奥氏体不锈钢TIG焊的焊接工艺评定设计
摘要 焊接过程是特殊过程。焊接结果不容易经济地通过检验和试验完全验证，有些问题在设备使用后才曝露出来造成不应有的损失。在产品施焊前就需要确认焊接工艺能否保证焊接接头的使用性能。
焊接工艺评定又是制造安装单位的技术资源和技术储备，是焊接技术和焊接质量控制水平和能力的标志，也是获得优良焊接质量的保证。通过焊接工艺评定的研究能更好的了解焊接技术和焊接工艺的特性，掌握焊接工程的内在规律。
关键词 焊接工艺评定 一般过程 指导书 评定报告 检测 焊缝
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引 言
在现代生产中，随着社会的进步、生产力的发展对焊接产品的要求越来越高，不锈钢以其耐腐蚀，耐酸等良好的性能得到广泛应用 奥氏体不锈钢是应用最广泛的不锈钢，以Gr-Ni型不锈钢最为普遍。目前奥氏体不锈钢大致分为Gr18-Ni8型、Gr25-Ni20型、Gr25-Ni35型。还有广泛开发应用的超级奥氏体不锈钢。本文以1Gr18Ni9Ti钢为例做焊接工艺评定。
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第一章 焊接工艺评定基本原理
1.1 焊接工艺评定的目的
焊接工艺评定的目的是验证施焊单位拟定的焊接工艺的正确性，并评定施焊单位能力。
1.2焊接工艺评定的一般程序
焊接工艺评定的一般过程是：在产品施焊之前，根据材料的焊接性能，结合产品的制造工艺拟定焊接工艺指导书，遵照焊接工艺评定标准施焊试件、制取式样，检查试件和式样，测定焊接接头是否具有所要求的使用性能，提出焊接工艺评定报告，对拟定的焊接工艺指导书进行评定作出结论。
根据评定合格的焊接工艺指导书，可以编制出在它覆盖范围内若干焊接工艺规程，规范生产单位的制造安装焊接工作。若评定不合格，则应分析不合格原因，修订焊接工艺指导书，重新评定。
1.3 焊接性能是焊接工艺评定基础
1.3.1 焊接性能试验目的、作用和方法
焊接性能是金属材料对焊接加工的适应性。即材料在限定的施工条件下焊接符合设计要求的构建，并满足预定服役要求的能力。
焊接性能受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。 焊接性能试验包括焊接工艺性能试验和焊接接头使用性能试验。焊接工艺性能试验主要指焊接裂纹敏感性试验、焊接气孔敏感性试验；焊接接头使用性能包括力学性能、耐腐蚀性能、抗疲劳性能、抗脆断性能。
通过焊接性能试验可以了解焊接方法、焊接工艺对金属材料的适应性；了解焊接材料的匹配性；可以合理地选择焊接工艺参数。
焊接裂纹敏感性试验可分为间接法和直接法两大类。
做焊接性能试验时要根据金属材料的特点，要有针对性。奥氏体不锈钢从凝固到冷却至室温都保持奥氏体组织，不发生马氏体转变，没有冷裂纹倾向。对奥氏体不锈钢不做热影响区最高硬度试验或Y形坡口焊接裂纹试验。
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第二章 奥氏体不锈钢TIG焊的焊接工艺评定理论基础
2.1对接焊缝、角焊缝的焊接工艺评定
2.1.1 评定对接焊缝工艺时，采用对接焊缝试件。对接焊缝试件评定合格的焊接工艺亦适用于角焊缝。试件形式示意图1。
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图1 焊接工艺评定试件形式
2.1.2 管与板角焊缝试件评定合格的焊接工艺适用于板材的角焊缝，反之亦可。
板材对接焊缝试件评定合格的焊接工艺适用于管材的对接焊缝，反之亦可。
2.1.3焊接工艺因素
焊接工艺评定因素分为重要因素、补加因素和次要因素
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重要因素是指影响焊接接头力学性能（冲击韧性除外）的焊接工艺因素。 补加因素是指影响焊接接头冲击韧性的焊接工艺因素。当规定进行冲击试验时，需增加补加因素。
次要因素是指对要求测定的力学性能无明显影响的焊接工艺因素。
表1 奥氏体不锈钢TIG焊的焊接工艺评定因素 因素种类 重要因素 补加因素 焊接工艺评定因素的主要内容 药芯焊丝牌号(只考虑类别代号后头两位数字)、焊丝钢号、增加或取消填充金属、实心焊丝改为药芯焊丝或相反、预热温度比已评定合格值低50℃以上、保护气体种类、混合保护气体配比、 从已评定合格的焊接位置改变为向上立焊、电流种类和极性、增加线能量 坡口形式、在同组别号内选择不同钢号做电板、坡口根部间隙、增加钢垫板、填充金属横截面积、焊接位置、改变尾部保护气体、保护气体流量、电流种类和极性、电流值和电压值、乌极的直径和种类、不摆动或摆动焊、乌极间距、喷嘴尺寸 次要因素 2.1.4. 评定规则
2.1.4.1 焊接方法
改变焊接方法，需要重新评定焊接工艺 。
2.1.4.2 各种焊接方法的焊接工艺评定重要因素、补加因素和次要因素 1）当变更任何一个重要因素时都需要重新评定焊接工艺。
2）当增加或变更任何一个补加因素时，则可按增加或变更的补加因素增焊冲击韧性试件进行试验。
3）当变更次要因素时不需要重新评定焊接工艺，但需要重新编制焊接工艺指导书。
2.1.4.3 当同一条焊缝使用两种或两种以上焊接方法或重要因素、补加因素不同的焊接工艺时，可按每种焊接方法或焊接工艺分别进行评定；亦可使用两种或两种以上焊接方法、焊接工艺试件，进行组合评定。
组合评定合格后用于焊件时，可以采用其中一种或几种焊接方法、焊接工艺，但应保证其重要因素、补加因素不变，按相关条款确定每种焊接方法或焊接工艺适用于焊件厚度的有效范围。
2.1.5热处理
改变焊后热处理类别，需重新评定焊接工艺。
除气焊外，当规定进行冲击试验时，焊后热处理的保温温度范围或保温时间范围改变后要重新评定焊接工艺。试件的焊后热处理应与焊件在制造过程中的焊后热处理基本相同，低于下转变温度进行焊后热处理时，试件保温时间不得少于焊件在制造过程中累计保温时间的80%。
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奥氏体钢的使用温度高于或等于－196℃时，可免做冲击试验，一般不热处理。
2.1.6试件厚度和焊件厚度
评定合格的对接焊缝试件的焊接工艺适用于焊件厚度的有效范围：
表2 试件焊缝金属厚度与焊件焊缝金属厚度规定 mm
表3 试件厚度与焊件厚度规定 mm
1）
对接焊缝试件评定合格的焊接工艺用于角焊缝焊件时，焊件厚度的有效范围不限。
2）
组合评定合格后，当作单一焊接方法（或焊接工艺）分别评定来确定适用于焊件母材的厚度有效范围。
3）
本次设计使用的奥氏体母材厚度为 1.5≤T≤10
2.1.7.试件制备
母材、焊接材料、坡口和试件的焊接必须符合焊接工艺规程的要求。
试件的数量和尺寸应满足制备试样的要求，试样也可以直接在焊件上切取。
对接焊缝试件尺寸：试件厚度应充分考虑适用于焊件厚度的有效范围。
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角焊缝试件尺寸见表4和图2、图3。
表4 板材角焊缝试件尺寸 mm
图2 板材角焊缝试件及试样
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图3 管材角焊缝试件
2.1.8 对接焊缝试件和试样的检验
2.1.8.1 试件检验项目：外观检查、无损检测、力学性能试验。
外观检查和按 JB4730 进行无损检测结果不得有裂纹。
2.1.8.2 力学性能试验项目包括拉伸试验、夏比 V 型缺口冲击试验（当规定时）和弯曲试验。
a) 力学性能试验项目和取样数量应符合表 5 的规定。
b) 当试件采用两种或两种以上焊接方法（或焊接工艺）时：
拉伸试样和弯曲试样的受拉面应包括每一种焊接方法（或焊接工艺）的
焊缝金属和热影响区；
当规定做冲击试验时，对每一种焊接方法（或焊接工艺）的焊缝区和热
影响区都要做冲击试验。
表 5 力学性能和弯曲性能试验项目和取样数量
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2.1.8.3 力学性能试验的取样要求：
a) 取样时，一般采用冷加工方法，当采用热加工方法取样时，则应去除热影响区。
b) 试件允许避开缺陷制取试样，取样位置按规定。 c) 试样去除焊缝余高前允许对试样进行冷校平。 d) 板状对接焊缝试件上试样取样位置见图 4。
图4 板材对接焊缝试件上试样位置图
2.1.8.4 拉伸试验
2.1.8.4.1 取样和加工要求
a) 试样的焊缝余高应以机械方法去除，使之与母材齐平。试样厚度应等于或接近试件母材厚度 T。
b) 厚度小于或等于 30mm 的试件，采用全厚度试样进行试验。
c) 当试验机受能力限制不能进行全厚度的拉伸试验时，则可将试件在厚度方向上均匀分层取样，等分后制取试样厚度应接近试验机所能试验的最大厚度。等分后的两片或多片试样试验代替一个全厚度试样的试验。 2.1.8.4.2 试样形式
紧凑型板接头带肩板形试样（见图 5）适用于所有厚度板状的对接焊缝试件。
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图5 紧凑型板接头带肩板形拉伸试样
2.1.8.4.3合格指标
试样的抗拉强度应不低于母材标准规定值的下限值。
2.1.8.5 弯曲试验
2.1.8.5.1 试样加工要求
试样的焊缝余高应采用机械方法去除，面弯、背弯试样的拉伸表面应加工齐平，试样受拉伸表面不得有划痕和损伤。 2.1.8.5.2 试样形式 a) 横向侧弯试样见图6。
图6 横向侧弯试样
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b) 面弯和背弯试样见图 7。
试件厚度 T 为 10~38mm ，试样宽度等于试件厚度。
图7 面弯和背弯试样
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2.1.8.5.3 合格指标
试样在弯曲到规定的角度后，其拉伸面上沿任何方向不得有单条长
大于3mm的裂纹和缺陷。试样的棱角开裂一般不记。
2.1.8.6 冲击试验 2.1.8.6.1 试样
a) 试样取向：试样纵轴应垂直于焊缝轴线，缺口轴线垂直于母材表面。 b) 取样位置；在试件厚度上的取样位置见图 8。
c) 缺口位置：焊缝区试样的缺口轴线应位于焊缝中心线上。
热影响区试样的缺口轴线至试样轴线与熔合线交点的距离大于零，且应尽可能多的通过热影响区。
图8 冲击试样位置图
2.1.8.6.2 合格指标
焊接接头每个区 3 个试样为一组的常温的冲击吸收功平均值应符合
图样或相关技术文件规定，且不得小于 27J，至多允许有 1 个试样的冲击吸收功低于规定值，但不低于规定值的 70%。 2.1.8.7 角焊缝试件和试样的检验 检验项目：外观检查，金相检验（宏观）
外观检验不得有裂纹。
金项检验焊缝根部应焊透，焊缝和热影响区不得有裂纹、未熔合；角
焊缝两焊脚之差不宜大于3mm。
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第三章 奥氏体不锈钢TIG焊的焊接工艺评定
焊 接 工 艺 评 定
编号: HP001
评定单位:德州职业技术学院 评定日期: 2010年12月
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焊接工艺评定任务书
任务书编号 产品名称 母 材 牌号 规格 接头型式 板 材 1Gr18Ni9Ti δ8 对接 管 材 HR001 制造编号 焊 材 型号 规格 焊接方法 工艺评定编号 焊 条 TiG焊 无 《钢制产品焊接试板的力学性能检测》 焊缝结构示意图 设计压力 设计温度 工作介质 备 注 要 求 检 验 项 目 外观检查 级别 焊 丝 H0Gr21Ni10Ti φ2;φ2.5;φ2.5 焊接位置 水平对接焊 HP001 焊 剂 预热和焊后热处理要求 评定标准 √ 无损探伤 射线（ ）、超声（ ）、表面（ ） 力 学 及 弯 曲 性 能 试 验 项 目 拉 伸 焊接接头 全焊缝 面弯 弯 曲 背弯 侧弯 冲 击 焊缝 热影响区 试样数量 宏观金相 其他项目 编 制 2 2 2 2 2 √ 微观金相 日 期 审 核 日 期
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焊接工艺评定指导书
任务书编号 产品名称 母材 牌号 规格 分类号 板材 1Gr18Ni9Ti δ8 管材 HR001 垫板 工艺评定编号 制造编号 焊丝牌号、规格 底层 φ2；φ2.5 接头型式 焊接方法 化学成分 焊接位置 φ2 HP001 中间层 φ2.5 对接 TiG焊 水平对接焊 试件规程 清根方法 焊 前 予 热 加 热 方 式 种 类 焊后热处理 温 度 范 围 说明：其他工艺要求执行编制的《通用焊接工艺守则》 特殊要求：
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第1页 共2页 面层 φ2.5 未列入标准的钢材或国外钢材 机械性能 坡口、间隙、焊道分布及顺序示意图 温 度 范 围 保 温 时 间 层 间 温 度 加热方式 冷 却 方 式 测 温 方 法 测 温 方 法 德州职业技术学院毕业设计论文
焊 接 工 艺 参 数 焊层序号 1 2 3 焊焊材道焊丝牌号 规格数mm 量 H0Gr21Ni1 10Ti 1 H0Gr21Ni10Ti φ2 φ2.5 φ2.5 焊 接 电 源 种类 直流 直流 直流 极性 正接 正接 正接 气 体 流 量 L/min 5～8 5～8 6～9 第2页 共2页 线 能 量 KJ/cm 焊 接 电 流 A 电 弧 电 压 V 焊 接 速 度 cm/min 90～100 110～120 100～110 12～16 12～16 12～16 H0Gr21Ni1 10Ti 施焊设备型号 检验项目 外观检查 无损探伤 拉伸试验 弯曲试验 备 注 WS400 执行标准 目测 检验项目 冲击试验（常温、低温） 金相检验 执行标准 JB4744 JB4744 JB4744 试件做断面检查，断面无无气孔、未熔合、未焊透为合格 编制 日期 审核 日期 16
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焊 接 工 艺 评 定 报 告 编号: HP001 评定单位:德州职业技术学院 评定日期： 2010年12月 17
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工艺评定（报告）编号 试 件 编 号 接头型式 母材 牌号 规格 代号 板材 1Gr18Ni9Ti δ8 对接 管材 HP001 HS001 焊接方法 垫板 通用焊接工艺卡编号 相应工艺指导书编号 埋弧自动焊 焊 丝 H0Gr21Ni10Ti 烘干温度 底 层 φ2 恒温时间 HK001 HZ001 第1页 共3页 水平 面层 φ2.5 记录人 日期 焊接位置 中间层 φ2.5 坡口、间隙、焊道分布及顺序示意图 焊条烘干 焊剂 烘干 清根 方法 未列入标准钢材或国外钢材 焊前予热 化学成分 机械性能
温度范围 ℃ 保温时间 h 层间温度 ℃ 测温方法 加 热 方 式 焊后热处理 种类 温度范围 ℃ 报告编号： 加热方式 冷 却 方 式 测 温 方 法 18
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焊 接 工 艺 参 数 焊层序号 1 2 3 焊道数量 1 1 1 焊 接 电 源 种类 直流 直流 直流 极性 正接 正接 正接 焊 接 速 度 cm/min 第2页 共3页 焊丝牌号 焊材规格mm 焊 接 电 流 A 电 弧 电 压 V 气 体 流 量 L/min 5～8 5～8 6～9 线 能 量 KJ/cm H0Gr21Ni10Ti H0Gr21Ni10Ti H0Gr21Ni10Ti φ2 φ2.5 φ2.5 90～100 110～120 100～110 12～16 12～16 12～16 施工技术说明：其他技术要求均应符合《通用焊接工艺守则》 设备型号：WS400 焊工姓名： 环境温度：27 焊工钢印：A 相对湿度：40％ 记录人： 2010 年 12月26日 19
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试件编号：HS001
检 验 项 目 评 定 结 果 检 验 项 目 外观检查：无裂纹、夹渣、弧坑和气孔 检验员： 拍片张数 焊接接头 拉 伸 试 验 面弯 弯曲试验 背弯 评定级别 全焊缝 侧弯 合格 2010.12.27 合格 2010.12.27 第3页 评定结果 报告编号 共3页 日期 合格 2010.12.27 射 线 探 伤 冲击检验 试 试 验 缺口位置 温 度 样 数 焊缝 热影响区 量 合格 2010.12.27 宏 观 金相检验 检查 微 观 合格 2010.12.27 其他检验： 综合评定结论：试验过程符合钢制产品焊接试板的力学性能检测规程 试验结果合格 本评定适用范围: 板与板对接全焊透焊缝 备注 编 制 日 期 审 核 日 期 批 准 日 期
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第四章 结束语
TiG焊接技术在现代焊接领域仍占有不可替代的作用。尤其在低中合金钢，有色金属和一些特殊性能钢的焊接方面，TiG焊接技术的作用更显突出。奥氏体不锈钢是应用最广泛的不锈钢，以Gr-Ni型不锈钢最为普遍。优质的TiG焊能满足奥氏体不锈钢的设计要求，保证正常的使用寿命。而一旦出现严重的焊接缺陷，就会影响常品的使用寿命，甚至给安全生产带来威胁，引起安全事故。为了防止这些缺陷的产生，对TiG焊技术进行更深一步探索。通过对质量差原因的分析，逐步改善和提高奥氏体TiG焊的焊接质量。奥氏体TiG焊的焊接质量受到焊接设备、焊丝、操作技术水平等的限制。通过对这些限制的深入研究找出造成质量差的原因，提出相应措施，解决这些缺陷，使其进一步完善，加以推广，并对奥氏体不锈钢的焊接作业起到一定指导作用。
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参考文献
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[10].劳动和社会保障部教材办公室组织编写. 焊接工艺与技能训练： 中国劳动和社会保障出版社
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致 谢
感谢李海章老师在论文撰写过程中给予的指导和帮助。李海章老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以闻，而且教我做人，虽历时三载，却给以终身受益无穷之道。
感谢机械工程系全体老师对我的培养，向他们表示诚挚的谢意和崇高的敬意。同时也感谢我的同学们三年来对我的学习、生活的关心和帮助。再次感谢校方、老师特别是指导老师给予的帮助。
最后，向我的父亲、母亲致谢，感谢他们对我的养育之恩。
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附录
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