焊接材料的选择

摘要]讨论了压力容器用焊接材料选择的原则:焊缝金属的性能应高于或等于母材性能。介绍了焊接材料采购技术条件的编制要求。

[关键词]焊接材料;焊缝金属;力学性能;化学成分;采购技术条件

1引言

焊接材料(以下简称焊材)的选择和使用一直是压力容器和焊接行业非常关注的问题。2000年版《压力容器焊接工艺评定》(ＪＢ4708-2000)和《压力容器焊接工艺规程》(ＪＢ/Ｔ4709-2000)标准(以下简称“新标准”)已正式颁布实施。“新标准”对焊材的选择使用提出了新的要求。本文结合我厂实践,讨论在压力容器设计制造中,如何贯彻“新标准”、选择合适的焊材以及如何编制焊材采购技术条。

2焊材选用原则

“新标准”规定的焊材选择原则是:焊缝金属的性能应高于或等于母材性能。压力容器应用广泛,服役条件复杂,故此“性能”应为根据设备实际工况所要求的力学性能、化学成分、耐腐蚀性能以及其它特殊要求等的综合。

2 1焊接接头的力学性能

压力容器产品焊接的基础质量是焊接接头的使用性能和焊接缺陷。焊接接头的力学性能(拉伸、弯曲和冲击)是压力容器设计制造的基础,是最基本的力学性能。因此焊材选择的主要依据是保证其焊接接头的力学性能,包括焊接接头在实际工况下的高温/低温力学性能、抗动载荷、疲劳载荷等性能。

2 1 1焊接接头抗拉强度[1]焊缝金属与母材强度匹配是压力容器行业和焊接行业的热点问题之一,争论颇多。对于强度型低合金钢按等强原则选用焊材,能保证焊接接头具有足够的韧性储备,适当超强有利于提高接头的抗脆断性能。对于强度级别为700～800ＭＰａ的高强钢,焊缝金属超强或过分低强,均易促进脆性断裂,接近等强的接头最为理想。焊缝低强在工艺上可以降低预热温度,减少冷裂纹敏感性。因此ＡＳＭＥ规范、ＧＢ150在坚持等强匹配的同时,也允许低匹配或高匹配在一定场合的实施应用。从文字表面上看,ＪＢ/Ｔ4709对焊材的选用要求完全依照等强原则。实际上,标准起草人在“标准释义”中说明:通常是按照熔敷金属名义值来选用焊材,而“熔敷金属实际强度往往超出名义值很多,再考虑冶金因

素或熔化比的作用,实际焊缝的强度水平将远远超出焊材熔敷金属的名义值”。可见,该标准并不排斥高强匹配,同时也同意低强匹配。ＪＢ/Ｔ4709的规定,主要是基于我国尚未有压力容器用焊材专业标准,国家焊材标准及产品样本未规定拉伸强度上限,国内市场上焊材拉伸强度普遍偏高的现状。至于标准中推荐的焊材均是按等强匹配给出的这一问题,如何理解和处理呢?ＪＢ/Ｔ4709所列焊材为标准推荐,其目的是提供导向性建议,以减少在焊材选择上的盲目性和制造厂工艺试验工作量,仅供使用者参考。因此标准中不可能将实际可能使用的所有焊材均列入,只要按ＪＢ4708进行工艺评定,通过规定的拉伸、弯曲、冲击及其他试验的焊材,均可以应用于压力容器产品的焊接,并不要求是否为该标准推荐焊材。

2 1 2焊接接头塑性“新标准”在对弯曲试验机理的认识上有了突破:弯曲试验的目的是考核材料或焊接接头的塑性特征和致密程度,从而解决了压力容器界一个长期争论的问题。弯曲直径对弯曲变形的影响很大,我们选择不同的ｎ(弯曲直径/试样厚度)值,将试样弯至180°,观察其变形情况并测定外表面弯曲变形率,结果如图1。从图1可见,当ｎ=4时,整个接头(包括焊缝区、熔合区和热影响区)都在弯曲范围内,弯曲变形

图1各种ｎ值冷弯试样弯到180°的纵向变形均匀,变形率在20%左右[2]。

绝大多数压力容器用钢板纤维伸长率的下限值均在20%。因此“新标准”参照ＡＳＭＥ规范等国外先进标准,以钢材纤维伸长率20%为界,规定弯曲直径取4倍试样厚度,弯曲角度180°,不再以钢材类别、单面焊、双面焊的不同规定弯曲直径和弯曲角度。“新标准”对钢材纤维伸长率低于20%,又未通过上述弯曲,规定可以根据实际纤维伸长率决定弯曲直径。“新标准”这些规定充分体现了焊缝金属与母材等塑性原则。ＧＢ4334 5《不锈钢硫酸—硫酸铜腐蚀试验方法》中对焊接接头弯曲试验的规定没有体现焊缝金属与母材等塑性原则,也同ＪＢ4708-2000相冲突,行业内对修订ＧＢ4334 5标准的呼声很高。

2 1 3焊接接头韧性我国在韧性失效破坏方面积累的数据和经验不足,所以焊接接头冲击试验一直是悬而未决的问题。ＡＳＭＥ规范提供的冲击试验豁免曲线(根据材料种类和厚度、最低设计金属壁温,决定是否作冲击试验或其它测定韧性

的方法),是在大量试验和失效破坏的基础上做出的。我国因材料体系等诸方面因素同美国不同,不能照搬。“新标准”修改了冲击试验验收指标,但何情况下应作冲击试验方能体现焊缝金属与母材等韧性原则,“新标准”及ＧＢ150仍未回答,尚待进一步研究。

2 2焊接接头的化学成分

焊缝金属化学成分是保证焊缝使用性能(包括机械性能)的基础。ＪＢ/Ｔ4709-2000规定,耐热型合金钢的焊缝金属,在保证力学性能的前提下,还应保证化学成分或耐磨蚀性能,即对铬钼钢要保证化学成分,高合金钢要保证耐腐蚀性能。进行耐蚀层堆焊时,堆焊层的化学成分是保证耐腐蚀性能的基础。我厂为南化大化肥制造的临氢设备、300ｋｔ/ａ合成氨气化炉,主体材料为耐热型铬钼钢ＳＡ387Ｇｒ12Ｃ12。为保证焊缝金属有良好的综合性能,特别是良好的抗回火脆性,在保证焊缝力学性能的前提下,对其化学成分应提出要求,尤其是微量元素,必须严格控制,即Ｘ=10Ｐ+5Ｓｂ+4Ｓｎ+Ａｓ,在一定范围内。我厂与山东潍坊登峰焊务公司共同研制的焊材,其化学成分和机械性能见表1。从表1可见,化学成分范围不一定与母材相同。焊材铬含量高于母材,对提高耐热性能有利[3]。我们知道,焊缝金属为铸造组织,钢板为锻造或轧制状态,当它们化学成分相同时,力学性能不一定相同,反过来也是如此。因此不可在要求焊缝的力学性能符合母材的同时,规定焊缝的化学成分范围同母材相同。

表1Ｃｒ-Ｍｏ钢母材及焊材熔敷金属化学成分、机械性能

对于高合金焊缝,规定其化学成分是为保证其耐腐蚀性能。其中Ｃｒ、Ｎｉ含量的提高对提高耐腐蚀性能有利,所有可适当提高焊材Ｃｒ、Ｎｉ含量。我厂使用的尿素级设备母材为2ＲＥ69(25-22-2型),焊材为ＢＭ310ＭｏＬ,化学成分见表2。另外,4 0%～5 5%的Ｍｎ与Ｎ作用,焊缝金属可获得良好的抗热裂性,在役设备检修中经常发现,虽然钢板腐蚀了,而焊缝完好无损。