种情况之下，初生柱状晶体很容易被焊缝收缩应力拉开而形成裂纹。
如果熔池按图2-1的共生结晶方式凝固，则低熔点液膜将被正长大的晶体推向熔池顶部，而不会嵌楔于柱状晶体或晶面之间，这样即使焊缝收缩应力较高，亦不易产生结晶裂纹。
铬镍奥氏体不锈钢焊缝金属的结晶模式，对结晶裂纹的形成亦起重要的作用。
铬镍奥氏体不锈钢焊缝金属按其合金成分，可能有三种结晶模式：
第一种是全奥氏体结晶模式；
第二种是先奥氏体+δ-铁素体结晶模式，即先结晶奥氏体晶粒后，在晶界处形成δ-铁素体；
第三种是先δ-铁素体+奥氏体结晶模式，即先析出δ-铁素体，后形成奥氏体+δ-铁素体。
在这三种结晶模式中，按先δ-铁素体+奥氏体结晶模式结晶的焊缝金属抗裂性最高，而按全奥氏体结晶模式结晶的焊缝金属抗热裂性最低。
铬镍奥氏体不锈钢焊缝金属的结晶模式，主要取决于其合金成分的铬镍当量[Cr/Ni]eq。
当[Cr/Ni]eq＞1.47—1.58时，焊缝金属以先δ-铁素体模式结晶。
当[Cr/Ni]eq＜1.4时，则以全奥氏体模式结晶。
当此比值处于中间值时，则以先奥氏体+δ-铁素体模式结晶。
而0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的铬镍当量[Cr/Ni]eq＞1.47—1.58，所以它的焊缝金属抗裂性最高。
3点蚀
点蚀是指在金属表面产生的尺寸约小于1。
0mm的穿孔性或蚀孔性的宏观腐蚀。
这是以腐蚀破坏形貌特征命名的。
其主要是由材料表面钝化膜的局部破坏所引起的,经实验研究表明,材料的阳极电位值越高,抗点蚀能力越好。
超低碳高铬镍含钼奥氏体不锈钢和超高纯度含高铬铁素体不锈钢均有较高的耐点蚀能力。
4缝隙腐蚀
缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀坑。
这是以腐蚀部位的特征命名的。
常发生在垫圈铆接螺钉连接缝搭接的焊接接头部位。
其主要是由介质的电化学不均匀性引起的。
从材料试验结果上分析上看,0Cr18Ni9及00Cr17NiMo2型奥氏体不锈钢铁素体及马氏体不锈钢在海水中均有缝隙腐蚀的倾向。
适当增加铬钼含量可以改善抗缝隙腐蚀的能力。
因此,改变介质成分和结构形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。
5应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂是指拉伸应力与腐蚀介质的共同作用下产生的断裂。
其产生条件如下:
①引起应力腐蚀开裂的条件应力腐蚀的最大特点之一是腐蚀介质与材料组合上有选择性。
在次特定组合以外的条件下不产生应力腐蚀。
作为奥氏体不锈钢的应力腐蚀的介质因素是:
溶液中CL-离子含量和含氧量的关系。
CL-离子含量很高,O2含量很少时,不会产生应力腐蚀裂纹；
反之CL-离子含量很低,O2含量很多时也不会产生应力腐蚀裂纹。
即强调了两者共存的条件,此种现象又常称为氯脆。
②应力条件应力腐蚀破裂是在拉应力作用下才能产生。
引起应力腐蚀的应力有焊件加工过程中的内应力和工作应力。
总的来说,主要是焊接残余应力,其次是零件冷、热加工中的残余应力。
消除残余应力是防止应力腐蚀最有效的措施之。
③材料条件一般条件下纯金属不产生应力腐蚀,应力腐蚀均发生在合金中。
在晶界上的合金元素是引起合金晶间型开裂的应力腐蚀的重要原因。
Ni和C能提高奥氏体不锈钢的应力腐蚀能力。
反之,降低堆垛层错能的元素,如Nb、Ti、Mo、N等。
在奥氏体不锈钢中增加铁素体含量时,也能增加抗应力腐蚀的能力,当Ф（F）超过60%时,抗应力腐蚀的能力又有所下降。
3奥氏体不锈钢焊接时易出现的问题及防止措施
3.1热裂纹的产生和防止措施
3.1.1产生的主要原因
奥实体不锈钢具有较大的热裂纹敏感性，主要取决于钢的化学成分、组织与性能的特点。
1）奥氏体不锈钢中的合金元素较多，尤其是含有一定数量的镍，它易于硫、磷等杂质形成低熔点共晶，如Ni-S共晶熔点为645℃，Ni-P共晶熔点为880℃。
比Fe-S、Fe-P共晶点熔点更低，危害性也更大。
其他一些元素，如硅、硼、铌等，也能形成有害的易熔晶间层，将促使热裂纹的产生。
2）奥氏体不锈钢焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质元素的偏析，从而促使形成连续的晶间液膜，提高了热裂纹的敏感性。
3）从奥氏体不锈钢的物理性能看，它具有热导率小、线膨胀系数大的特点，因而在焊接局部加热和冷却条件下，易产生较大的焊接残余拉应力，进一步促进热裂纹的产生。
从上述三个方面分析可知，奥氏体不锈钢的焊接热裂纹倾向比低碳钢大很多，尤其是高镍奥氏体不锈钢。
3.1.2防止结晶裂纹的措施
为了防止铬镍奥氏体不锈钢焊接接头中上述三种热裂纹的产生应从焊接材料的选择和焊接工艺两个方面采取措施。
首先应选择纯净度较高，C、S、P、Si等杂质含量较低的焊接材料。
其次，调整焊缝金属的合金成分，使其形成含δ-铁素体3%--8%（体积分数）的奥氏体+铁素体双相组织。
第三是提高焊缝金属中的含锰量，使之形成熔点较高的硫化锰，以减少焊接熔池金属中的低熔点共晶物。
第四是工艺上采取措施：
合理设计坡口形状和几何尺寸；
规定合适的接头装配间隙；
减少母材在焊缝金属中的比率。
同时正确选择焊接参数：
适当提高电弧电压和焊接速度，降低焊接电流，减小焊接热输入量，控制层间温度，加快焊缝金属的冷却速度，以便减弱焊缝金属晶间偏析的程度。
3.2晶间腐蚀的产生及防止措施
3.2.1产生的主要原因
不含稳定化元素的Cr18Ni8型铬镍奥氏体钢中，碳化铬可能在500—900℃温度区间内析出。
多层焊缝焊接过程中的重复热作用，可能使碳化铬沿奥氏体晶界析出。
因在高温下碳的扩散速度比铬高，在碳化物附近区会出现因含铬量的不足而形成的贫铬区。
因此，经受重复加热的焊缝表面当与腐蚀介质接触时就可能产生晶间腐蚀
3.2.2防止产生晶间腐蚀的措施
1）冶金措施
①使焊缝金属具有奥氏体-铁素体双相组织，其铁素体的体积分数应超过4%-12%。
在此范围内，不仅能提高焊缝金属抗晶间腐蚀的能力和抗应力腐蚀的能力，同时还提高焊缝金属抗热裂纹的能力。
②在焊缝金属中渗入比铬更容易与碳结合的稳定化元素，如钛、铌、锆等。
一般认为钛碳比大于5时，才能提高抗晶间抗腐蚀能力。
而试验结果认为钛碳比大于或等于6.7时，才有明显效果；
大于7.8时，才能彻底改变晶间腐蚀的倾向。
这是因为钛能充分地将碳化铬的铬置换出来，消除了晶界的贫铬地带，从而改善了抗腐蚀性。
③超低碳有利于防止晶间腐蚀，最大限度地降低碳在焊缝金属中的含量，达到低于碳在不锈钢中室温溶解极限值以下，使碳与铬不可能生成Cr23C6，从根本上消除晶界的贫铬区。
碳的质量分数在焊缝金属中小于0.03%时，就能提高焊缝金属的抗晶间腐蚀能力。
如上所述，为了使焊缝金属中含有恰当的合金元素种类和数量，只有从焊接材料着手，选择满足上述冶金条件的焊条焊剂及焊丝，才能使焊缝金属达到抗晶间腐蚀的母的。
2）工艺措施
①首先要选用一种合适的焊接方法，即热输入最小，让焊接接头尽可能的缩短在敏化温度区间段的停留时间。
对于薄件、小型规则的焊接接头，应选用能量集中的真空电子束焊等离子弧焊钨极氩弧焊；
对于中等厚度板材的焊缝，可采用熔化极气体保护焊来施焊；
而大厚度板材的焊接选用埋弧焊焊条电弧焊为常用的焊接方法，气焊不宜采用。
②焊接参数的制定。
在保证焊接质量的前提下，采用小的焊接电流、最快的焊接速度。
③操作方法尽量采用窄焊缝、多道多层焊，每一道焊缝或每一层焊缝焊后，要等焊接处冷却至室温再进行下一道或下一层的焊接操作；
在施焊过程中，不允许焊接材料在熔池中摆动；
焊接管子采用氩弧焊打底时，可以不加填充材料进行熔焊，在可能的条件下，管内通氩气保护，其作用时保护熔池不易氧化、加快焊缝的冷却速度、有利于背面焊缝的形成。
对于接触腐蚀介质的焊缝，在有条件的情况下一定要最后施焊，以减少接触介质焊缝的受热次数。
④强制焊接区的快速冷却。
对于有规则的焊缝，在可能的条件下，焊缝背面可用纯铜垫，在铜垫上铜水或保护气体等方式进行强迫冷却，这样有利于防止焊接接头的晶间腐蚀。
这是因为在加热温度低（低于400℃）或加热时间短时，不利于扩散而难以形成铬的碳化物，不致产生贫铬现象。
⑤进行固溶处理或稳定化处理。
固溶处理是把钢加热到单一奥氏体（1050-1150℃），得到成分均匀的单相奥氏体组织，然后快冷，使高温过饱和固溶体组织状态保持到室温。
固溶处理后，奥氏体不锈钢具有最低的强度和硬度最好的耐蚀性，是防止晶间腐蚀的重要手段。
出现敏化现象的奥氏体不锈钢可再次用固溶处理消除。
稳定化处理时针对含稳定剂的奥氏体不锈钢而设计的一种热处理工艺。
奥氏体不锈钢中加稳定剂（Ti或Nb）的目的是让钢中的碳Ti或Nb与形成稳定的TiC或NbC，而不形成Cr23C6，从而防止晶间腐蚀。
稳定化处理加热温度高于Cr23C6的溶解温度，低于TiC或NbC的溶解温度，一般在850-900℃，并保温2-4小时。
稳定化处理也可用于消除因敏化加热而产生的晶间腐蚀倾向。
4焊接工艺卡
加热器焊接图
焊接接头序号
焊接方法
焊工持证项目
A1-A2
SAWSMAW
B1-B3
SMAWSAW
C1-C2
GMAW
D1-D2
SMAW
F1
GTAW
1焊接前清理坡口20MM范围内的油污、锈等。
2焊后每层焊渣清理干净。
3焊缝与母材圆滑过渡。
4焊缝不得出现裂纹、气孔、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等缺陷。
5焊缝上加补强圈时，焊缝打磨至与母材平齐。
6焊逢余高不得过高。
焊接工艺卡编号
图号
接头名称
接头编号
焊层
填充材料
焊接电流
电弧电压
（V）
焊接速度
（cm∕min）
牌号
焊剂
极性
电流（A）
1
E308
反
100～130
24～25
2
SAW
H08Cr21Ni10
HJ
260
500
32
3
140～180
25～27
4
H08Cｒ21Nｉ10
650
牌号、焊剂
直径
3.2
50
焊丝
H08Mn2Si
34-45
5焊接接工艺指导书
单位名称____河南机电高等专科学校_
焊接工艺指导书编号___________日期__________
焊接工艺评定报告编号____________________________
焊接方法_手工电弧焊（填充）+自动埋弧焊（填充）
机械化程度手工+自动__焊接设备MR——400ZD——1000
焊接接头：
坡口形式X____
衬垫（材料及规格）_0Cr18Ni9____板厚：
16
其他
简图
母材：
类别号Ⅰ组别号__Ⅰ-1_____与类别号Ⅰ组别号Ⅰ-1相焊及标准号GB/T1120——1992钢号0Cr18Ni9与标准号GB/T1120——1992钢号0Cr18Ni9相焊
厚度范围：
对接焊缝角焊缝--
管子直径、壁厚范围：
对接焊缝 -- 角焊缝--
焊缝金属厚度范围：
对接焊缝 角焊缝 --
其他
焊接材料:
焊条类别奥氏体不锈钢焊条其他
焊条标准GB/T983—95牌号E308
填充金属尺寸φ3.2φ4.0
焊丝牌号H08Cr21Ni10
焊剂牌号HJ260
耐蚀堆焊金属化学成分（%）
Mo
V
≤0.06
1.00~
2.50
≤0.020
19.5~22.0
9.0~11.5
0.75
0.10~
0.30
其他:
焊接位置
对接焊缝位置______水平焊
焊接方向：
（向上、向下）_____--_________
角焊缝位置______________--____________
（向上、向下）______--_______
焊后热处理：
____固溶处理__
温度范围（℃）__1000~1180_℃___
保温时间（h）_____快冷_
续表B1
预热:
_不预热_____
预热（℃）（允许最低值）___--__
层间温度（oC）（允许最高值）_150_
保持预热时间___--__
加热方式________--
保护气体:
气体种类混合比--流量（L/min）
保护气_____--___--____--
尾部保护气_____----____--___
背面保护气______----___--__
电特性:
电流种类:
___直
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