3.5Ni钢的焊接工艺
2010-09-07徐志勇中国化学工程第十一建设公司河南开封475002
■徐志勇 中国化学工程第十一建设公司河南开封475002
3.5Ni钢的焊接工艺
■徐志勇 中国化学工程第十一建设公司河南开封475002
重点介绍了3.5Ni钢采用SMAW和GTAW的焊接工艺及现场施工的管理措施，为今后焊接低温钢提供了经验。关键词 低温韧性可焊性焊接线能量
我国规定使用于温度在-196～-20℃范围的无镍低合金钢和含镍钢为低温钢。低温钢类型及其使用温度范围如图1所示。
2000～2003年我项目部在新疆乌石化厂和独山子石化厂的施工中，多次遇到3.5Ni钢的设备和工艺管道的焊接工作，积累了丰富的焊接和管理经验，在此介绍具体工艺。
1 3.5Ni钢的化学成分和机械性能
1.1 3.5Ni钢的化学成分（如表1所示）
表13 .5Ni钢的化学成分（%）
1.2 3.5Ni钢的机械性能（如表2所示）
表23 .5Ni钢的机械性能
1.3 W107焊条化学成分（如表3所示）
2 冷裂及热裂倾向分析及接头的低温韧性
表3 W107焊条化学成分
2.1 冷裂及热裂倾向分析
3.5 Ni钢是-101℃低温下使用的含Ni合金钢，由于钢中含有一定数量的合金元素，就其碳当量而言高于16Mn，因而具有一定的淬硬倾向。同时3.5Ni钢由于含有相当量的Ni元素（3.25～3.75%），根据Fe-Ni状态图，Ni在δ相中的最大溶解度为3.4%，所以当钢中Ni含量小于3.4%时，S、P偏析小，热裂倾向也小；当钢中Ni含量大于3.4%时，由于包晶反应出现了γ相，如图2所示，S、P偏析增大，焊缝结晶时Ni易和S结合生成低熔点的共晶物，在拉应力的作用下有发生热裂的倾向的可能。
3.5 Ni钢焊接时有一定的冷裂和热裂倾向，但由于钢中含S、P杂质元素少，含碳量低，Mn／Si比值高，冷裂和热裂倾向不是焊接的主要矛盾，只要采取适当的预热，选用杂质元素少的焊材，同时尽量减少焊接的拘束应力，就可防止冷裂、热裂纹的发生。
2.2 焊接接头的低温韧性
3.5 Ni钢其材质优良的低温韧性主要靠钢中含有相当量韧化元素Ni，同时钢材严格轧制，热处理工艺使钢内部组织晶粒细化(晶粒度一般10级以上)也是提高低温韧性的重要保证。
焊接工艺不当时（焊接线能量较大），焊接接头出现粗大的扳条状贝氏体和马氏体组织，熔合区则会使晶粒严重长大，从而使焊缝、熔合区低温韧性大大降低。因此，焊接线能量是保证低温韧性的关健。
通过以上3.5Ni钢可焊性分析，冷裂和热裂倾向不是焊接的主要矛盾，就其可焊性而言是如何解决焊接接头的低温韧性问题，因此焊接3.5Ni钢应选用较小的焊接线能量，即小电流、低电压、快焊焊速、多层多道焊，同时焊前预热，焊后热处理，可减小焊接应力梯度，加速扩散氢的逸出，消除焊接的残余应力等，对防止焊缝的冷裂、热裂倾向和提高焊缝的韧性也是有效措施。
3 焊接方法
设备焊接采用了手工焊条电弧焊；工艺配管采用钨极氩弧焊打底手工焊条电弧焊填充盖面。
4 焊材的选用及管理
（1）根据焊接工艺评定，焊丝选用ER55-C3，焊条选用W107。
（2）焊条应有质量证明书证，且外观包装良好。
（3）焊条应按批号进行扩散氢含量复验，一般扩散氢含量含量应小于6ml/100g。
（4）焊条保管应在一级库内，一级库内温度5℃以上；相对湿度小于90%，且通风良好。
（5）焊条烘干发放设专职人员，烘干温度350～400℃，保温1h。焊条烘干后应放入100～150℃恒温箱内，备焊工随时领取。
（6）焊工领取焊条必须携带保温筒，领取焊条的数量应根据焊工的工作量，一般设备焊接不宜超过4kg，管道焊接不宜超过3kg。
（7）焊条未用完应及时退回烘干室，领取焊条时间超过4h退回应进行第2次烘干，一般焊条烘干的次数不宜超过2次。
5 组对点固焊
（1）坡口面加工宜采用机械方法。当采用火焰切割时，应清除过热层和氧化层，并将表面凹凸不平处打磨平整，火焰切割时环境温度应大于0℃，否则应进行预热。
（2）坡口表面应无裂纹、夹渣、分层等缺陷。
（3）焊缝组对不得采用锤击等强制手段进行组装，不得在受压元件上刻划或敲打材料标记和焊工钢印。
（4）壁厚相同的管子、管件组对时，应使内壁平齐，其错边量应小于或等于管壁厚度的10%，且≤0.5mm。
表4 焊接接头对口错边量规定
表5 手工电弧焊定位焊缝的尺寸
（5）设备、容器筒体组对时A、B类焊接接头对口错边量应符合如表4所示规定。
（6）组装时卡具、临时支架、定位焊的工艺均应和正式焊接相同，且焊工必须持证。
（7）手工电弧焊定位焊缝的尺寸如表5所示。
（8）卡具、临时支架与母材接触部分材质应和母材相同或相近，夹具拆除应用砂轮磨除，严禁敲打。
6 焊接工艺
6.1 接焊缝焊接工艺参数（如表6所示）
6.2 预热参数（如表7所示）
表7 预热参数
6.3 热处理工艺参数
（1）热处理采用局部电加热方法。
（2）热处理加热范围应以焊缝中心为基准，两侧各不小于3倍焊件壁厚，且不小于25mm，加热区以外的100mm范围应于保温。
（3）热处理工艺具体细则见热处理工艺规程。热处理温度曲线如图3所示。
7 焊接操作注意事项
（1）焊前应将坡口及两侧20mm范围内的油污、铁锈、污物清理干净。
表6 接焊缝焊接工艺参数
（2）地线应于焊件接触牢固，焊接时在坡口内引弧，焊件表面不得有电弧擦伤等缺陷。
（3）焊接时应严格控制接线能量，在保证焊透及熔合良好的条件下，应选用小工艺规范，即小电流、短电弧、较快焊接速度和多层多道焊，层间温度不应超过200℃。
（4）每道焊缝要尽量一次焊完，如因故中断应按工艺要求进行缓冷措施，重新焊接时应进行检查，确认无缺陷后方可按原工艺焊接。
（5）焊接收弧时应将弧坑填满，并用砂轮磨去弧坑缺陷。多层焊时层间接头应错开30～50mm。
（6）焊接时选用焊条直径不宜过大，焊接初层焊道焊条直径一般不超过3.2mm，填充和盖面直径一般不超过4mm。
（7）卡具、临时支架与母材接触部分材质应和母材相同或相近，夹具拆除应用砂轮磨除，严禁敲打。
（8）管道采用钨极氩弧焊打底手工电弧焊盖面。钨极氩弧焊打底时应在管内充氩保护。
（9）为防止线能量超标，使焊工便于掌握，规定φ3.2焊条，每根焊接长度应＞150mm，φ4焊条每根焊接长度应＞220mm，每层焊缝每次焊接的厚度应≤3mm。
（10）焊缝背面清根可采用碳弧气刨，但必须用砂轮唐出金属光泽，清根后坡口要宽窄一致，尽量呈U形，杜绝出现窄而深的不良状况；焊缝背面清根后，应进行PT检查，当确认无缺陷时再进行焊接。
8 小结
在近几年的施工中3.5Ni钢的焊接，由于焊接工艺合理、管理措施得当，焊接质量较高，焊接探伤一次合格率达98.6%以上。通过产品试板试管的检验，焊缝低温韧性（低温冲击值）与母材相近，得到了用户和监理部门的一致好评。现将几点特殊的管理措施总结以下：
（1）为防止线能量超标，记录员应详细测定、记录焊接电流、电压、焊接速度(每人、每道焊缝每层检测1～2点)，并及时计算出焊接线能量，发现接近上限时及时通知焊工调整。
（2）焊接施工中规定φ3.2焊条，每根焊接长度应大于150mm，φ4焊条每根焊接长度应大于220mm，量化了焊接线能量，使焊工便于掌握，是控制焊接线能量行之有效的措施。
（3）设备和厚壁管道焊缝完成后，最好在焊缝熔合区焊接一道ACI整容焊道，以消除咬边和改善熔合区韧性，如图4所示。
1金属熔焊原理及工艺
2金属焊接性基础
3ASME规范
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TG44
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1672-9323（2010）04-0039-03
2009-12-01）
