中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002
摘要：特种设备生产中最重要的一个任务就是金属构件的连接，而金属构件的连接一般可区分为通过销钉、螺钉和热压配合的可拆连接和通过焊接、铆接、钎焊及粘结的不可拆连接。特种设备生产过程中焊接的质量对于产品的质量和使用安全性能具有重大的影响，因此为了提高特种设备焊接过程中焊接的质量，规范焊接操作人员的作业行为，发布并执行了特种设备焊接操作人员考核细则。
关键词：焊接；考核细则；问题
1 引言
现在常用的特种设备焊接方法主要分为熔化焊和压焊；按照特种设备焊接作业分为结构焊和承压焊。主要的焊接方法包括熔化极气体保护焊、埋弧焊、焊条电弧焊、钨极气体保护焊、电渣焊、等离子弧焊、摩擦焊等。但是在细则执行过程中，发现细则部分条文规定存在一定的分歧，另外制造单位在细则执行过程中有部分条文执行不到位，本文将对此类问题进行分析讨论。
2 金属材料类别覆盖问题讨论
2.1 钢号分类与覆盖要求
考核细则中A4.3.2.1.1中规定焊工采用某类别任一钢号，经过焊接操作技能考试合格后，手工焊焊工可焊接该类别钢号与类别号较低钢号所组成的异种钢号焊接接头。细则中规定的钢号共分为四种，类别号由低到高分别为：FeⅠ的低碳钢、FeⅡ的低合金钢、FeⅢ的Cr≥5%铬钼钢、铁素体钢、马氏体钢和FeⅣ的奥氏体钢、奥氏体与铁素体双相钢。其中奥氏体钢、铁素体钢与马氏体钢均为不锈钢，但其使用温度及使用环境各不相同。其中FeⅠ-FeⅢ的材料性能较一致，都具有磁性，FeⅣ材料为奥氏体不锈钢，性能较前三类相差较大且不具有磁性。
2.2 FeⅠ-FeⅢ材料焊接缺陷分析
根据细则的规定，高类别的焊工焊接操作考试合格后具备该高类别与比其类别低的异种钢号焊接接头的焊接能力。例如对于FeⅢ对接焊缝考试合格后可以进行FeⅢ-FeⅡ、FeⅢ-FeⅠ的异种钢接头焊接，该类材料的性能相同，晶体结构形式相同，焊接过程中产生的缺陷类型相似，为冷裂纹、未焊透、气孔、未熔合。冷裂纹主要受拘束应力、淬硬组织、扩散氢的影响，在低于200℃的情况下产生，它是焊接生产中最为常见的裂纹。产生的原因为结晶过程中氢含量过高，无法完全逸出，集中在焊接接头中；母材在冷却速度较快的情况下，淬硬趋势增大，形成的组织结构为脆、硬的马氏体，焊接过程中构件受到不均匀的加热，因此在冷却时产生了较大的拉应力，且温度越低，拉应力越大。在三者的共同作用下产生了冷裂纹。
在微观方面，扩散氢在细晶区、粗晶区与熔合区交界处，随时间变化呈现正态、对数正态和负指数三种形态曲线。温度越高，氢的溶解度越大，随着焊后温度的逐渐降低，氢在钢材中的可溶性慢慢降低，在焊缝金属中聚集、扩散、逸出。氢在金属中的扩散速度也随着温度的降低而降低，而且氢在不同的金属或同一种金属不同的组织结构中具有不同的扩散性能。因此类似FeⅠ-FeⅢ体心立方晶体的材料，其氢的扩散速度快，溶解度较小，因此该类别金属在焊接过程中易产生冷裂纹。焊接低合金钢时，冷裂纹是经常出现的，接头局部的塑性不足以承受当时发生的应变，为了避免冷裂纹的产生需要严格控制冷裂纹形成的三要素，即降低扩散氢的含量，避免马氏体等淬硬组织的出现，避免强制对口降低焊接接头所受的拘束力。
2.3 FeⅣ材料焊接缺陷分析
根据细则规定对于FeⅣ对接焊缝考试合格后可以进行FeⅣ-FeⅢ、FeⅣ-FeⅡ、FeⅣ-FeⅠ的异种钢接头焊接。FeⅣ的物理、力学性能与FeⅠ-FeⅢ具有较大的不同，FeⅣ的晶体结构形式为面心立方晶格，而FeⅠ-FeⅢ的晶格形式为体心或者密排六方晶格形式。FeⅣ焊接过程中形成的缺陷为热裂纹、气孔、未熔合、未焊透及晶间腐蚀；其与其余的材料具有不同的缺陷形式，即热裂纹倾向及晶间腐蚀。
对于以奥氏体不锈钢为代表的FeⅣ材料而言，其难以形成冷裂纹。主要原因为面心立方晶体的间隙位置体积比体心立方和密排六方大，因此氢在面心立方晶体中的溶解度要比在体心立方和密排六方晶体中的大，所以氢在奥氏体中的溶解度要比在铁素体中大，与之相反的氢在铁素体中的扩散速度要比在奥氏体中大。同样面心立方晶体的延展性和拉伸率比密排六方和体心立方晶体大；奥氏体不锈钢的塑性比铁素体钢要大。研究表明奥氏体含量对韧性和塑性影响显著，随着奥氏体含量的增加，其韧性及塑性迅速提高。因此不具备形成冷裂纹的三大要素中的淬硬组织及扩散氢。因此奥氏体不锈钢焊接过程中不会产生冷裂纹，即FeⅣ不会生成冷裂纹缺陷。
奥氏体不锈钢焊接过程中容易产生热裂纹，产生热裂纹的主要因素包括两个方面，即化学成分和力学因素。材料的合金化程度越高越容易产生热裂纹。奥氏体不锈钢焊缝成型时，固、液相线的区间较大，结晶时间过长，且奥氏体结晶的枝晶的方向性强，所以产生了严重的成分偏析现象，并且在晶界聚集的共晶化合物熔点较低。在一次结晶时以液态薄膜的形式存在于奥氏体柱状晶粒之间，使晶粒之间的联系降低，在热胀冷缩拉应力的作用下，这些比晶粒脆弱的液态薄膜承受不了这种拉应力，就在晶粒边界处分裂形成结晶裂纹，这就是热裂纹。热裂纹力学方面的因素焊接结晶裂纹普遍具有沿晶开裂的特性，即在高温状态下金属晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的的材料的塑性应变量，此为热裂纹产生的原因。
避免产生热裂纹的对策，化学成分控制方面，降低焊缝中有害杂质的含量，即低C、低S、低P，合理地选择焊接材料的成分，改善晶体的组织结构形态；工艺方面，焊接工艺参数选用得当，选用的夹具及焊接顺序应能降低焊接接头受力状况，避免接头的强制组对。综上所述热裂纹形成于液态金属结晶的过程中，属于一次结晶过程，而冷裂纹形成于结晶完成以后，在200℃以下温度情况中产生。
晶间腐蚀是奥氏体不锈钢焊接过程中经常产生的另一种缺陷，晶间腐蚀在奥氏体不锈钢使用过程中经常发生，突发性、随机性和隐蔽性是奥氏体不锈钢晶间腐蚀发生的特点，金属发生晶间腐蚀会导致晶粒间的结合力大大减弱直至完全丧失结合能力。在不锈钢晶间腐蚀敏感性贫化理论分析中Cr23C6的贫化理论最为经典，其在晶界及邻近区域的沉积和分布导致在晶粒和晶界之间形成活化-钝化腐蚀微电偶，且该微电偶具有大阴极-小阳极的面积比，导致奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀。
2.4 FeⅣ与FeⅠ-FeⅢ覆盖范围分析
FeⅣ在焊接过程形成的缺陷为热裂纹与晶间腐蚀，而FeⅠ-FeⅢ在焊接过程中生成的缺陷为冷裂纹。热裂纹与冷裂纹形成的机理是完全不同的。且为了降低FeⅣ材料的晶间腐蚀倾向，应尽量采用低碳的焊接材料，但考核细则中A4.3.2.1.1中规FeⅣ定对接焊缝考试合格后可以进行FeⅣ-FeⅢ、FeⅣ-FeⅡ、FeⅣ-FeⅠ的异种钢接头焊接。FeⅠ-FeⅢ中碳的含量较高，在焊接过程中增加了晶间腐蚀的倾向。综上所述，此条阐述的覆盖包括FeⅣ是值得商榷的。
3 结语
本文针对特种设备焊接操作人员考核细则中的条款：焊工采用某类别任一钢号，经过焊接操作技能考试合格后，手工焊焊工可焊接该类别钢号与类别号较低钢号所组成的异种钢号焊接接头。通过分析FeⅣ与FeⅠ-FeⅢ形成裂纹形式的不同及FeⅣ的晶间腐蚀现象，得出因材料缺陷不同FeⅣ不宜用于此条款。
参考文献：
[1]TSG Z6002-2010特种设备焊接操作人员考核细则[S].
[2]岑永权.不锈钢的分类、开发和展望[J].浙江冶金，2018（2）：10-11.
[3]刘建波.浅谈低碳钢管道焊接缺陷产生的原因及措施[J].冶金与材料，2018，38（6）：143-144.
[4]张智，杜则裕，秦伯雄.低合金钢焊接接头扩散氢的局部聚集规律[J].天津大学学报，1997，30（2）：205-210.