壓力容器設(shè)備中，除廣泛使用碳鋼、低合金鋼及不銹鋼外，有色金屬如鈦及鈦合金、鎳及鎳基合金、銅及銅合金、鋁及鋁合金的應(yīng)用也日益增多。由于這些有色金屬具有不銹鋼所不能比的優(yōu)點(diǎn)，所以在一些特殊的重要場(chǎng)合已占有主導(dǎo)地位。

一、鎳基耐蝕合金的焊接

      鎳及鎳基合金具有特殊的物理、力學(xué)及耐腐蝕性能，鎳基耐蝕合金在200℃ ~ 1090℃范圍內(nèi)能耐各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，同時(shí)具有良好的高溫和低溫力學(xué)性能。在一些苛刻腐蝕條件下是一般不銹鋼無(wú)法取代的優(yōu)良材料。純鎳一般在工業(yè)中應(yīng)用較少，但在鎳中添加入鉻、銅、鐵、鉬、鋁、鈦、鈮、鎢等元素后，通過(guò)固溶強(qiáng)化，不但改善其力學(xué)性能，而且可適應(yīng)于各種腐蝕介質(zhì)下侵蝕，使其具有優(yōu)良的耐腐蝕性。

1. 鎳基耐蝕合金的焊接特點(diǎn)

① 易產(chǎn)生焊接熱裂紋
      由于鎳基合金為單相奧氏體組織，所以與不銹鋼相比，具有高的焊接熱裂紋敏感性，特別是焊縫易產(chǎn)生多邊化晶間裂紋。這種裂紋一般為微裂紋，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行著色檢查時(shí)，短時(shí)間都發(fā)現(xiàn)不了，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才顯露出來(lái)。這說(shuō)明裂紋非常微細(xì)，但有時(shí)也能發(fā)展為較寬的宏觀(guān)裂紋。如果在單相奧氏體焊縫中加人固溶強(qiáng)化的鉬、鎢、錳、鉻、鈮等元素，就可有效地抑制鎳基合金焊縫多邊化結(jié)晶的發(fā)展，從而顯著提高抗熱裂紋能力。限制線(xiàn)能量，避免采用大線(xiàn)能量焊接也有利于防止熱裂紋的產(chǎn)生。此時(shí)注意，如果線(xiàn)能量過(guò)小，會(huì)加速焊縫的凝固結(jié)晶速度，更易形成多邊化晶界，在一定應(yīng)力下有助于多邊化裂紋的產(chǎn)生。

② 液態(tài)金屬流動(dòng)性差，焊縫熔深淺
      這是鎳基合金的固有特性。靠加大焊接電流不是解決此問(wèn)題的辦法，因?yàn)殡娏髟黾訒?huì)引起裂紋和氣孔，降低接頭的耐蝕性能，所以為了獲得良好的焊縫成形，應(yīng)采用小擺動(dòng)工藝，另外要加大坡口角度，減小坡口鈍邊。

2. 鎳基耐蝕合金的焊接要點(diǎn)

      鎳基合金一般可采用與奧氏體不銹鋼相同的焊接方法進(jìn)行焊接。這里就最常用的鎢極氣體保護(hù)焊和焊條電弧焊進(jìn)行論述。無(wú)論是何種焊接方法，焊前一定要徹底清理焊接區(qū)表面，鎳基合金對(duì)污染物的危害極為敏感，母材應(yīng)盡可能在固溶狀態(tài)下焊接。
       ① 鎢極氣體保護(hù)焊是應(yīng)用最廣泛的，幾乎適合于任何一種可熔焊的鎳基合金，特別適合于薄件和小截面構(gòu)件。保護(hù)氣體最常用的是氬氣，它成本低，密度大，保護(hù)效果好。氬氣中加5％氫氣，有還原作用，一般只用于第一層焊道和單道焊，多層焊的其余焊道可能要產(chǎn)生氣孔。氦氣保護(hù)焊應(yīng)用較少，但有如下特點(diǎn)，氦氣導(dǎo)熱大，向熔池線(xiàn)能量比較大，能提高焊接速度，減少了氣孔的可能性，但氦弧焊，電流小于60A時(shí)，電弧不穩(wěn)定。
      鎢極氣體保護(hù)焊焊一般使用直流正接，采用高頻引弧以及電流衰減的收弧技術(shù)。在保證焊透的條件下，應(yīng)采用較小的焊接線(xiàn)能量，多層焊時(shí)應(yīng)控制層間溫度，焊接析出強(qiáng)化合金及熱裂紋敏感性大的合金時(shí)，更要注意控制層間溫度?；￠L(zhǎng)盡量短，薄件焊接時(shí)焊槍可不作擺動(dòng)，但厚板多層焊時(shí)，為使熔敷金屬與母材及前道焊縫充分熔合，焊槍仍可適當(dāng)?shù)臄[動(dòng)。為保證單面焊完全焊透需要用帶凹形槽的銅襯墊，通以保護(hù)氣體進(jìn)行反面保護(hù)。為加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)效果，也可在焊嘴后側(cè)加一輔助輸入保護(hù)氣體的拖罩。
      ② 使用焊條電弧焊時(shí)焊接鎳基合金時(shí)，由于焊條含合金元素多，且要求防止熱裂紋，一般鎳基合金焊條的藥皮類(lèi)型為堿性藥皮，采用直流反接。為了防止合金元素的燒損和控制線(xiàn)能量，焊接時(shí)要求盡可能采用小規(guī)范，與同規(guī)格的不銹鋼焊條相比，電流可降低20％ ~ 30％。由于液態(tài)金屬的流動(dòng)性差，為防止未熔合和氣孔等缺陷，一般要求在焊接過(guò)程中適當(dāng)擺動(dòng)，但不能過(guò)大。在焊縫接口再引弧時(shí)，應(yīng)采用反向引弧技術(shù)，以利調(diào)整接口處焊縫平滑并且能有利于抑制氣孔的發(fā)生。采用逆向收弧，把弧坑填滿(mǎn)，防止弧坑裂紋，必要時(shí)要對(duì)弧坑進(jìn)行打磨。

二、鈦及鈦合金的焊接

      鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性能，在氧化性、中性及有氯離子介質(zhì)中，其耐腐蝕性?xún)?yōu)于不銹鋼，有時(shí)甚至為普通奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的10倍。工業(yè)純鈦塑性好，但強(qiáng)度較低，具有良好的低溫性能，其線(xiàn)膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率都不大，這都不會(huì)給焊接帶來(lái)困難。鈦合金的比強(qiáng)度大，又具有良好的韌性和焊接性，在航天工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。鈦及鈦合金在我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中按其退火態(tài)的組織分為α鈦合金、β鈦合金和α+β鈦合金三類(lèi)，分別用TA、TB和TC表示。在石化行業(yè)中的壓力容器設(shè)備中，牌號(hào)為T(mén)A2這種工業(yè)純鈦使用為居多。

1. 鈦及鈦合金的焊接特點(diǎn)

       ① 雜質(zhì)元素的沾污引起脆化
      鈦是一種活性元素，特別是在焊接高溫下非常容易吸收氮、氫、氧，從而使焊縫的硬度、強(qiáng)度增加，塑性、韌性降低，引起脆化。碳也會(huì)與鈦形成硬而脆的TiC，易引起裂紋。因此，鈦及鈦合金焊接時(shí)必須進(jìn)行有效的保護(hù)，防止空氣或其他因素的污染。因此鈦及鈦合金焊接不能采用氣焊或焊條電弧焊方法進(jìn)行，否則接頭滿(mǎn)足不了焊接質(zhì)量要求，一般只能采用氬氣保護(hù)或在真空下焊接。

      ② 焊接相變引起的接頭塑性下降
      常用的工業(yè)純鈦為α合金，焊接時(shí)由于鈦導(dǎo)熱差、比熱小、高溫停留時(shí)間長(zhǎng)、冷卻速度慢，易形成粗大結(jié)晶；若采用加速冷卻，又易產(chǎn)生針狀α組織，也會(huì)使塑性下降。

       ③ 產(chǎn)生焊接裂紋
      鈦合金焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接熱裂紋的幾率極小，只有當(dāng)焊絲或母材質(zhì)量不問(wèn)題時(shí)才可能產(chǎn)生熱裂紋。由氫引起的冷裂紋是鈦合金焊接時(shí)應(yīng)注意防止的，焊接時(shí)熔池和低溫區(qū)母材中的氫向熱影響區(qū)擴(kuò)散，引起熱影響區(qū)含氫量增加，造成熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋。

       ④ 氣孔
      鈦及鈦合金焊接時(shí)氣孔是最常見(jiàn)的焊接缺陷。焊絲或母材表面清理不干凈或氬氣不純都會(huì)造成氣孔產(chǎn)生，因此保護(hù)氣-氬氣純度要求在99.99％ 以上，焊絲及工件表面要酸洗、凈水沖洗后烘干。

      2. 鈦及鈦合金的鎢極氬弧焊

      鈦及鈦合金焊接時(shí)采用最多的就是鎢極氬弧焊，對(duì)于較厚的工件也可采用熔化極氬弧焊，對(duì)于技術(shù)要求嚴(yán)格的航天工業(yè)中一些重要設(shè)備經(jīng)常也采用真空電子束焊接。
      ① 焊絲的選用。焊絲的選用應(yīng)使在正常焊接工藝下的焊縫在焊后狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度不低于母材退火狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，焊縫焊后狀態(tài)的塑性和耐蝕性能不低于退火狀態(tài)下的母材或與母材相當(dāng)，焊接性能良好，能滿(mǎn)足鈦容器制造和使用的要求。
      焊絲中的氮、氧、碳、氫、鐵等雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量上限值應(yīng)大大低于母材中雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量上限值。不允許從所焊母材上裁條充當(dāng)焊絲，應(yīng)采用JB/T 4745-2002《鈦制焊接容器》中附錄D中的焊絲用作鈦容器用焊絲。雜質(zhì)元素含量不高于JB/T 4745-2002中附錄D的其他標(biāo)準(zhǔn)的焊絲也可使用。
      一般情況下可按表根據(jù)所焊母材牌號(hào)來(lái)選擇相應(yīng)的焊絲牌號(hào)，并通過(guò)JB/T 4745-2002中附錄B的焊接工藝評(píng)定驗(yàn)證。
不同牌號(hào)的鈦材相焊時(shí)，一般按耐蝕性能較好和強(qiáng)度級(jí)別較低的母材去選擇焊絲材料。
      ② 保護(hù)氣體的選用。焊接用氬氣純度不應(yīng)低于99.99％，露點(diǎn)不應(yīng)高于-50℃，且符合GB 4842-1984的規(guī)定。當(dāng)瓶裝氬氣的壓力低于0.5MPa時(shí)不宜使用。
       ③ 鎢極。鎢極氬弧焊時(shí)推薦采用鈰鎢電極。電極直徑應(yīng)根據(jù)焊接電流大小選擇，電極端部應(yīng)為圓錐形。
      鈦及鈦合金氬弧焊時(shí)，最關(guān)鍵的是要將焊接高溫區(qū)與空氣隔離開(kāi)，為了有效地進(jìn)行保護(hù)，焊炬噴嘴、拖罩和背面保護(hù)裝置通以適量流量的氬氣是極其重要的。焊縫及近縫區(qū)顏色是衡量保護(hù)效果的標(biāo)志，銀白色、淺黃色表示保護(hù)效果好，深黃色為輕微氧化，一般情況下還是允許的，金紫色表示中度氧化，深藍(lán)色表示嚴(yán)重氧化，至于灰白色是絕對(duì)不允許的，表示焊縫已經(jīng)變質(zhì)，必須報(bào)廢重焊。

三、鋁及鋁合金的焊接

      壓力容器中常用純鋁、鋁-錳合金和鋁-鎂合金。鋁錳合金僅可變形強(qiáng)化，其強(qiáng)度比純鋁略高，成形工藝及耐蝕性、焊接性好。鋁鎂合金僅可變形強(qiáng)化，其ω(Mg)一般為0.5 ％ ~ 7.0 ％ ，與其他鋁合金相比，鋁鎂合金具有中等強(qiáng)度，其延性、焊接性能、耐蝕性良好。
      鋁在空氣和氧化性水溶液介質(zhì)中，表面產(chǎn)生致密的氧化鋁鈍化膜，因而在氧化性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性。鋁在低溫下與鐵素體鋼不同，不存在脆性轉(zhuǎn)變，鋁容器的設(shè)計(jì)溫度可達(dá)-269℃。

1. 鋁及鋁合金焊接特點(diǎn)

      鋁極易氧化，在常溫空氣中即生成致密的A12O3薄膜，焊接時(shí)造成夾渣，氧化鋁膜還會(huì)吸附水分，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔。焊接時(shí)，對(duì)熔化金屬和高溫金屬應(yīng)進(jìn)行有效的保護(hù)。
      鋁的線(xiàn)膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，鋁凝固時(shí)的體積收縮率也比鋼大得多，鋁焊接時(shí)熔池容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。
      鋁及鋁合金液體熔池易吸收氫等氣體，當(dāng)焊后冷卻凝固過(guò)程中來(lái)不及析出，在焊縫中形成氣孔。
      當(dāng)母材為變形強(qiáng)化或固溶時(shí)效強(qiáng)化時(shí)，焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度將下降。

2. 焊接方法

      鋁及鋁合金適用的方法很多，壓力容器上施焊時(shí)，經(jīng)常采用鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊，這兩種焊接方法熱量比較集中，電弧燃燒穩(wěn)定，由于采用隋性氣體，保護(hù)良好，容易控制雜質(zhì)和水分來(lái)源，減少熱裂紋和氣孔的發(fā)生，焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良，鎢極氬弧焊一般用于薄板，熔化極氣體保護(hù)焊用于厚板。

3. 焊絲材料

     選用的焊絲應(yīng)使焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度不低于母材(非熱處理強(qiáng)化鋁為退火狀態(tài)，熱處理強(qiáng)化鋁為指定值)的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值或指定值，并使焊縫金屬的塑性和耐蝕性不低于或接近于母材，或滿(mǎn)足圖樣要求。
      為保證焊縫的耐蝕性，在焊接純鋁時(shí)宜用純度與母材相近或純度比母材稍高的焊絲。在焊接鋁鎂合金或鋁錳合金等耐蝕鋁合金時(shí)，宜采用含鎂量或含錳量與母材相近或比母材稍高的焊絲。
      焊絲可從GB/T 10858-1989《鋁及鋁合金焊絲》中選取，也可從化學(xué)成分與變形鋁及鋁合金相同(符合GB/T 3190-1996《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》)的絲材中選取，如按(GB/T 3197-2001《焊條用鋁合金線(xiàn)》。
常用的保護(hù)氣體有氬氣和氮?dú)猓錃怏w純度應(yīng)大于99.9％。
      由于鈰鎢極化學(xué)穩(wěn)定性好，陰極斑點(diǎn)小，壓降低，燒損少，易于引弧，電弧穩(wěn)定性好。宜選用鈰鎢極。

三、銅及銅合金的焊接

      常用的銅及銅合金有四種：純銅，黃銅，青銅和白銅。在壓力容器中純銅與黃銅使用較多。
      純銅是ω(Cu)不低于99.5％ 的工業(yè)純銅，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，良好的常溫和低溫塑性，以及對(duì)海水等的耐腐蝕性，純銅中的雜志如氧、硫、鉍等都不同程度地降低純銅的優(yōu)良性能，增加材料的冷脆性和接頭中出現(xiàn)熱裂紋的傾向。黃銅系銅和鋅組成的二元合金，黃銅與純銅強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕能力都高，且具有一定塑性，能很好承受熱加工和冷加工，ω(Zn)在< 30％ ~ 40％ 的黃銅具有α相與少量的β相，因而提高了強(qiáng)度、塑性、耐蝕性、但對(duì)焊接性不利。

1. 銅及銅合金焊接特點(diǎn)

      銅及銅合金導(dǎo)熱率高，線(xiàn)脹系數(shù)和收縮率大，當(dāng)焊接線(xiàn)能量不足時(shí)，則容易產(chǎn)生未熔合、未焊透，焊后變形也較嚴(yán)重，外觀(guān)成形差。焊接時(shí)，銅能與其中雜質(zhì)生成多種低熔點(diǎn)共晶，在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生熱裂紋，雜質(zhì)中以氧的危害性最大。
      熔焊銅及銅合金時(shí)，由于溶解的氫和氧化還原反應(yīng)引起氣孔，幾乎分布在焊縫的各個(gè)部位。同時(shí)，由于晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，雜質(zhì)和合金元素的摻人，有用合金元素的氧化、蒸發(fā)，使焊接接頭性能發(fā)生很大的變化。

2. 焊接方法

      焊接銅及銅合金需要大功率、高能束的熔焊熱源，熱效率越高，能量越集中愈有利，不同厚度的材料對(duì)于不同焊接方法有其適應(yīng)性，薄板焊接以鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和氣焊為好，中板以熔化極氣體保護(hù)焊和電子束焊較合適，厚板則建議使用埋弧焊、MIG焊和電渣焊。

3. 焊接材料

      ① 焊條
      焊條電弧焊用焊條分為純銅、青銅兩類(lèi)，由于黃銅中的鋅容易蒸發(fā)，因而極少采用焊條電弧焊。純銅焊條型號(hào)ECu為低氫型藥皮，用于焊接脫氧或無(wú)氧銅結(jié)構(gòu)件，在大氣及海水中具有良好的耐腐蝕性。

      ② 埋弧焊用焊絲與焊劑
      埋弧焊的特點(diǎn)是電熱效率高，對(duì)熔池的保護(hù)效果好。大、中厚度銅焊件的焊接工藝與鋼基本相同，可選用高硅高錳焊劑HJ431，但可能發(fā)生合金元素向焊縫過(guò)渡，對(duì)接頭性能要求高的焊件宜選用HJ260、HJ150。焊絲則選用純銅焊絲、青銅焊絲、焊接純銅和黃銅。

      ③ 氣體保護(hù)焊用焊絲
      銅薄板和中板焊接，使用氣保焊逐漸取代氣焊、焊條電弧焊，電極一般采用釷鎢極(EWTh-2)。焊接純銅，一般選用含有ω(Si) 0.5％，ω(P) 0.15％或ω(Ti) 0.3％ ~ 0.5％脫氧劑的無(wú)氧銅焊絲，如HSCu。焊接普通黃銅，采用無(wú)氧銅加脫氧劑的錫青銅焊絲，如HSCuSn。對(duì)高強(qiáng)度黃銅則采用青銅加脫氧劑的硅青銅焊絲或鋁青銅焊絲，如：HSCuAl、HSCuSi等。 
      保護(hù)氣體則選用氬氣(Ar)或Ar+He(Ar+He混合比50/50或30/70)，采用Ar+He混合氣體的最大優(yōu)點(diǎn)是可以改善焊縫金屬的潤(rùn)濕性，提高焊接質(zhì)量。由于氦氣保護(hù)時(shí)輸入熱量比氬氣保護(hù)時(shí)大，故可降低預(yù)熱溫度。

4. 焊接工藝

       ① 焊前要預(yù)熱或在焊接過(guò)程中采取同步加熱的措施。
       ② 嚴(yán)格限制銅中的雜質(zhì)含量，通過(guò)焊絲加人硅、錳、磷等合金元素，增加對(duì)焊縫的脫氧能力，選用能獲得α+β組織的焊絲等措施防止焊接接頭裂紋與減少氣孔。
       ③ 控制焊后冷卻速度，防止焊接變形。