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绪论
波纹管是一个带横向波纹圆柱形薄壁弹性壳体,是机械密封焊接金属波纹管关键零件,焊接金属型机械密封由动环,静环,波纹管,弹簧,辅助密封圈,波纹管座,止转螺钉所组成以下图1所表示.
图1
伴随科技进步,高科技波纹管机械密封产品得到研制和开发。波纹管机械密封采取新型结构及密封材料,密封效果良好,比传统旋转式密封有更突出特点,在油气生产设备上得到了广泛应用。

第一章 波纹管作用和生产
1.1 波纹管机械密封优点
波纹管机械密封原理和旋转式机械密封原理基础相同,称为端面密封,所不一样是,波纹管机械密封比旋转式密封有更突出优点,表现为:①结构简单,安装方便,适应性强,静止环含有浮动性;②浮环结构设计,消除镶装环多种应力;③旋转环易于更换、修复;④结构紧凑,适适用于螺杆泵轴向较小场所;⑤旋转环、静止环法兰连接、动泄漏点少。
应用中有以下特点:①密封可靠,在较长时间使用中不会泄漏;②使用寿命长,静环和动环高耐磨材料和一定比压,它比旋转式密封多用六个月;③摩擦功率损失小;④适用范围广,能用于低温、高温、高压、多种转速及多种耐腐蚀、易燃、易爆、有毒介质密封;⑤弹簧强度大,抗震能力强,稳定性好。波纹管弹簧和旋转式弹簧优缺点比较见下表1。
表1 波纹管弹簧和旋转式弹簧优缺点比较
影响原因
波纹管弹簧
旋转式弹簧
比压均匀性
端面上弹簧比压均匀
端面上弹簧比压不均匀
摩擦副
摩擦接触面积大，对中性好
摩擦接触面积小，对中性好
调整弹簧力
弹簧力调整范围大，有利于调整弹簧力
弹簧力调整范围小，不利于调整弹簧力
结构尺寸
结构紧凑，尺寸小
结构尺寸大
性能
加工精密，性能好
加工精密低，性能差

1.2 机械密封选择及常见材料
波纹管机械密封种类型号较多,按有没有轴套分为集装式机械密封和非集装式机械密封两种,按密封结构型式分为两种:一个是动环采取波纹管组件;一个是静环采取波纹管组件。通常选择方法为:①依据输送介质性质和操作条件选择机械密封;②依据泵规格型号来选择机械密封;③依据端面比压和端面相对运动速度来选择机械密封。
就材料而言,波纹管用镍铬不锈钢、镍铬钼合金、高镍合金钢,含有硬度高、强度高、耐磨性能高、耐腐蚀、耐高温、热膨胀系数小等优点。摩擦环用浸渍树脂石墨、浸渍金属石墨、钨化硅、碳化硅、硬质合金等,它们导热性能好,自润滑性能好在硫酸、盐酸、碱中耐腐蚀。密封圈采取O型橡胶密封圈,含有良好弹性和密封性,而且含有不粘性,不溶解,不老化,耐高温和耐低温等性能。材质关键有丁腈橡胶、氟橡胶等。
1.3 机械密封使用
在喇二压气站浅冷装置油气生产设备上,大量使用波纹管机械密封,只有正确使用和操作,才能确保机械密封正常运行和延长使用寿命。
(1)开启前,应全方面检验机械密封是否有泄漏现象。若泄漏较多,应查出原因设法消除,或拆卸检验并重新安装。按泵旋向盘车,检验是否轻快均匀。
(2)开启前,应保持密封腔充满液体,必需盘车,预防忽然开启而造成密封损坏。
(3)泵在运转中,泵压力应平稳,应避免发生抽闲现象。
现在,开发研制和使用DBM-40A-1、DBM-35B-1等20多个波纹管机械密封,密封良好,寿命长,得到了广泛应用,并取得了显著效果。
1.4 波纹管生产
波纹管作为一个密封元件,它形状是有很多个.就波形状而言,以U型波纹管应用最为广泛,其次还有V型、和S型等;就层数而言,则分为单层和多层波纹管;伴随近代工程快速发展,流体处理机械使用范围不停夸大.用于密封机械装置,或作为真空管路膨胀节,在真空、半导体、石化、仪器、医疗、航空和军事等方面全部有广泛用途.
焊接金属波纹管承受由轴向,振动而传输交变载荷作用.其直接效果是波纹管伸长缩短.这么在中段波峰、波谷处截面将承受较大反复拉—压应力作用,文件表明波纹管失效形式疲惫破坏,膜片撕裂.提升波纹管疲惫强度,提升波纹管弹性是现在存在问题.同时确保可靠密封性和延长使用寿命是目前密封研究、设计、制造、使用等方面十分关键问题.
膜片结构对焊接金属波纹管力学性能影响较大.从中国外研制开发型新型膜片结构波纹管来看,要充足提升焊接金属波纹管机械密封密封性能和使用寿命,必需深入改善膜片结构,以制造出性能更为优越波纹管,大幅度提升波纹管力学性能,使其在恶劣环境下含有良好耐高温,耐疲惫性能.在满足设计要求条件下,合理选择管形及其参数,不仅能够节省大量原材料,降低制造过程中能源消耗,还能够降低制造工装成本(如较为简练管形能够节省模具等工装费用).

图2 波纹管膜片分类和形状
机械密封工作过程是这么:当旋转轴旋转时,经过止转螺钉带动波纹管座,而波纹官座,波纹管和动环座为焊接组合件,所以,波纹官座旋转会带动动环一起旋转,而动环借助波纹管弹性力及密封介质压力使之和静环一直保持良好贴合状态,从而完成轴封作用图3（a）.
焊接波纹管是一个由很多以冲压方法成型薄形中空膜片,利用精密焊接所制成高度可弯曲及伸缩金属管.其组成方法是由两成型中空膜片以同心圆方法作内缘焊接组成膜片对,再将多个膜片对堆一起作外缘焊接组成波纹段,再于两端和端板金属焊接组合成波纹管组,如此便可应外部需要和其它运动部件一起作往复运动图3(b).

图3
焊接金属波纹管机械密封是近30年来发展较快一个新型机械密封。因其结构形式和选择材料特殊性,其应用范围越来越广。伴随国民经济发展,尤其是中国石油化工生产能力及技术水平发展,对轴封要求越来越严格,使用参数也越来越高。对于温度为-200℃至-40℃,或高于200℃介质和部分高温高压介质,及其变工况和易抽闲情况下,不管是泵、反应釜、高速离心压缩机密封,焊接金属波纹管机械密封通常来说能够很好地处理。
中国自行研制焊接金属波纹管也取得了良好成效。1998年中国相继公布实施了泵用焊接金属波纹管机械密封标准JB/T 8723—1998和焊接金属波纹管釜用机械密封标准JB/T3124—1998。薄壁管件生产,是一个生产效率高,生产成本低有效方法。
第二章 马氏体不锈钢性质分析和热处理
2.1 马氏体不锈钢关键技术特点

图4
马氏体不锈钢化学组成及成份依据铁铬二元相图(见图4)能够看出,在831℃~1394℃温度范围内,靠近纯铁一边,存在一个封闭γ相区(或称高温奥氏体稳定区域,是指铁和其它元素形成面心立方晶格结构固溶体),并存在一个窄α和γ双相区域。马氏体就是奥氏体经过无扩散型相变而转变成亚稳相(含有铁磁性,其硬度、强度关键由过饱和碳含量决定)。所以,为了取得马氏体组织,一个基础先决条件,就是在相图中必需存在有奥氏体(γ相)区域。对于无碳Fe-Cr二元合金平衡相图而言,铬含量大于12%时,在全部温度条件下,均不存在奥氏体组织,为此只有加入能改变相图扩大γ相区元素,(关键是碳等),才能实现上述先决条件。
伴随碳含量增加,γ相区边界逐步向高铬方向扩展,而铬含量增加,又稳定铁素体和缩小奥氏体γ相区,并阻碍冷却时奥氏体向马氏体转变,所以提升铬含量时,还需对应提升碳含量来扩大γ类相区,才能取得马氏体组织。当碳含量达0.6%时,纯 (单一)奥氏体相最高铬含量达18%左右。若继续增加碳含量,因形成碳化物等而不再扩大γ相区,但能提升耐磨性。所以,马氏体不锈钢通常含铬量在12%~18%之间,含碳量在0.1%~1.0%范围内。
鉴于碳对钢组织和性能重大影响,马氏体铬不锈钢习惯上可按碳含量大致分为三类:
①低碳类:C≤0.15%,Cr12%~14%,如1Cr13;
②中碳类:C 0. 2% ~ 0. 4%, Cr12% ~ 14%,如2Cr13, 3Cr13等;
③高碳类:C 0.6%~1.0%,Cr18%,如9Cr19,9Cr18MoV等。
为了改善铬马氏体不锈钢性能向钢中加入少许镍,于是形成另一类(或第四类)为含有少许镍马氏体不锈钢。镍属于稳定奥氏体和扩大γ相区元素,加入2%Ni时,就有显著效果。这么能够用镍代碳,如1Cr17Ni2马氏体不锈钢,因其低碳高铬加镍,比通常马氏体不锈钢含有愈加好耐蚀性、强度和韧性。表2为列入国家标准各类马氏体型不锈钢化学成份。

表2
牌号
化学成份/%

C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
1Cr12
≤0.15
≤0.50
≤1.00
≤0.035
≤0.030
①
11.50~13.0
-
1Cr13
≤0.15
≤1.00
≤1.00
≤0.035
≤0.030
①
11.50~13.50
-
1Cr13Mo
≤0.08~0.18
≤0.6
≤1.00
≤0.035
≤0.030
①
11.50~14.00
0.30~0.60
Y1Cr13
≤0.15
≤1.00
≤1.25
≤0.060
≤0.15
①
12.00~14.00
②
2Cr13
0.16~0.25
≤1.00
≤1.00
≤0.035
≤0.030
①
≤12.00~14.00
-
3Cr13
0.26~0.40
≤1.00
≤1.00
≤0.035
≤0.030
①
12.00~14.00
-
3CrMo
0.28~0.35
≤0.80
≤1.00
≤0.035
≤0.030
-
12.00~14.00
0.50~1.00
Y3Cr13
0.26~0.40
≤1.00
≤1.25
≤0.060
≤0.15
①
12.00~14.00
②
1Cr17Ni2
0.11~0.17
≤0.80
≤0.80
≤0.035
≤0.030
1.50~2.50
16.00~18.00

7Cr17
0.65~0.75
≤1.00
≤1.00
≤0.035
≤0.030
①
16.00~18.00
③
8Cr17
0.75~0.95
≤1.00
≤1.00
≤0.035
≤0.030
①
16.00~18.00
③
11Cr17
0.95~1.20
≤1.00
≤1.00
≤0.035
≤0.030
①
16.00~18.00
③
Y11Cr17
0.95~1.20
≤1.00
≤1.25
≤0.060
≤0.030
①
16.00~18.00
③
注:①许可含有≤0.60%Ni;②可加入≤0.60%Mo;③可加入≤0.75%Mo。

2.2 马氏体不锈钢工艺性能
2.2.1 焊接性能分析
在各类不锈钢中,马氏体不锈钢焊接性能较差,焊缝热影响区有强烈淬硬倾向,较大焊后残余应力和因为氢作用所引发延迟裂纹。尤其是高碳马氏体不锈钢更为敏感,所以焊接这类不锈钢工件时,通常采取200℃~400℃预热和层间保温方法,在焊完后还未冷却时,将工件置于730℃~790℃炉中保温,然后再进行空冷。为了清除氢引发延迟裂纹,应注意焊条干燥、焊缝坡口清洁和在干燥气氛下进行焊接等原因。可用奥氏体不锈钢焊条焊接马氏体不锈钢。
1Cr13性能近于热轧状态45钢,焊缝热影响区显著硬化脆性增大,残余应力也较大,所以可焊性较差。含碳量越高,裂缝敏感性越大,就是和母材成份相同焊缝一样易硬化。
另外,因为氢作用亦轻易引发延迟裂缝,钢性大焊接接头也会产生裂缝。为预防焊缝硬化和产生裂缝,通常情况下焊前预热和层间保温,焊后在还未冷却前进行高温回火,以提升焊缝和热影响区塑性和韧性。
当工件不许可预热和焊后热处理时,可使焊缝金属为奥氏体组织,以提升塑性和韧性,松驰焊接应力,降低焊接接头冷裂倾向，但这种成份不一焊接接头其母材强度大于焊缝，因为膨胀系数不一样,在循环温度下工作,熔合区可产生剪应力,造成焊接接头提前破坏。
1Cr13、2Cr13不锈钢,导热率是低碳钢1/ 2,线膨胀系数靠近低碳钢,在500℃~600℃以上抗拉强度显著下降,也含有475℃脆性,但晶间腐蚀倾向较小。加热到淬火温度1000℃~1050℃时,其组织处于奥氏体和铁素体两相状态,加热时发生重结晶,淬火后组织为马氏体和铁素体,从理论上讲,δ、γ转变是可逆,但在实际中,加热时不能使铁素体完全转变为奥氏体。高温时奥氏体在冷却时发生γ~M转变,因为铬显著地降低近缝区临界淬火速度,该类钢在800℃~850℃范围内含有相变点使之有显著空气自淬倾向,所以在焊后空冷时,易得到高硬度马氏体。焊接接头中受热超出1150℃区域晶粒长大显著,过快或过慢冷却速度全部可能引发接头脆化。
经过以上分析,焊接含13%铬不锈钢时,通常情况下按以下要求：采取和母材相符马氏体不锈钢焊焊丝，因为是薄板焊接，能够不用填充焊丝，焊前预热,焊后缓冷至150℃~200℃时,立即进行730℃~750℃高温回火处理;焊缝和母材成份不要求相同时,能够不预热,焊后不进行高温回火,热影响区淬硬层需在施焊中要加以注意;焊接电流取上限,以减缓冷却速度,预防裂纹产生。
2.2.2　铸造性能
马氏体不锈钢铸造时流动性较差,应该提升浇注温度和浇注速度,这类钢浇注时裂纹敏感性较大,铸件易产生裂纹,同时也易产生气孔和针孔。这类钢铸造收缩率通常为1.7%~2.0%。
2.2.3　铸造性能
马氏体不锈钢铸造工艺参数通常是:始锻温度为1150℃左右,终锻温度为850℃~925℃(低碳钢取下限,高碳钢取上限)。对含碳较高马氏体不锈钢(2Cr13~4Cr13),锻后应缓慢冷却,并随即进行软化处理,不然有可能产生裂纹。马氏体不锈钢也属于对白点敏感钢种,对于大型不锈钢锻件,尤其是采取1Cr17Ni2钢制大型锻件时,必需从工艺上采取方法(如去白点退火),以预防锻件产生白点。另外,在铸造加热时,要预防坯料过热出现大量δ铁素体,而恶化钢铸造性能,可能造成锻件内部出现裂纹,这种裂纹易产生在高温时奥氏体和δ铁素体两相分界面上。
2.2.4　切削性能
马氏体不锈钢在不一样热处理状态下含有不一样硬度。通常锻后空冷工件,硬度较高,难以加工,需经退火后进行切削加工，但退火钢切削性较差,经淬火和高温回火后钢,其切削性好得多(尽管硬度较退火钢略有增加)。
2.3　马氏体不锈钢热处理
为了得到很好综协力学性能,马氏体不锈钢通常全部采取淬火加回火。
2.3.1　淬　火
含铬12%~14%马氏体不锈钢,其马氏体转变点(Ms)大约在250℃~300℃之间,对尺寸不大零件,经淬火温度加热后,于空气中冷却即可;对于大型零件,为使奥氏体充足转变为马氏体,多采取油中淬火。对尺寸不大零件也有采取鼓风-喷雾方法进行淬火。淬火温度通常选择以下:
（1) 1Cr13或ZG1Cr13淬火温度为950℃~1050℃。因为含碳量较低,加热至淬火温度时仍处于奥氏体和铁素体两相状态,淬火后组织为马氏体和铁素体。
(2)中碳和高碳马氏体不锈钢;如2Cr13、9Cr18等,淬火温度以1000~1050℃较适宜。淬火温度低时,碳化物不能充足溶解,不仅使基体中含铬量降低,影响钢耐腐蚀性能,且影响钢强度及硬度。故采取油中淬火,以防淬裂。
(3) 1Cr17Ni2钢淬火温度以980℃~1000℃较适宜,也有推荐为1000℃~1050℃。需要指出是,淬火温度过高会使钢中δ-铁素体和残余奥氏体量增多,将损坏钢性能。
2.3.2　回　火
为了得到很好综合性能(力学性能和耐腐蚀性能),马氏体不锈钢通常采取以下两种回火工艺。
(1)低温回火:回火温度为200℃~370℃。当要求最大硬度时,可对工件进行低温回火,同时能够消除淬火过程中所形成内应力。
(2)高温回火:回火温度为600℃~750℃。高温回火目标是取得高强度、塑性和冲击韧性,和很好耐腐蚀性能。必需指出,在高低两种回火温度间370℃~600℃温度范围内进行回火,不仅使钢韧性急剧降低,同时也将严重损害钢耐蚀性能。
2.3.3　退　火
对马氏体不锈钢进行退火关键目标是使其软化,方便于机加工。含碳量≤0.15%第一类马氏体不锈钢,软化方法有两种:①当需要降低硬度, 又并不要求降至最低时,可采取加热至750 ℃~800℃,保温1~3h,在空气中冷却,这么处理后硬度可降至170~200HB;②当需要将硬度降至更低时,可加热至850℃~900℃,保温1~3h,然后缓冷(15℃~20℃/h)至600℃,继而在空气中冷却,可使硬度降至160HB。
对于中碳和高碳类马氏体不锈钢软化处理,可采取750℃~800℃,保温2~6h,进行高温回火。或在875℃~900℃,保温2~4h,随炉冷却至500℃以下空冷。
需要指出是,只有在对力学性能和耐蚀性能全部要求不高情况下,才使用退火状态(供货状态)马氏体不锈钢。因为退火状态马氏体不锈钢力学性能很低,耐蚀性能也不高。
2.4 马氏体不锈钢耐蚀性分析
在铬含量相当不锈钢中,通常奥氏体钢耐蚀性最好,铁素体次之,马氏体最差(图5所表示)。但马氏体不锈钢关键优点能够经过热处理强化,适适用于对强度、硬度、耐磨性等要求较高并兼有一定耐蚀性零部件。

图5多种不锈钢耐蚀性(40%HNO3)
试片:7mm×60mm,淬火:1100℃,水冷;浸泡8h,沸腾
马氏体不锈钢在淬火状态时耐全方面腐蚀和点腐蚀性能很好(但这种状态钢很脆,又难以加工,所以,在工程上实用性很小),其次是淬火+回火处理调质件,而以退火状态工件耐蚀性最差。
2.4.1　耐全方面腐蚀性能
马氏体不锈钢在热处理后经抛光,在室温下列介质中含有良好耐蚀性能:无机酸:浓度不低于1%硝酸、硼酸;有机酸:浓醋酸和浓度低于10%醋酸、苯甲酸、油酸、硬脂酸、苦味酸、单宁酸、焦性没食子酸及尿酸等;
盐溶液:碳酸钠、碳酸铵、碳酸钾、碳酸镁、碳酸钙、钠钾硫酸盐,全部金属硝酸盐,和多种有机酸盐。
碱溶液:苛性钠、苛性钾、氨水、氢氧化钙、水等;其它介质:食用无盐醋、果汁、咖啡、茶、牛奶及工业用酒精、醚、汽油、重油、矿物油等。
马氏体不锈钢在硫酸、盐酸、氢氟酸、热磷酸、热硝酸和熔融碱等介质中耐蚀性能很差。
2.4.2　耐局部腐蚀性能
马氏体不锈钢(如Cr13型)对特殊腐蚀形式(如晶间腐蚀、点腐蚀等)是不耐蚀,故在含有这类腐蚀特点实际工程中不宜选择。
当Cr13型不锈钢不能满足工程上需要时,可选择1Cr17Ni2钢,所以钢中含有高达17%铬,并含有2%镍替换了部分碳。镍能阻止淬火温度下δ铁素体生成,能提升抗回火性,改善强度和韧性,改善对盐雾及稀还原性酸耐蚀性。
马氏体不锈钢在电耦合或非电耦合使用时,常可能发生氢脆或应力腐蚀。前者如1Cr13钢在弱酸、湿蒸汽介质中和奥氏体钢电耦合时发生应力腐蚀;后者如在油井H2S环境中产生穿晶型氢脆断裂。在盐溶液、盐雾、或高纯水中,马氏体不锈钢易产生晶间型应力腐蚀。抗应力腐蚀开裂性能和钢所经受回火处理温度亲密相关,如在5%NaCl喷雾试验中410、420(国产为1Cr13)钢经480℃回火弯曲试样,沿原奥氏体晶界产生裂纹;但经370℃以下或590℃以上回火,试验75天也不产生裂纹。410钢在3%NaCl和酸性H2S溶液中应力腐蚀断裂路径和腐蚀几乎无关,关键依靠于回火温度; 550℃回火最易出现 晶间型分枝裂纹。马氏体不锈钢,依据不一样热处理条件,有时也易发生碱脆,如固溶处理410钢在332℃脱气10%NaOH中,外加应力δ=90%δ0.2,经4800h未裂,仅为严重全方面腐蚀,649℃回火(HRC=28)及565℃回火 (HRC=41)也一样,而经482℃回火者(HRC=50), 4800h后即产生裂纹。
1Cr13（表3）不锈钢在温度30℃以下时弱腐蚀介质中,即在大气、蒸汽、淡水中,亦含有良好耐腐蚀性能,所以在机械制造中得到广泛应用。1Cr13不锈钢导热系数小(约为低碳钢1/3),而线膨胀系数比低碳钢大,所以,在焊接后引发变形也较大,所以,在焊接过程中应采取对应工艺方法。1Cr13不锈钢在焊接过程中焊接性较差。因为,在焊接冷却过程中出现奥氏体向马氏体转变,因为体积发生改变,促进硬度增加和塑性降低,致使有强烈淬硬倾向,母材含碳量越高,淬硬倾向就越大。在焊缝扩散氢和焊接应力作用下,焊接残余应力较大,易产生裂纹。所以,依据焊件厚度和刚性大小,焊接时应采取焊前预热、焊后缓冷等工艺方法。
表3 1Cr13化学成份

C
Cr
Ni
Mn
Si℅
P
S
0.15℅
12.99℅
0.14℅
0.48℅
0.71
0.025℅
0.010℅

2.5 焊接缺点分析
薄壁件焊接特点薄壁件大多为精密元器件。实际生产中薄壁管件焊接通常有两种接头方法:平面对接和卷边对接。卷边对接用得较少,只有在平面对接无法焊接时才采取。常常采取平面对接形式适用管子厚度范围0.1―1mm。
2.5.1 烧穿和变形
薄壁件大多为不锈钢材料,因为不锈钢导热性能差,工件又为薄壁,所以焊接时极易产生焊穿和变形,故焊接时必需在夹具上进行。
(1)焊件易变形焊件为薄壁件,刚性小,热容量小,焊接时温升快,所以焊件易变形。实践证实:薄壁件焊接过程中预防和减小变形是取得优质焊缝关键条件之一。
(2)对焊接规范改变敏感因为焊件小、电流小,形成焊接熔池也小,热容量肯定小,所以对焊接热过程中很小改变,全部会破坏焊接熔池热平衡,造成焊缝尺寸改变,甚至烧穿或未焊透。所以,焊接过程中一定要保持电弧稳定,焊接规范稳定,夹具导热条件不变。
(3)对焊件装配及工装夹具要求高为了取得良好焊缝,焊前必需确保装配精度,不许可有间隙和错边,相对应工装夹具也应确保其精度,并含有良好散热条件。不然,便产生烧穿等缺点,出现废品。
(4)对焊接处表面清理要求高因工件壁薄、焊缝小,工件表面氧化物及油污对焊缝质量影响很大。所以要注意清除焊缝处油污、铁锈、氧化物等。
2.5.2 焊接冷裂纹
因为马氏体不锈钢在空冷情况下就能够形成脆硬马氏体，马氏体是经典淬硬组织，对扩散氢敏感，假如街头拘束力大，就很轻易形成冷裂纹。
冷裂纹表现特征
冷裂纹形成温度大致在-100℃~100℃之间，具体温度随母材和焊接条件不一样而异，产生冷裂纹材料大全部有淬硬倾向低合金高强度钢和中高碳钢焊接接头，裂纹大全部在热影响区，通常起源于熔合区，有时也发生在高强度钢或钛合金焊缝中。宏观上冷裂纹断口有脆硬断裂特征，表面有金属光泽，成人字形态发展，冷裂纹较多是在焊后延续一段时间才产生，延迟时间不等，可能几小时，也可能几天或几十天。
冷裂纹分布
依据冷裂纹分布特征，可归纳为四种类型：
焊道下裂纹：是在靠近堆焊焊道热影响区所形成焊接冷裂纹，走向大致和熔合线平行，通常不显露于焊缝表面。
焊趾处裂纹：焊缝表面和母材交界处叫做焊趾，裂纹通常向热影响区粗晶区扩展，有时也向焊缝中扩展。
焊根处裂纹：沿应力集中焊缝根部所形成焊接冷裂纹，关键发生在含氢量较高预热不足条件下，焊缝扩展方向能够向焊缝也能够向热影响区。
横向裂纹：起源于熔合线，垂直于焊缝长度方向扩展到焊缝和热影响区。
形成冷裂纹基础原因及其作用
形成冷裂纹原因是扩散氢钢种淬硬倾向及接头所承受拘束应力三者共同作用结果。
氢影响:造成接头产生冷裂纹氢关键是扩散氢，试验证实，伴随焊缝中扩散氢含量增加，冷裂纹率提升，多年来部分学者在显微镜下观察弯曲试件断裂情况时，还观察到在裂纹尖端周围有氢气泡析出。扩散氢含量影响裂纹延迟时间长短，扩散氢含量越高，延时越短。
钢种淬硬倾向：通常来说，钢种淬硬倾向越大，则接头中出现马氏体可能性越大，则越轻易产生冷裂纹。当材料一定时，随冷却速度不一样，接头组织对应改变，冷却速度越大，使马氏体含量增加，造成裂纹率上升。
焊接拘束应力：焊接拘束应力包含接头在焊接过程中因加热不均所承受热应力相变应力结构本身几何原因所决定内应力。上述三方面应力全部是不可避免，因为和拘束条件相关而统称拘束应力。拘束应力作用也是形成冷裂纹关键要素之一，在其它条件一定时，拘束应力达成一定数值就会产生开裂。三个原因相互关系
［
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γ

图6 氢溶解度和扩散系数和晶格结构关系
氢在开裂时作用：氢在裂纹形成过程中作用和其溶解度和扩散规律相关。溶解度在液体金属中氢原子，在连续冷却金属凝固和发生固态相变时，溶解度将发生突变【图6-a】，氢在γ相中溶解度大大高于在α相中溶解度，在快冷时，就来不及在γ—α转变时析出，而以过饱和和溶解形式存在于α相中。
因为氢扩散性很强，伴随时间延长，过饱和氢将不停扩散，其中一部分扩散到金属外部，另一部分则在金属内部迁移。氢在不一样晶格中扩散能力不一样，在α相中扩散能力比在γ相高【图6-b】。
熔合线
裂纹
焊缝
热影响区
接方向
液体金属熔池

图7 焊接接头冷却过程中组织分布和氢扩散情况
所以在发生γ—α转变时氢溶解度突降，而扩散能力突升。从接头组织分布示意图中可知【图7】，熔池以外焊缝和热影响区全部是固态，因为焊缝和母材成份不一样，焊缝金属奥氏体分解温度TFA高于母材分解温度TMA，所以等TFA温面导前于等TMA温面。图中熔合线上ab两点两侧组织不一样，焊缝已完成奥氏体分解α＋Fe3C（或贝氏体，马氏体），而母材仍为γ相。焊缝进行奥氏体分解时，氢溶解度突降，扩散速度突升，过多氢肯定经过熔合线向还未转变热影响区扩散。氢扩散到母材后，因为氢在γ相中溶解度而扩散度低，在快冷时就不可能据需母材内部扩散，而聚集在熔合线周围形成高氢带。在母材也发生了相变后，氢就能够以过饱和形式残留于马氏体（或贝氏体）中，并扩散到应力集中或晶格畸变处结合为氢分子，形成较高局部应力，再加上热应力和组织应力共同作用，就可能开裂。
氢和力共同作用产生延迟现象：氢裂纹延迟特点是潜伏期是裂纹形成孕育期阶段，实际上是氢逐步向开裂部位扩散集中结合成份子并形成一定压力过程。开始时，氢分布相对比较均匀，在热应力和相变应力作用下金属中出现部分微观缺点，氢开始向缺点前沿应力部位迁移。焊缝中氢平均浓度较高，则迁移氢数量越多，轻易速度也越高。当氢聚集到发生裂纹所需要临界浓度时开始产生微裂纹。因为裂纹尖端应力集中，深入使氢向尖端高应力区扩散，裂纹扩展。氢扩散聚集达成临界浓度全部需要时间，这就形成了裂纹延迟特征。
氢和应力有一个互补关系，即扩散氢含量越高，开裂所需要应力 越小，潜伏期越短；应力越大，开裂所需要含氢量越低。
钢材淬硬倾向作用：马氏体是经典淬硬组织，这是因为间隙原子碳过饱和，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生显著畸变所致。尤其是在焊接条件下，近缝区加热温度高达1350℃-1400℃，使奥氏体晶粒严重长大，当快速冷却是，粗大奥氏体将转变为粗大马氏体。硬脆马氏体在断裂时所需要能力较低。所以焊接接头中又马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。钢材淬硬倾向越大，热影响区或焊缝冷却后得到淬硬组织越多，对冷裂纹就越敏感。
这里淬硬倾向包含淬透性和淬硬性两个方面，也就是冷裂纹倾向大小，即取决于马氏体数量，更取决于马氏体本身韧性。含碳量不一样时。得到不一样形态马氏体韧性差异较大。假如以马氏体数量对不不一样钢种冷裂纹敏感性，会造成较大误差。不一样组织对冷裂纹敏感性大致按下列次序递增：铁素体或珠光体→贝氏体→条状马氏体→马氏体+贝氏体→针状马氏体。
预防冷裂纹方法
（1）严格控制氢起源：选择优质焊接材料或低氢焊接方法，严格要求对焊接材料进行烘焙及焊前清理工作。
（2）提升金属塑性和韧性：经过焊接材料向焊缝过渡Ti,Nb,Mo,V,B.Te或稀土元素来韧化焊缝，利用焊缝塑性贮备减轻热影响区负担，从而降低整个焊接接头冷裂纹敏感性。
（3）焊前预热：焊前预热能够有效降低冷却速度，从而改善接头组织，降低拘束应力，并有利于氢析出，可有效地预防冷裂纹，是生产中常见方法。
（4）控制线能量：线能量增加能够降低冷却速度，从而降低冷裂纹倾向。但线能量过大，则可能造成焊缝及热影响区晶粒粗化，而粗大奥氏体一旦转变为粗大马氏体，裂纹倾向反而增大。
（5）焊后热处理：焊后进行不一样热处理，可分别起到清除扩散氢，降低和清除残余应力，改善组织或降低硬度等作用。焊后常见热处理制度有削氢处理，消除应力退火，正火和淬火或淬火+回火。具体选择视产品需要而定。

第三章 薄壁件焊接多个基础方法
3.1 微束等离子弧焊
一般电弧焊电弧是在工件上空气中自由燃烧,不受约束;而等离子弧是一个受压缩气体约束电弧。
维束等离子弧焊接作为薄壁件常见焊接方法,其原因在于微束等离子弧焊接含有以下特点:
电弧能量密度高、电弧稳定性好、电弧刚性好、弧长改变对焊件热影响小、工件变形小等。
微束等离子弧焊接工艺参数,关键是焊接电流、焊接速度、工作气体流量、保护气体流量、电弧长度、焊嘴直径等,它们对焊缝形状和焊接质量全部有影响。
(1)为了加强保护效果、提升焊缝质量,常采取以氩气为主混合气体为保护气。焊接不锈钢时,在保护气中加入5%左右氢气,效果最好。
(2)微束等离子弧焊接接头形式和尺寸有其尤其之处,下图8所表示为常见多个接头形式。

图8
(3)为了取得良好焊缝后面成型,常在焊道后面放置紫铜垫板,垫板上全部有成形槽,槽宽2~3mm,槽深0.2~0.5mm。
3.2 小电流氩弧焊
小电流直流氩弧焊含有:焊接时电弧稳定无飞溅、明弧熔池观察清楚、焊接电流量小、氩气流量小、可焊异种金属、焊缝美观特点,广泛用于薄壁件焊接。
正确地选择焊接工艺参数,是进行薄壁件焊接时取得优良焊缝基础条件。另外,在特殊情况下,薄壁件焊接还能够采取小功率钎焊或激光焊接。
另外,在特殊情况下,薄壁件自动焊接还能够采取小功率钎焊或激光焊接。
第四章 马氏体不锈钢焊接工艺
1Cr13焊接工艺金属波纹管作为弹性敏感元件，是仪器仪表和自动化装置上关键元件之一。金属波纹管属于超薄零件，壁厚在0.05一0.3mm之间。从节省成本，本文将讨论用TIG焊完成壁厚0.3mm金属波纹管焊接。
因为不锈钢焊接性良好，所以超薄不锈钢零件焊接技术关键是预防烧穿和确保良好焊缝成形。
金属表面若有油污和氧化皮，会降低液体表面张力而破坏熔池动态平衡，造成管烧穿。所以，对超薄不锈钢零件焊接时，必需进行除油和酸洗。
4.1 下料及板材成型

图8 模片
超薄型波纹管加工过程通常是先冲压出膜片（图8），然后将各膜片依次焊接起来，2个膜片内圆焊接后，再和另外膜片外圆焊接，直到所需长度，图9所表示。

图9 波纹管
波纹管材料为牌号为1Cr13不锈钢，厚度0.3mm管外径60mm内径42mm，图8所表示。因为波纹管焊缝是由电弧熔化膜片边缘所形成，所以膜片边缘凸出夹具表面形状和尺寸对焊缝成形有极大影响。由文件知，膜片边缘凸出夹具表面高度由下式决定：
h=h1+△h; △h=s/2δ0
式中s为焊缝横截面积；△h为熔化偏差量；δ0为膜片厚度。
当焊缝横截面直径在2.5δ0～3.5δ0范围内改变时，焊缝质量很好。经过理论计算和实际焊接试验，取膜片边缘凸出夹具表面高度为0.45mm。
膜片装配时同心度及间隙、错边尺寸也是影响焊接质量关键原因。膜片焊前装配时，要求间隙及错边量不得大于0.05mm。如此严格要求，只能经过精密夹具来确保。夹具由带有散热片分离半圆形零件组成，在焊接波纹管外圆焊缝时，散热面作为中心定位部件，图10所表示。内焊缝是利用专门锥盘形夹具来定位，图11所表示。

图10 波纹管外圆焊接夹具

图11 波纹管内圆焊接夹具
夹具和膜片接触面宽度直接影响到散热量大小，也对焊缝成形相关键影响。为了预防出现锯齿状焊缝，夹具和膜片接触面宽度由试验调定为1mm。
4.2 焊前准备
除油 : 用有机溶剂(丙酮、酒精 、四氯化碳等) 擦洗焊接接头 。
酸洗：:对于1Cr13不锈钢,采取以下配方:H3PO410%、HF5%、H2SO45%、H2O80%酸洗时间:5分钟(室温)。酸洗后用弱碱溶液中和 ,然后用流动水冲洗凉干
4.3 焊接工艺参数选择及焊接
(l)接头形式为端接接头，组装工艺应合理，使模片之间紧密配合，可提升波纹管成品率。
(2)焊接设备使用NzA21一120一1型弧焊机(电源电压380V、额定功率3kw、调整范围5一120A)。
(3)焊接电流和焊接速度，焊接电流是影响焊接质量关键参数。电流过大或焊速过慢，会使焊接线能量增大，将造成波纹管烧穿。焊接电流过小或焊接速度过快，会造成电弧稳定性差和金属熔化量不足，也无法取得良好焊缝成形。
依据经验和试验确定，焊接电流为20一25A，焊接速度6一7mm/s。
（4）嘴尺寸和氩气流量选择，我们采取自制喷嘴,喷嘴直径为ф8mm,喷嘴长度比一般喷嘴要长,确定为40mm,这么能够使氩气平行流出 ,不致发生紊流,又可压缩电弧,使电弧更集中,提升了电弧稳定性 ,确保焊缝成形。氩气流量为:6-8升/分。数据确实定按下列公式计算
D=(2.5-3.5)dW
D为喷嘴直径，dW为钨极直径。
Q=(0.8-1.2)D
Q为气体流量，D为喷嘴直径
(5)电弧长度尽可能小焊接中采取短弧焊，弧长控制在1mm以下，这时氢气保护效果好，电弧稳定。
(6)钨极直径和端头形状采取钨极直径为1.6mm，端头磨成30度锥角。这么可提升引弧和稳弧性能，确保焊缝成形。
钨极伸出长度通常为5-6mm.
（7）进行焊接，焊后接头组织见下图12。基础操作，引弧时提前送气5-10秒钟；收弧时延迟断气10秒钟左右。焊缝内不填充焊丝。

图12
（8）焊件冷却至室温后，进行外观检测，不能有烧穿，咬边，未熔合，裂纹等缺点。
（9）焊后热处理对焊件进行700-750℃回火处理，保温一小时，然后空冷。
（10）100%对焊件进行1.6 MPa水压强度试验,检验焊件密封性是否合格。

（11）表4是本工艺焊接工艺卡，焊接工艺参数全部在上面。

表4
焊接接头

焊接次序
焊接工艺卡编号
0001
先焊接外焊缝
图号
0001
再焊接内焊缝
接头名称
端接接头

街头编号
0001

焊接工艺评定汇报编号
N0001

焊工持证项目

检验
序号
本厂
锅检所
第三方或用户
母材mm
1Cr13
厚度mm
0.3

焊缝金属mm
1Cr13
厚度mm
0.3

焊接位置
平焊
层道
焊接方法
填充材料
焊接电流
电弧电压（V）
焊接速度
（cm∕min）
线能量
（KJ∕cm）
牌号
直径
极性
电流（A）
焊后热处理
回火700℃-750℃

自动钨极氩弧焊

正接
20-25

36~42

钨丝直径
1.6mm

喷嘴直径
8mm

气体成份
纯Ar

气体流量
正面
6-8升/分

后面

4.4 焊接中工艺缺点及产生原因
(l)烧穿起弧端烧穿原因为短路瞬间电流大，内、外托环和波纹管间隙大。烧穿是因为局部间隙过大，电弧瞬时不稳成偏弧。
(2)波纹管未焊住头之间间隙过大，使波纹管端面它两件未对齐，会造成局部虚焊和漏焊而未焊住，试压时漏水。
(3)成形不规则、熔宽过窄，是因为钨极距焊接缝距离大，使弧长过大，电弧刚度不造成。
4.5 结论
本文采取TIG焊焊接超薄零件，降低了成本。按以上焊接结构设计和焊接工艺进行焊接后，对焊接零件观检验，焊缝表面平滑光亮，经试验未发生漏现象，说明波纹管接头强度高，气密性好，满足使用要求。

第五章 1Cr13波纹管焊接工艺评定
5.1 试件制取
把厚度为0.3mm母材1Cr13制成规格为50×250mm板材若干,然后按