它们的熔敷金属的力学性能都能满足使用要求,只是酸性焊条熔敷金属的塑性和韧性稍差,因此至今还广泛地应用。
为了更好地掌握酸性焊条与碱性焊条的特点,将这两类焊条的特性对比列于表1-2-12。
表1-2-12酸性焊条与碱性焊条的对比
酸性焊条
碱性焊条
① 对水、钛锈产生气孔的敏***不大,焊条在使用前经150~200℃烘焙1h
② 电弧稳定,可用交流或直流施焊
③ 焊接电流较大
④ 可长弧操作
⑤ 合金元素过渡效果差
⑥ 熔深较浅,焊缝成形较好
⑦ 熔渣呈玻璃状,脱渣较方便
⑧ 焊缝的常、低温冲击韧度一般
⑨ 焊缝的抗裂性能较差
⑩ 焊缝的含氢量高、影响塑性
焊接时***较少
① 对水、铁锈产生气孔的敏***较大,要求焊条在使用前经300~350℃烘焙1~2h
② 由于药皮中含有氟化物恶化电弧稳定性,须用直流反接施焊,只有当药波中加入稳弧剂后,才可用交流两用施焊
③ 焊接电流较同规格的酸性焊条约小10%左右
④ 须短弧操作,否则易引起气孔
⑤ 合金元素过渡效果好
⑥ 熔深稍深,焊缝成形尚好容易堆高
⑦ 熔渣呈结晶状,脱渣不及酸性焊条好
⑧ 焊缝的常、低温冲击韧度较高
⑨ 焊缝的抗裂性能好
⑩ 焊缝的含氢量低
焊接时***稍多
1.3 焊条的选用原则
焊条的种类很多,应用范围不同,正确选用焊条,对焊接质量、劳动生产率和产品成本都有影响,为了正确地选用焊条,可参考以下几个基本原则。
1.3.1等强度原则
对于承受静载或一般载荷的工件或结构,通常选用抗拉强度与母材相等的焊条,这就是等强度原则。
例如焊接20,Q235等低碳钢或抗拉强度在400MPa左右的钢就可以选用E43系列焊条。而焊16Mn,16Mng等抗拉强度在500MPa范围的钢,选用E50系列焊条就行了。
有的人认为选用抗拉强度高的焊条焊接抗拉强度低的材料好,这个观念是错误的,通常抗拉强度高的钢材的塑性指标都较差,单纯追求焊缝金属的抗拉强度,降低了它的塑性,往往不一定有利。
1.3.2等同性原则
焊接在特殊环境下工作的工件或结构,如要求耐磨、耐腐蚀、在高温或低温下具有较高的力学性能,则应选用能保证熔敷金属的性能与母材相近或相近似的焊条,这就是等同性原则。
如焊接不锈钢时,应选用不锈钢焊条;焊接耐热钢时应选用耐热钢焊条。
1.3.3等条件原则
根据工件或焊接结构的工作条件和特点选择***多。例如焊接需承受动载或冲击载茶的工件,应选用熔敷金属冲击韧度较高的低氢型碱性焊条。反之,焊一般结构时,应选用酸性焊条。
虽然选用焊条时还应考虑工地供电情况,工地设备条件,经济性及焊接效率等,但这都是比较次要的问题,应根据实际情况决定。
1.4 焊条的检验和保管
1.4.1焊条的检验
为确保产品质量,新进厂的焊条应进行下列检验。
1.4.1.1.外观检验 焊条药皮表面应细腻光滑,无气孔和机械损伤,药皮无偏心,焊芯无锈蚀现象,引弧端有倒角,引燃剂完好,夹持端牌号标志清晰。
1.4.1.2.药皮强度检验 将焊条平举至离钢板1m处,松开手让焊条自由落下,如药皮无脱落现象,则药皮强度合格。
1.4.1.3.工艺性检验 用待验焊条进行焊接试验,若引弧容易、电弧燃烧稳定、飞溅小、药皮熔化均匀、焊缝成形好、不产生气孔、裂纹、夹渣和咬边等缺陷,脱渣容易,则焊条的工艺性好。
1.4.1.4.理化检验 焊接重要产品用的焊条,应焊正式工艺试验试板,除进行外观检验外,还要对试板进行***探伤,取样做金相试验,化学分析及力学性能试验,所有项目都合格时,焊条才合格。
当焊工对使用的焊条质量发生怀疑时,可以用下述方法鉴别焊条质量。
① 将几根焊条放在手掌上滚动,若焊条互相碰撞时发出清脆的金属声,则焊条药皮干燥可用;若发出低沉的沙沙声,则焊条药皮已受潮不能用。
② 将焊条在焊接回路中短路数秒钟,若焊条表面出汗、出现颗粒状斑点,则焊条已受潮不能用。
③ 焊芯上有锈痕,则焊条已受潮不能用。
④ 将厚药皮焊条缓慢弯成120°角,若涂料大块脱落或药皮表面无裂纹,都是受潮焊条。干燥的焊条在缓慢弯曲时,有小的脆裂声,继续弯至120°,药皮受拉面出现小裂口。
⑤ 焊接时药皮成块脱落,产生大量水蒸气或有爆裂现象,说明焊条已受潮。
已受潮的焊条,若药皮脱落,则应报放心。若酸性焊条受潮不严重,或焊芯上有轻微锈痕,焊接时基本上能保证质量,烘干后可以再用,但不能用来焊接重要结构。若碱性焊条焊芯上有锈痕,则不能正常使用。
1.4.2焊条的贮存、保管及烘干
按JB3323-83《焊条质量管理规程》规定,焊条的贮存、保管和使用前的烘干要求如下:
1.4.2.1.焊条必须存放在干燥、通风良好的室内仓库里。焊条贮存库内,不允许放置***气体和腐蚀性介质,室内应保持整洁。
1.4.2.2.焊条应存放在架子上,架子离地面的距离应小于300mm,离墙壁距离不小于300mm,室内应放置去湿剂,严防焊条受潮。
1.4.2.3.焊条堆放时应按种类、牌号、批次、规格,入库时间分类堆放,每垛应有明确的标志,避免混乱。发放焊条时应遵循***先出的原则,避免焊条存放期太长。
1.4.2.4.焊条在供给使用单位以后,至少在六个月之内能保证继续使用。
1.4.2.5.特种焊条的贮存与保管制度,应比一般焊条严格。并将它们堆放在专用库房或指定区域内,受潮或包装损坏的焊条未经处理不准入库。
1.4.2.6.对于已受潮、药皮变色和焊芯有锈迹的焊条,须经烘干后进行质量评定。若各项性能指标都满足要求时,方可入库,否则不准入库。
1.4.2.7.一般焊条一次出库量不能超过两天的用量。已经出库的焊条,焊工必须保管好。
1.4.2.8.焊条贮存库内,应设置温度计和湿度计。低氢型焊条库内温度不低于5℃,空气相对湿度应低于60%。
1.4.2.9.存放期超过一年的焊条,发放前应重新做各种性能试验,符合要求时方可发放,否则不准发放。
2 锅炉压力容器常用钢材的焊接
2.1低碳钢的焊接
锅炉压力容器受压元件所使用的低碳钢主要有:Q235A、Q235B、10、20、20R、20g、20G等,锻件还有20、25;进口钢种有RST37-2、ST44、ST35.8、ST45(以上为德国钢)及SS41、***41、SB42、STB42STS42、STP42(以上为日本钢)等。这些钢的含碳量都较低,一般不大于0.25%,因此焊接性良好,无淬硬倾向,无需特殊工艺措施,即可实现焊接。并且几乎能采用所有的各种焊接工艺方法进行焊接。
2.1.1低碳钢的焊接工艺特点
低碳钢焊件随板厚的增大,刚度增大,焊缝的裂纹倾向也增大,因此焊接刚度大的结构宜选用低氢碱性焊条,焊前预热或焊后消除应力热处理。预热和回火温度见表9-6。
Q235AF钢属于沸腾钢,因杂质含量较高,大厚度工件有可能产生热裂纹。某些锅炉钢,如20g、22g等,当碳和杂质含量偏于上限时,在线能量较大时由于近缝区在高温下停留时间长,可能在熔合线附近出现液化裂纹。因此应控制线能量、调整熔合比,防止裂纹的产生。
表9-6 常用低碳钢预热及回火温度
钢号
材料厚度/mm
预热温度/℃
回火温度/℃
Q235A、235AF、08、10、15、20
50~90
≥50
600~650
25、20g、22g、20G
>50~100
≥100
600~650
>100
≥150
600~650
2.1.2低碳钢焊接材料选择
低碳钢焊条电弧焊大多选用E43系列焊条,主要是根据等强度的原则。常用低碳钢焊条选择见表9-7。
表9-7 常用低碳钢焊条选择
钢号
焊条型号及钢号
一般结构
锅炉压力容器重要结构
Q215、Q235A、10、15、20
E4313(J421)
E4303(J422)
E4316(J426)
E4315(J427)
Q235B、Q235C、20R、20G、20g、22g
E4316(J426)
E4315(J4277)
E4316(J426)
E4315(J427)
CO2气体保护焊可采用H08MnSi(GB/T14958-1994)和ER49-1(MG49-1)、ER49-G(MG49-G)、ER50-2、ER50-3(MG50-3)、ER50-4(MG50-4)、ER50-5、ER50-6(MG50-6)、ER50-7、ER50-G(MG50-F)焊丝,也可采用药芯焊丝如YJ501-1等。
埋弧焊可选用H08A或H08E焊丝配合高锰高硅低氟熔炼焊剂HJ430、HJ431、HJ433或HJ434;如果选用H08MnA或H10Mn2焊丝,则应配合无锰、低锰或中锰型焊剂。
电渣焊可选用H10Mn2、H08Mn2Si、H10MnSi焊丝,配合中猛高硅中氟熔炼焊剂。
用于锅炉受压元件的低碳钢,其壁厚大于30mm时,焊后应进行热处理;用于压力容器受压元件,当母材名义厚度大于34mm时焊后应进行处理(如焊前预热100℃以上,需热处理的名义厚度可大于38mm)以上消除焊接残余应力。
2.2低合金高强度钢的焊接
锅炉压力容器广泛使用的低合金高强钢有12MnHP、12MnCrVHP、16MnHP、16Mn、16MnR、12Mng、16Mng、16MnRC、15MnVR、20MnMo、15MnVNR、14MnMoVT 18MnMoNbR等;进口钢种有德国的19Mn5、19Mn6、St52钢和日本的SPV36、***53B、***53C、SPV46等,这些钢种基本属于热轧及正火钢。
根据其强度级别,б在294~392MPa区间的为普通低合金钢,如16MnR、15MnVR、12Mng、19Mn5等,多为热轧钢,只有厚度超过一定界限时作正火处理。这种钢是在ω小于0.2%的基础上加入少量合金元素,通过合金元素的固溶强化作用来提高强度。热轧钢通常为铝***的铁素体加珠光体***钢。特殊情况下,如厚板(б>25mm时)为改善其综合性能,提高其韧性进行900-920℃的正火处理,正火后强度略有下降,但塑性、韧性有所提高,并降低了脆性转变温度。
屈服点在392MPa以上的钢种,固溶强化的同时还利用沉淀强化作用,以保证这种钢经正火处理后碳化均匀弥散板出,从而提高强度又保证塑性和韧性。
屈服点为411MP***的有15MnVNR、15MnVTiRE钢等。14MnMoVg、18MnMoNbR钢则属于490MP***高强钢。
低合金高强钢由于加入了合金元素,增加了材料的淬硬倾向,有些元素还形成低熔点的化合物。因此同上于冶金因素及***转变会使焊缝,尤其热影响区出现各种不利的***。在扩散氢及热应变循环的共同作用下,还会产生裂纹或引起粗晶脆化。
2.2.1低合金高强钢焊接性的主要问题
○1热裂纹
热轧及正火钢,一般含碳量都较低,而含锰量都较高。它们的Mn/S比都可达到要求,具有较好的抗热裂纹性能,正常情况下焊缝不分出现热裂纹。但当材料含碳量超过0.12%,S、P含量较高或因偏板使局部C、S含量偏高时,Mn/S就可能低于要求而出现热裂纹。在这种情况下,就要从工艺上设法减小熔合比,在焊接材料上采用低碳、低硫或高锰焊接材料,以降低焊缝中的含碳量、含硫量,防止热裂纹。
○2冷裂纹
冷裂纹是低合金高强钢焊接性的主要问题。从材料本身考虑,淬硬***是引起冷裂纹的决定因素。随着钢强度级别的提高,合金元素的增加,其淬硬倾向逐渐增大。在冷却速度较大时,热影响区会出现贝氏体和大量马氏体***。尤其当形成粗大的孪晶马氏体时其缺口敏***增加,严重脆化,在焊接应力的作用下产生冷裂纹。此外还会由于扩散氢的富集在淬硬脆化区引起显微裂纹。裂纹***形成三向应力区,并再行诱导氢扩散富集,使裂纹扩展成为宏观裂纹,这就是延迟裂纹。
○3再热裂纹
某些含有较多碳化物形成元素(如Cr、Mo、V),并可产生沉淀硬化的低合金高强钢和热强钢厚板接头中,往往会在焊后消除应力热处理过程中沿热影响区产生再热裂纹;一些在高温下长期运行的压力容器等设备,也会在接头中出现再热裂纹。这种裂纹多起源于接头的应力集中区。为防止再热裂纹,应首先从材料方面考虑选用化学成分适合的钢种,其次是降低焊缝金属强度使之低于母材;制定正确合理的焊接工艺,控制焊接热输入量,防止粗晶脆化,及采取预热措施等。
对于再热裂纹敏***较高的钢种,可在坡口侧壁预先堆焊低强度焊缝,以松驰应力。
○4层状撕裂
在低合金高强钢厚板的T形接头或角接接头中,还会沿钢材的轧制方向产生层状撕裂。这主要与钢中含有片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集在同一平面内的氧化铝夹杂物有关,其中以片状硫化物***为严重。因此硫化物含量及Z向断面收缩率是评定钢材层状撕裂敏***的主要指标。
因此低合金高强多焊接,应根据母材碳及合金元素含量、板厚、接头形式、结构特点等,合理选择线能量,采用碱性低氢焊条和碱度较高的焊剂,且焊前要严格烘干。根据环境温度,拘束条件等确定预热温度,厚度超过一定范围还必须采取后热或焊后热处理措施,以降低热影响区硬度,提高塑性、韧性,消除应力和扩散氢的影响。
2.2.2常用低合金高强钢的焊接
2.2.2.1 16Mn、16MnR钢的焊接
16Mn钢具有良好的综合加工工艺性能,经气割或碳弧气刨的坡口边缘1mm内出现淬硬(Hmax>350HV),但淬硬层在焊接时可完全熔掉。
16Mn钢的碳当量一般为0.35%~0.41%,其淬硬倾向和裂纹倾向比一般低碳钢稍大。在低温环境或厚度大、刚性结构焊接时,应采用稍强的焊接参数及较小的焊接速度、注意填满弧坑,并适当预热。
16MnR、16Mng属于343MP***高强钢。板厚30mm
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