3.5Ni鋼的焊接工藝

■徐志勇 中國化學工程第十一建設公司河南開封475002

3.5Ni鋼的焊接工藝

■徐志勇 中國化學工程第十一建設公司河南開封475002

重點介紹了3.5Ni鋼采用SMAW和GTAW的焊接工藝及現場施工的管理措施，為今后焊接低溫鋼提供了經驗。關鍵詞 低溫韌性可焊性焊接線能量

我國規定使用于溫度在-196～-20℃范圍的無鎳低合金鋼和含鎳鋼為低溫鋼。低溫鋼類型及其使用溫度范圍如圖1所示。

2000～2003年我項目部在新疆烏石化廠和獨山子石化廠的施工中，多次遇到3.5Ni鋼的設備和工藝管道的焊接工作，積累了豐富的焊接和管理經驗，在此介紹具體工藝。

1 3.5Ni鋼的化學成分和機械性能

1.1 3.5Ni鋼的化學成分（如表1所示）

表13 .5Ni鋼的化學成分（%）

1.2 3.5Ni鋼的機械性能（如表2所示）

表23 .5Ni鋼的機械性能

1.3 W107焊條化學成分（如表3所示）

2 冷裂及熱裂傾向分析及接頭的低溫韌性

表3 W107焊條化學成分

2.1 冷裂及熱裂傾向分析

3.5 Ni鋼是-101℃低溫下使用的含Ni合金鋼，由于鋼中含有一定數量的合金元素，就其碳當量而言高于16Mn，因而具有一定的淬硬傾向。同時3.5Ni鋼由于含有相當量的Ni元素（3.25～3.75%），根據Fe-Ni狀態圖，Ni在δ相中的最大溶解度為3.4%，所以當鋼中Ni含量小于3.4%時，S、P偏析小，熱裂傾向也?。划斾撝蠳i含量大于3.4%時，由于包晶反應出現了γ相，如圖2所示，S、P偏析增大，焊縫結晶時Ni易和S結合生成低熔點的共晶物，在拉應力的作用下有發生熱裂的傾向的可能。

3.5 Ni鋼焊接時有一定的冷裂和熱裂傾向，但由于鋼中含S、P雜質元素少，含碳量低，Mn／Si比值高，冷裂和熱裂傾向不是焊接的主要矛盾，只要采取適當的預熱，選用雜質元素少的焊材，同時盡量減少焊接的拘束應力，就可防止冷裂、熱裂紋的發生。

2.2 焊接接頭的低溫韌性

3.5 Ni鋼其材質優良的低溫韌性主要靠鋼中含有相當量韌化元素Ni，同時鋼材嚴格軋制，熱處理工藝使鋼內部組織晶粒細化(晶粒度一般10級以上)也是提高低溫韌性的重要保證。

焊接工藝不當時（焊接線能量較大），焊接接頭出現粗大的扳條狀貝氏體和馬氏體組織，熔合區則會使晶粒嚴重長大，從而使焊縫、熔合區低溫韌性大大降低。因此，焊接線能量是保證低溫韌性的關健。

通過以上3.5Ni鋼可焊性分析，冷裂和熱裂傾向不是焊接的主要矛盾，就其可焊性而言是如何解決焊接接頭的低溫韌性問題，因此焊接3.5Ni鋼應選用較小的焊接線能量，即小電流、低電壓、快焊焊速、多層多道焊，同時焊前預熱，焊后熱處理，可減小焊接應力梯度，加速擴散氫的逸出，消除焊接的殘余應力等，對防止焊縫的冷裂、熱裂傾向和提高焊縫的韌性也是有效措施。

3 焊接方法

設備焊接采用了手工焊條電弧焊；工藝配管采用鎢極氬弧焊打底手工焊條電弧焊填充蓋面。

4 焊材的選用及管理

（1）根據焊接工藝評定，焊絲選用ER55-C3，焊條選用W107。

（2）焊條應有質量證明書證，且外觀包裝良好。

（3）焊條應按批號進行擴散氫含量復驗，一般擴散氫含量含量應小于6ml/100g。

（4）焊條保管應在一級庫內，一級庫內溫度5℃以上；相對濕度小于90%，且通風良好。

（5）焊條烘干發放設專職人員，烘干溫度350～400℃，保溫1h。焊條烘干后應放入100～150℃恒溫箱內，備焊工隨時領取。

（6）焊工領取焊條必須攜帶保溫筒，領取焊條的數量應根據焊工的工作量，一般設備焊接不宜超過4kg，管道焊接不宜超過3kg。

（7）焊條未用完應及時退回烘干室，領取焊條時間超過4h退回應進行第2次烘干，一般焊條烘干的次數不宜超過2次。

5 組對點固焊

（1）坡口面加工宜采用機械方法。當采用火焰切割時，應清除過熱層和氧化層，并將表面凹凸不平處打磨平整，火焰切割時環境溫度應大于0℃，否則應進行預熱。

（2）坡口表面應無裂紋、夾渣、分層等缺陷。

（3）焊縫組對不得采用錘擊等強制手段進行組裝，不得在受壓元件上刻劃或敲打材料標記和焊工鋼印。

（4）壁厚相同的管子、管件組對時，應使內壁平齊，其錯邊量應小于或等于管壁厚度的10%，且≤0.5mm。

表4 焊接接頭對口錯邊量規定

表5 手工電弧焊定位焊縫的尺寸

（5）設備、容器筒體組對時A、B類焊接接頭對口錯邊量應符合如表4所示規定。

（6）組裝時卡具、臨時支架、定位焊的工藝均應和正式焊接相同，且焊工必須持證。

（7）手工電弧焊定位焊縫的尺寸如表5所示。

（8）卡具、臨時支架與母材接觸部分材質應和母材相同或相近，夾具拆除應用砂輪磨除，嚴禁敲打。

6 焊接工藝

6.1 接焊縫焊接工藝參數（如表6所示）

6.2 預熱參數（如表7所示）

表7 預熱參數

6.3 熱處理工藝參數

（1）熱處理采用局部電加熱方法。

（2）熱處理加熱范圍應以焊縫中心為基準，兩側各不小于3倍焊件壁厚，且不小于25mm，加熱區以外的100mm范圍應于保溫。

（3）熱處理工藝具體細則見熱處理工藝規程。熱處理溫度曲線如圖3所示。

7 焊接操作注意事項

（1）焊前應將坡口及兩側20mm范圍內的油污、鐵銹、污物清理干凈。

表6 接焊縫焊接工藝參數

（2）地線應于焊件接觸牢固，焊接時在坡口內引弧，焊件表面不得有電弧擦傷等缺陷。

（3）焊接時應嚴格控制接線能量，在保證焊透及熔合良好的條件下，應選用小工藝規范，即小電流、短電弧、較快焊接速度和多層多道焊，層間溫度不應超過200℃。

（4）每道焊縫要盡量一次焊完，如因故中斷應按工藝要求進行緩冷措施，重新焊接時應進行檢查，確認無缺陷后方可按原工藝焊接。

（5）焊接收弧時應將弧坑填滿，并用砂輪磨去弧坑缺陷。多層焊時層間接頭應錯開30～50mm。

（6）焊接時選用焊條直徑不宜過大，焊接初層焊道焊條直徑一般不超過3.2mm，填充和蓋面直徑一般不超過4mm。

（7）卡具、臨時支架與母材接觸部分材質應和母材相同或相近，夾具拆除應用砂輪磨除，嚴禁敲打。

（8）管道采用鎢極氬弧焊打底手工電弧焊蓋面。鎢極氬弧焊打底時應在管內充氬保護。

（9）為防止線能量超標，使焊工便于掌握，規定φ3.2焊條，每根焊接長度應＞150mm，φ4焊條每根焊接長度應＞220mm，每層焊縫每次焊接的厚度應≤3mm。

（10）焊縫背面清根可采用碳弧氣刨，但必須用砂輪唐出金屬光澤，清根后坡口要寬窄一致，盡量呈U形，杜絕出現窄而深的不良狀況；焊縫背面清根后，應進行PT檢查，當確認無缺陷時再進行焊接。

8 小結

在近幾年的施工中3.5Ni鋼的焊接，由于焊接工藝合理、管理措施得當，焊接質量較高，焊接探傷一次合格率達98.6%以上。通過產品試板試管的檢驗，焊縫低溫韌性（低溫沖擊值）與母材相近，得到了用戶和監理部門的一致好評?，F將幾點特殊的管理措施總結以下：

（1）為防止線能量超標，記錄員應詳細測定、記錄焊接電流、電壓、焊接速度(每人、每道焊縫每層檢測1～2點)，并及時計算出焊接線能量，發現接近上限時及時通知焊工調整。

（2）焊接施工中規定φ3.2焊條，每根焊接長度應大于150mm，φ4焊條每根焊接長度應大于220mm，量化了焊接線能量，使焊工便于掌握，是控制焊接線能量行之有效的措施。

（3）設備和厚壁管道焊縫完成后，最好在焊縫熔合區焊接一道ACI整容焊道，以消除咬邊和改善熔合區韌性，如圖4所示。

1金屬熔焊原理及工藝

2金屬焊接性基礎

3ASME規范

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