特种设备用钢材及焊接基础知识

设计爱好者

　　钢材是制造承压类特种设备的主要材料。钢材的质量及性能的好坏对于承压类特种设备安全运行，有着重要的影响和作用。

         (一)承压类特种设备用钢
　　
　　1．按钢中所含化学成分分
　　
　　按钢中所含化学成分可以将钢分成碳素钢和合金钢两大类：
　　
　　2．按金相组织分
　　
　　钢材经正火处理后所得金相组织不同，可分为珠光体钢、贝氏体钢、奥氏体钢、铁索体钢。
　　
　　钢在加热或冷却中没有相变，始终保持铁素体组织，此种钢称为铁素体钢。高铬钢即属于铁素体钢，具有较高的抗氧化能力。碳在α-Fe中的固溶体称为铁素体，用符号F表示。
　　
　　(二)金属的机械性能
　　
　　所谓金属的机械性能是指在一定的温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力，如强度、硬度、塑性、韧性等，也称力学性能。
　　
　　以低碳钢为例，金属材料受拉伸外力作用引起的变形过程可分3个阶段，即弹性变形、塑性变形、断裂变形3个阶段。由拉伸试验可获得强度和塑性指标。
　　
　　1．强度
　　
　　金属强度是指在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力。应用最普遍的是强度指标。强度指标主要是屈服极限(σs或σ0．2)和抗拉强度极限(σb)。
　　
　　2．塑性
　　
　　金属的塑性是指在外力作用下，能引起永久变形而不发生破裂，并在外力取消后，仍能保持变形后外形的能力。材料的塑性值也可通过拉伸试验测得，通常用伸长率δ(延伸率)和断面收缩率ψ来表示。
　　
　　3．冲击韧性
　　
　　金属的冲击韧性即为在冲击力作用下，抑制变形和断裂的能力。它还是金属材料在塑性变形范围内吸收能量的能力，因此，也可按冲击值的大小来衡量材料的塑性。目前国内外广泛采用一次摆锤弯曲试验，缺口型式有夏比(U)和夏比(V)两种。表示冲击韧性的参数也有两种，一种是以冲断试样消耗的冲击功Ak(单位：J)表示；另一种是以单位缺口处断面所耗的冲击功ak(单位：J／cm2)表示。目前压力容器钢板全部改为用夏比(V)冲击功(即AkV)作为冲击韧性验收标准。只有少数压力容器锻件还用夏比(U)冲击值(即akU)作为冲击验收标准。
　　
　　钢中气体含量较高或晶粒粗大，则韧性差。根据冲击后断裂的形式，可以判定材料的质量及晶粒大小。冲击韧性试验还能测定金属材料由韧性状态向脆性状态过渡的转变温度。
　　
　　4．硬度
　　
　　硬度是指金属材料抵抗更硬异物压进的能力。硬度表明材料的耐磨性和切削加工的可能性。一般说来，硬度较高，材料的耐磨性较好。常用的硬度有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)3种。
　　
　　5．冷弯
　　
　　冷弯性能是材料抵抗弯曲断裂能力的标志，它间接反映了材料的塑性。这个试验既可检查钢的塑性好坏，也可以考核其加工工艺性能，也能暴露钢板受试面缺陷以及焊接接头的焊接缺陷。
　　
　　6．断裂韧性
　　
　　断裂韧性是反映材料对裂纹扩展的抵制能力。对于中低强度钢的断裂韧性，目前较普遍采用临界裂纹张开位移(COD)值δc表示；对于高强钢的脆断题目，则应用材料的平面应变断裂韧性值Kic表示。
　　
　　7．金属材料高温机械性能
　　
　　炼油化工设备相当数目是在中等温度(＜350℃)和高温下使用。中、高温压力容器通常以350℃分界；而金属材料机械性能概念中，通常高于室温均作高温对待。
　　
　　(三)焊接
　　
　　焊接是通过加热或加压或同时加热加压，使焊件连接部位形成原子结合的一种工艺加工方法。
　　
　　承压类特种设备受压元件焊接中焊接方法有两大类：一类是熔焊，就是将焊件接头加热到熔化状态(不加压)完成焊接的方法；另一类是压焊，就是将焊件接头施加压力(加热或不加热)完成焊接的方法。每一类中都包括很多具体的焊接方法。
　　
　　承压类特种设备受压元件中常用的焊接方法大多属熔焊，例如手工电弧焊，自动埋弧焊；手工钨极氩弧焊，自动气体保护焊，电渣焊等。属于压焊的摩擦焊在电站锅炉制造的管子焊接中用得也较多。

　　1．手工电弧焊
　　
　　1)特点
　　
　　手工电弧焊是通过手工操纵焊条与焊件产生电弧，利用电弧热使焊件局部和焊条熔化形成熔池完成焊接的方法。
　　
　　手工电弧焊的特点是，对材料和焊接位置适应性强，适于焊接碳钢、低合金钢、耐热钢、不锈耐蚀钢等，适于锅炉制造、安装、修理中各种位置的焊接，设备简单，便于使用和维护；焊钳小，操纵灵便；焊接质量受焊工操纵技术水平的影响很大，对焊工操纵技能要求较高，生产率较低，焊工的劳动强度较大；有些情况下焊接工作条件较差。

　　2)焊条
　　
　　按施焊对象，焊条可分为碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条等种别。
　　
　　2．自动埋弧焊
　　
　　1)特点
　　
　　自动埋弧焊是通过机械操纵使电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。
　　
　　自动埋弧焊的特点是，机械操纵受焊工操纵技能的影响较手工焊小，电弧区保护效果较好。假如焊接材料的质量稳定，焊接工艺参数正确，这种方法轻易达到质量稳定且焊缝表面平滑美观；焊接电流大，焊接速度较快，生产效率高；电弧埋在焊剂层下没有飞溅，焊工不受弧光伤害，所以焊工劳动条件较好；没有焊条头及飞溅的损耗，焊件采用I形坡口的厚度范围比手工焊明显大，所以本钱较低；由于是机械操纵，所以对坡口加工和焊件接头的装配要求严格，辅助工作较多；因焊接电流大，一般限于平焊位置进行焊接。
　　
　　2)焊丝和焊剂
　　
　　焊丝的作用主要是作为电极，传导电流引燃电弧，维持电弧燃烧；作为填充金属以形成焊缝；为焊缝金属补充合金元素。
　　
　　焊剂的作用主要是：焊剂层以及熔化的焊剂使电弧空间和熔池与空气隔离，防止氧、氮气体侵进，并减少元素烧损，起到保护作用；焊剂中有的矿物质起到轻易引弧并稳定电弧的作用；焊接过程中熔渣与熔化金属发生冶金反应，脱氧，往硫、磷，并且可向熔池过渡合金元素，起到合金化作用，使焊缝金属具有所需的力学性能、化学成分，并进步抗气孔和裂纹的能力；焊剂还可促使焊缝成形美观。
　　
　　3．钨极氩弧焊
　　
　　钨极氩弧焊是在氩气保护下在钨极与焊件之间引燃电弧并完成焊接的一种电弧焊方法。
　　
　　钨极氩弧焊的特点是：由于用惰性气体氩进行保护，它不参加冶金反应，也不溶于熔化金属，有效地将电弧区与空气隔开，所以电弧稳定，熔池中的氢、氧、氮含量较易控制，因此不仅裂纹倾向较小而且焊缝质量高；电弧在气流压缩下燃烧；热量集中，轻易使接头的根部焊透，并且熔池较小，热影响区较窄，焊接变形较小；电弧和熔池由氩气保护，明弧可见，熔池较小，可进行全位置焊接；对焊件的焊前清理工作要求严格。
　　
　　4．熔化极气体保护焊
　　
　　1)特点
　　
　　熔化极气体保护焊就是在惰性或活性气体保护下采用熔化电极进行电弧焊的方法。
　　
　　熔化极气体保护焊的特点是：假如采用富氩混合气体或氧气进行保护时，可以获得高质量的焊缝；适用的母材种类和厚度范围都比较宽，尤其是采用脉冲熔化极气体保护焊；电流密度大，热量集中，熔敷效率高，焊接速度较快，所以生产效率较高；弧光强，烟气较大，二氧化碳作保护气体焊接时飞溅较大，应留意防护；对焊件的焊前清理工作要求较严格，尤其是富氩或氩气保护时。

　　2)焊丝和保护气体
　　
熔化极气体保护焊的焊丝作用、分类、钢号，及其使用和治理与自动埋弧焊的焊丝相似，一般对焊丝表面的清理要求更严。
　　
保护气体常用的有氩气、富氩混合气、二氧化碳气。锅炉受压元件中很少用二氧化碳气，而较多用富氩混合气，常用的有不少于80％氩与不超过20％二氧化碳混合、98％氩与2％氧气混合等，混合气体保护使电弧稳定，焊缝成形美观，焊缝质量好。混合气体可采用已混合好的瓶装气体，也可采用单种气体经混合器进行混合后用于焊接。
　　
　　5．电渣焊
　　
　　电渣焊是利用电流通过液态熔渣产生的电阻热将焊件与焊丝熔化进行焊接的一种熔焊方法。
　　
　　电渣焊的特点是：可以一次焊成很厚的焊件而不需开坡口和多层焊，因此生产效率高；采用渣池保护，避免空气与熔池接触。由于焊接速度较慢，因此熔池中的气体和杂质易于浮出，焊缝中气孔和夹渣很少；由于焊接速度较慢，焊件在高温停留时间较长，热影响区宽，近缝区晶粒粗大，塑性和韧性降低，所以焊件在焊后一般都进行正火热处理；焊剂消耗很少，焊缝化学成分的调整主要靠电极。
　　
　　6．摩擦焊
　　
　　摩擦焊是利用焊件表面互相摩擦产生的热使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法。
　　
　　摩擦焊的特点是：焊接过程快，生产率高；工艺参数自动控制，操纵简单，焊接质量较好；适用的接头型式有限；对参数的丈量和控制要求严格；用无损检测方法检查接头内部质量有一定困难。