焊接材料对工艺质量的影响研究

李红杉 韩波

摘要：在焊接产品结构成型是否符合设计要求，满足使用要求的能力，焊接质量是其相关的重要基础，焊接成型是受其焊接材料、焊接工艺、结构类型和使用要求的重要因素决定，而焊接材料（焊条、焊丝、钢带、焊剂、气体、电极以及衬垫等）的选择与其焊接工艺以及焊后热处理是相辅相成的，所以焊接材料正确的选取和焊接工艺的正确性是焊接质量的重要保证。

关键词：焊接材料；焊接工艺；焊接质量；热处理；力学性能

针对焊接材料与焊接工艺对焊接质量的影响，现在具体对钢制压力容器焊接，气体保护焊进行详解。

1 焊接材料的选用原则

焊接材料的选用应当根据母材的化学成分、焊接性能、力学性能等因素进行选择，同时还应该结合设备使用条件和设备的结构特点以及焊接方法等因素综合的选择焊接材料，如有必要的时候可以通过各种实验进行选择。而压力容器是一种承载一定压力的密闭设备，使用条件多为复杂的工况条件，其焊缝金属材料的性能必须大于或等于母材的力学性能。

对于特殊复杂的压力容器焊接材料的选用，应当按照GB/T 25774.12010《焊接材料的检验钢、镍及镍合金熔敷金属力学性能的制备及检验》进行选材，应当按照其要求进行熔敷金属拉伸和冲击试验进行制备试验。

结构钢焊接材料的力学性能应当符合以下要求：

① 焊接材料级别为2Y40、3Y40、4Y40，熔敷金属试验中，其夏比V型缺口冲击实验冲击功不得低于47J，屈服强度不得低于400Reh（N/mm2），抗拉强度在510～690Rm（N/mm2），伸长率不得低于22%，对接焊试验中，夏比V型缺口冲击实验冲击功不得低于47J，弯曲试验中，试样表面上出现的裂纹或其他缺陷长度不得大于3mm，接头抗拉强度不得低于510N/mm2。

② 焊接材料级别为3Y42、4Y42、5Y42，熔敷金属试验中，其夏比V型缺口冲击实验冲击功不得低于47J，屈服强度不得低于420Reh（N/mm2），抗拉强度在530～680Rm（N/mm2），伸长率不得低于20%，对接焊试验中，夏比V型缺口冲击实验冲击功不得低于47J，弯曲试验中，试样表面上出现的裂纹或其他缺陷长度不得大于3mm，接头抗拉强度不得低于530N/mm2。

③ 焊接材料级别为3Y55、4Y55、5Y55，熔敷金属试验中，其夏比V型缺口冲击实验冲击功不得低于55J，屈服强度不得低于550Reh（N/mm2），抗拉强度在670～830Rm（N/mm2），伸长率不得低于18%，对接焊试验中，夏比V型缺口冲击实验冲击功不得低于55J，弯曲试验中，试样表面上出现的裂纹或其他缺陷长度不得大于3mm，接头抗拉强度不得低于670N/mm2。

④ 焊接材料级别为3Y69、4Y69、5Y69，熔敷金属试验中，其夏比V型缺口冲击实验冲击功不得低于69J，屈服强度不得低于690Reh（N/mm2），抗拉强度在770～940Rm（N/mm2），伸长率不得低于17%，对接焊试验中，夏比V型缺口冲击实验冲击功不得低于69J，弯曲试验中，试样表面上出现的裂纹或其他缺陷长度不得大于3mm，接头抗拉强度不得低于770N/mm2。

注：高强度焊接材料以之母Y表示，焊接材料的屈服强度大于或等于400N/mm2，则在字母Y后面接以数字表示，如Y41，Y42。

2 焊缝的组织与性能

焊缝金属主要由部分母材和焊接材料金属融合凝固而成，在此融合与凝固变化中会发生两次的组织变化，第一次是从液态开始凝固结晶的过程，第二次为焊缝金属温度低于相变后的结晶过程，其金属的组织与焊缝金属的性能有至关重要的联系。

2.1 第一次结晶

第一次结晶随着热源的离开，熔池金属的凝固结晶开始沿熔合导热相反方向进行凝固，同时晶粒开始长大等一系列变化。其变化特点是熔池冷却速度大；金属处于过热状态；熔池中心和边缘的温度梯度大；带周期性的，运动状态的结晶。改善的方法有：通过焊接工艺条件进行改善焊缝结晶和进行质变处理以及振动结晶等方法。

2.2 焊缝金属二次结晶

焊缝第一次结晶后，进一步冷却和变化形成最终的组织，其各种材料的焊缝金属结晶组织有不锈钢的焊缝组织、低碳钢的焊缝组织、低合金高强度钢的焊缝组织。改善焊缝金属结晶的方法有：焊后热处理、多层焊接、锤击焊道表面等。

3 焊接工艺

焊接工艺是一种对焊接过程中焊接人员操作的指导行为规范，它是控制焊接能够满足要求提供必要的基础条件。

压力容器接头焊接中，首先应当按照标准要求对相关焊接接头进行焊接工艺评定，其相关的焊接力学性能应当符合以下合格指标，如：

① 拉伸试验，试样的抗拉强度σb应满足：

式中：σb1 ——复材抗拉强度标准下限值，MPa；

σb2 ——基材抗拉强度标准下限值，MPa；

t1——复层厚度，mm；

t2——復层厚度，mm。

② 弯曲试验：试件弯曲到规定的角度后，其试件的表面任何方向的裂纹或缺陷长度不得大于3mm，试样的菱角开裂可以忽略。

③冲击试验：每三个试件为一组进行常温状态下的冲击试验，其冲击的吸收功平均值應符合图样或相关规定，并且最小不得低于27J。

焊接前应当按照接头的形式进行编制焊接工艺规程，焊接实施过程中必须按照焊接工艺规程进行操作，如风速气体保护焊时大于2 m/s ，其他的焊接方法大于10m/s，相对湿度大于90%，焊件温度低于20%时应该进行有效的保护；引弧的时候应在引弧板或坡口内引弧，禁止在非焊接部位引弧，纵焊缝应在引出板上收弧，弧坑应填满；焊接时应当采用多层焊，多道焊，严禁一次焊接成型，承插焊时焊接接头应当错开。

4 焊后热处理

焊接后的热处理，是为了减小残余焊接应力，恢复材料的原始属性和减少成形产生的应力。

5 结语

工艺质量的好坏直接的由焊接材料选择和焊接工艺的控制，控制产品的焊接质量就是控制焊接材料的选择和焊接工艺的先进性，焊接材料与焊接工艺的相辅相成的关系决定了产品的焊接质量的基础。

参考文献：

[1]焊接材料的检验刚、镍及镍合金熔敷金属力学性能的制备及检验（GB/T 25774.12010）.

[2]钢制压力容器焊接规程（JB/T 47092000）.

[3]焊接及相关工艺的热处理（ISO TR 176632001）.

[4]材料与焊接规范.

作者简介：李红杉（1987），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，工程师。