有色金屬壓力容器的焊接技術應用

鎳及鎳基合金具有特殊的物理、力學及耐腐蝕性能，鎳基耐蝕合金在200℃ ~ 1090℃範圍內能耐各種腐蝕介質的侵蝕，同時具有良好的高溫和低溫力學性能。在一些苛刻腐蝕條件下是一般不鏽鋼無法取代的優良材料。純鎳一般在工業中應用較少，但在鎳中添加入鉻、銅、鐵、鉬、鋁、鈦、鈮、鎢等元素后，通過固溶強化，不但改善其力學性能，而且可適應於各種腐蝕介質下侵蝕，使其具有優良的耐腐蝕性。

1. 鎳基耐蝕合金的焊接特點

① 易產生焊接熱裂紋
由於鎳基合金為單相奧氏體組織，所以與不鏽鋼相比，具有高的焊接熱裂紋敏感性，特別是焊縫易產生多邊化晶間裂紋。這種裂紋一般為微裂紋，焊后對焊縫進行著色檢查時，短時間都發現不了，但經過一段時間后，才顯露出來。這說明裂紋非常微細，但有時也能發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晶的發展，從而顯著提高抗熱裂紋能力。限制線能量，避免採用大線能量焊接也有利於防止熱裂紋的產生。此時注意，如果線能量過小，會加速焊縫的凝固結晶速度，更易形成多邊化晶界，在一定應力下有助於多邊化裂紋的產生。

② 液態金屬流動性差，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，應採用小擺動工藝，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

鎳基合金一般可採用與奧氏體不鏽鋼相同的焊接方法進行焊接。這裡就最常用的鎢極氣體保護焊和焊條電弧焊進行論述。無論是何種焊接方法，焊前一定要徹底清理焊接區表面，鎳基合金對污染物的危害極為敏感，母材應儘可能在固溶狀態下焊接。
   ① 鎢極氣體保護焊是應用最廣泛的，幾乎適合於任何一種可熔焊的鎳基合金，特別適合於薄件和小截面構件。保護氣體最常用的是氬氣，它成本低，密度大，保護效果好。氬氣中加5％氫氣，有還原作用，一般只用於第一層焊道和單道焊，多層焊的其餘焊道可能要產生氣孔。氦氣保護焊應用較少，但有如下特點，氦氣導熱大，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，電流小於60A時，電弧不穩定。
  鎢極氣體保護焊焊一般使用直流正接，採用高頻引弧以及電流衰減的收弧技術。在保證焊透的條件下，應採用較小的焊接線能量，多層焊時應控制層間溫度，焊接析出強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，焊槍仍可適當的擺動。為保證單面焊完全焊透需要用帶凹形槽的銅襯墊，通以保護氣體進行反面保護。為加強焊接區的保護效果，也可在焊嘴后側加一輔助輸入保護氣體的拖罩。
  ② 使用焊條電弧焊時焊接鎳基合金時，由於焊條含合金元素多，且要求防止熱裂紋，一般鎳基合金焊條的葯皮類型為鹼性葯皮，採用直流反接。為了防止合金元素的燒損和控制線能量，焊接時要求儘可能採用小規範，與同規格的不鏽鋼焊條相比，電流可降低20％ ~ 30％。由於液態金屬的流動性差，為防止未熔合和氣孔等缺陷，一般要求在焊接過程中適當擺動，但不能過大。在焊縫介面再引弧時，應採用反向引弧技術，以利調整介面處焊縫平滑並且能有利於抑制氣孔的發生。採用逆向收弧，把弧坑填滿，防止弧坑裂紋，必要時要對弧坑進行打磨。

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中，其耐腐蝕性優於不鏽鋼，有時甚至為普通奧氏體不鏽鋼1Cr18Ni9Ti的10倍。工業純鈦塑性好，但強度較低，具有良好的低溫性能，其線膨脹係數和熱導率都不大，這都不會給焊接帶來困難。鈦合金的比強度大，又具有良好的韌性和焊接性，在航天工業中應用最為廣泛。鈦及鈦合金在我國現行標準中按其退火態的組織分為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。在石化行業中的壓力容器設備中，牌號為TA2這種工業純鈦使用為居多。

1. 鈦及鈦合金的焊接特點

① 雜質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行有效的保護，防止空氣或其他因素的污染。因此鈦及鈦合金焊接不能採用氣焊或焊條電弧焊方法進行，否則接頭滿足不了焊接質量要求，一般只能採用氬氣保護或在真空下焊接。

② 焊接相變引起的接頭塑性下降
常用的工業純鈦為α合金，焊接時由於鈦導熱差、比熱小、高溫停留時間長、冷卻速度慢，易形成粗大結晶；若採用加速冷卻，又易產生針狀α組織，也會使塑性下降。

③ 產生焊接裂紋
鈦合金焊接時產生的焊接熱裂紋的幾率極小，只有當焊絲或母材質量不問題時才可能產生熱裂紋。由氫引起的冷裂紋是鈦合金焊接時應注意防止的，焊接時熔池和低溫區母材中的氫向熱影響區擴散，引起熱影響區含氫量增加，造成熱影響區出現延遲裂紋。

④ 氣孔
鈦及鈦合金焊接時氣孔是最常見的焊接缺陷。焊絲或母材表面清理不幹凈或氬氣不純都會造成氣孔產生，因此保護氣-氬氣純度要求在99.99％以上，焊絲及工件表面要酸洗、凈水沖洗后烘乾。

2. 鈦及鈦合金的鎢極氬弧焊

鈦及鈦合金焊接時採用最多的就是鎢極氬弧焊，對於較厚的工件也可採用熔化極氬弧焊，對於技術要求嚴格的航天工業中一些重要設備經常也採用真空電子束焊接。
  ① 焊絲的選用。焊絲的選用應使在正常焊接工藝下的焊縫在焊后狀態的抗拉強度不低於母材退火狀態的標準抗拉強度下限值，焊縫焊后狀態的塑性和耐蝕性能不低於退火狀態下的母材或與母材相當，焊接性能良好，能滿足鈦容器製造和使用的要求。
  焊絲中的氮、氧、碳、氫、鐵等雜質元素的標準含量上限值應大大低於母材中雜質元素的標準含量上限值。不允許從所焊母材上裁條充當焊絲，應採用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。雜質元素含量不高於JB/T 4745-2002中附錄D的其他標準的焊絲也可使用。
  一般情況下可按表根據所焊母材牌號來選擇相應的焊絲牌號，並通過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度級別較低的母材去選擇焊絲材料。
  ② 保護氣體的選用。焊接用氬氣純度不應低於99.99％，露點不應高於-50℃，且符合GB 4842-1984的規定。當瓶裝氬氣的壓力低於0.5MPa時不宜使用。
   ③ 鎢極。鎢極氬弧焊時推薦採用鈰鎢電極。電極直徑應根據焊接電流大小選擇，電極端部應為圓錐形。
  鈦及鈦合金氬弧焊時，最關鍵的是要將焊接高溫區與空氣隔離開，為了有效地進行保護，焊炬噴嘴、拖罩和背面保護裝置通以適量流量的氬氣是極其重要的。焊縫及近縫區顏色是衡量保護效果的標誌，銀白色、淺黃色表示保護效果好，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，深藍色表示嚴重氧化，至於灰白色是絕對不允許的，表示焊縫已經變質，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化，其強度比純鋁略高，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中，表面產生緻密的氧化鋁鈍化膜，因而在氧化性介質中具有良好的耐蝕性。鋁在低溫下與鐵素體鋼不同，不存在脆性轉變，鋁容器的設計溫度可達-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緻密的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進行有效的保護。
  鋁的線膨脹係數約為鋼的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生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內應力。
  鋁及鋁合金液體熔池易吸收氫等氣體，當焊后冷卻凝固過程中來不及析出，在焊縫中形成氣孔。
  當母材為變形強化或固溶時效強化時，焊接熱影響區強度將下降。

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，經常採用鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊，這兩種焊接方法熱量比較集中，電弧燃燒穩定，由於採用隋性氣體，保護良好，容易控制雜質和水分來源，減少熱裂紋和氣孔的發生，焊縫質量優良，鎢極氬弧焊一般用於薄板，熔化極氣體保護焊用於厚板。

3. 焊絲材料

選用的焊絲應使焊縫金屬的抗拉強度不低於母材(非熱處理強化鋁為退火狀態，熱處理強化鋁為指定值)的標準抗拉強度下限值或指定值，並使焊縫金屬的塑性和耐蝕性不低於或接近於母材，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，宜採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》。
常用的保護氣體有氬氣和氮氣，其氣體純度應大於99.9％。
  由於鈰鎢極化學穩定性好，陰極斑點小，壓降低，燒損少，易於引弧，電弧穩定性好。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)不低於99.5％的工業純銅，具有良好的導電性、導熱性，良好的常溫和低溫塑性，以及對海水等的耐腐蝕性，純銅中的雜誌如氧、硫、鉍等都不同程度地降低純銅的優良性能，增加材料的冷脆性和接頭中出現熱裂紋的傾向。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

銅及銅合金導熱率高，線脹係數和收縮率大，當焊接線能量不足時，則容易產生未熔合、未焊透，焊后變形也較嚴重，外觀成形差。焊接時，銅能與其中雜質生成多種低熔點共晶，在焊接應力作用下產生熱裂紋，雜質中以氧的危害性最大。
熔焊銅及銅合金時，由於溶解的氫和氧化還原反應引起氣孔，幾乎分佈在焊縫的各個部位。同時，由於晶粒嚴重長大，雜質和合金元素的摻人，有用合金元素的氧化、蒸發，使焊接接頭性能發生很大的變化。

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，不同厚度的材料對於不同焊接方法有其適應性，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，由於黃銅中的鋅容易蒸發，因而極少採用焊條電弧焊。純銅焊條型號ECu為低氫型葯皮，用於焊接脫氧或無氧銅結構件，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，電極一般採用釷鎢極(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，採用無氧銅加脫氧劑的錫青銅焊絲，如HSCuSn。對高強度黃銅則採用青銅加脫氧劑的硅青銅焊絲或鋁青銅焊絲，如：HSCuAl、HSCuSi等。
保護氣體則選用氬氣(Ar)或Ar+He(Ar+He混合比50/50或30/70)，採用Ar+He混合氣體的最大優點是可以改善焊縫金屬的潤濕性，提高焊接質量。由於氦氣保護時輸入熱量比氬氣保護時大，故可降低預熱溫度。

4. 焊接工藝

① 焊前要預熱或在焊接過程中採取同步加熱的措施。
② 嚴格限制銅中的雜質含量，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。