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焊 接焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。 常用的焊接方法可分为三大类：熔化焊、压力焊、钎焊。熔化焊中又分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊等等。本文主要介绍电弧焊中的手工电弧焊、埋弧自动焊和氩弧焊。 在化工机械制造中，据统计，化工装置焊接的构件量，约占整个装置重量的75左右。各种容器、塔器、换热器、反应器、钢结构等大多数采用焊接方法制造。由于化工、炼油、制药等生产工艺复杂，操作压力高，温度范围广，要求密封性好，腐蚀性强，所以对焊接要求特别严格。因此，提高焊接技术水平，规范焊接工艺，确保焊接质量，对保证长期、安全、高效率生产有着重要的意义。 第一节 电弧焊电弧焊是利用电弧的热量加热并熔化金属进行焊接的。一、焊接电弧焊接电弧是一种强烈的持久的气体放电现象。在这种气体放电过程中产生大量的热能和强烈的光辉。通常，气体是不导电的，但是在一定的电场和温度条件下，可以使气体离解而导电。焊接电弧就是在一定的电场作用下，将电弧空间的气体介质电离，使中性分子或原子离解为带正电荷的正离子和带负电荷的电子（或负离子），这两种带电质点分别向着电场的两极方向运动，使局部气体空间导电，而形成电弧。焊接电弧的引燃一般采用两种方法：接触引弧和非接触引弧。手工电弧焊是采用接触引弧的。引弧时，焊条与工件瞬时接触造成短路。由于接触面的凹凸不平，只是在某些点上接触，因而使接触点上电流密度相当大；此外，由于金属表面有氧化皮等污物，电阻也相当大，所以接触处产生相当大的电阻热，使这里的金属迅速加热熔化，并开始蒸发。当焊条轻轻提起时，焊条端头与工件之间的空间内充满了金属蒸气和空气，其中某些原子可能已被电离。与此同时，焊条刚拉开一瞬间，由于接触处的温度较高，距离较近，阴极将发射电子。电子以高速度向阳极方向运动，与电弧空间的气体介质发生撞击。碰撞的结果使气体介质进一步电离，同时使电弧温度进一步升高，则电弧开始引燃。只要这时能维持一定的电压，放电过程就能连续进行，使电弧连续燃烧。 非接触引弧一般借助于高频或高压脉冲引弧装置，使阴极表面产生强场发射，其发射出来的电子流再与气体介质撞击，使其离解导电。 焊接电弧可分为三个区域，如图29所示，即阳极区、弧柱区和阴极区。用钢焊条焊接时，阴极区温度为2400K左右，放出热量为电弧总热量的38；阳极区温度为2600K左右，热量占42；弧柱区中心温度可达50008000K，热量占20左右。电弧焊是利用电弧的热量加热并熔化金属进行焊接的。二、手工电弧焊手工电弧焊是利用电弧产生的热量熔化被焊金属的一种手工操作焊接方法。由于它所需的设备简单，操作灵活，对空间不同位置、不同接头形成的焊缝均能方便地进行焊接，因此，目前它仍被广泛使用。手工电弧焊如图2-10所示。焊接前，将被焊工件和焊钳分别与电焊机的两极连接并用焊钳夹持焊条。焊接时使焊条与工件瞬时接触，形成短路，随即将它们分开一定距离（约24mm），就引燃了电弧。电弧下的工件立即熔化构成一个半卵形熔池。焊条药皮熔化后，一部分变成气体包围住电弧使它与空气隔绝，从而使液态金属免于氧、氮的侵害；一部分变成溶渣，或单独喷向熔池，或与焊芯熔化生成的液态金属熔滴一起喷向溶池。在电弧及熔池中，液态金属、熔渣和电弧气体互相间会发生某种物理化学变化，如气体向液态金属内溶解，进行氧化还原反应等。熔池内的气体和渣由于质量轻而上浮。当电弧移去后，温度降低，金属和渣会先后凝固。这样两件金属经熔化结晶的焊缝金属而连接起来。渣由于收缩量与金属不同，会在渣壳和金属界上产生滑移，渣壳或自动脱落，或敲击后脱落，即可露出带鱼鳞纹状的金属焊缝。手工电弧焊的主要设备是电焊机。电焊机是产生焊接电弧的电源，有交流和直流两种。 目前国内生产的电焊机品种很多，按其结构可分为：交流电焊机和直流电焊机。 交流电焊机实质上是一种特殊的变压器，它将工业用电的电压降低。由于交流电源的电压和电流方向是不断改变的，在这个改变过程中电弧总要经历一个瞬时熄弧、重新引弧和再次稳定燃烧的过程，因此交流电弧稳定性较差。但因具有结构简单、维修方便、造价低廉和节省电能等优点，所以交流电焊机在生产实践中也广泛采用。 直流电焊机又分为旋转式直流电焊机和硅整流式直流电焊机。前者由一台交流电动机带动一台直流发电机组成，它有成本高、噪音大、重量大、维护不方便等缺点。硅整流式直流电焊机结构简单，已逐渐替代旋转式直流电焊机。直流电焊机的电压和电流方向不变，能使电弧持续而稳定燃烧，因此焊缝质量更容易保证。 直流电焊机有两种不同的接法。当焊条接负极、工件接正极时为正接法；反之为反接法。一般用碱性低氢型焊条（如J507）焊接时，为了使电弧稳定燃烧，规定要用直流反接法；而用酸性焊条（如J422）焊接厚钢板时，采用正接法，因为阳极部分的温度高于阴极部分，用正接法可以得到较大的熔深；焊接薄钢板及有色金属时，则采用反接法。 用交流电焊接时，由于极性是交替变化的，所以不需要选择极性接法。 三、埋弧自动焊 埋弧自动焊接时，引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程完全由机械来完成。 埋弧自动焊过程如图2-11所示。焊剂2由漏斗3流出后，均匀地堆敷在装配好的工件1上，焊丝4由送丝机构经送丝滚轮5和导电嘴6送入焊接电弧区。焊接电源的两端分别接在导电嘴和工件上。送丝机构、焊剂漏斗及控制盘通常都装在一台小车上以实现焊接电弧的移动。焊接过程是通过操作控制盘上的按钮开关来实现自动控制的。焊接过程中，在工件被焊处覆盖着一层3050mm厚的粒状焊剂，连续送进的焊丝在焊剂层下与焊件间产生电弧，电弧的热量使焊丝、工件和焊剂溶化，形成金属熔池，使它们与空气隔绝。随着焊机自动向前移动，电弧不断熔化前方的焊件金属、焊丝及焊剂，而熔池后方的边缘开始冷却凝固形成焊缝，液态熔渣随后也冷凝形成坚硬的渣壳。如图2-12所示。未熔化的焊剂可回收使用。 焊丝和焊剂在焊接时的作用与手工电弧焊的焊条芯、焊条药皮一样。焊接不同的材料应选择不同成分的焊丝和焊剂。如焊接低碳钢时常用H08A焊丝，配用高锰高硅型焊剂HJ431等。焊接电源通常采用容量较大的弧焊变压器。 埋弧自动焊的主要优点是： （1）生产率高 埋弧焊的焊丝伸出长度（从导电嘴末端到电弧端部的焊丝长度）远较手工电弧焊的焊条短，一般在50mm左右，而且是光焊丝，不会因提高电流而造成焊条药皮发红问题，即可使用较大的电流（比手工焊大510倍），因此，熔深大，生产率较高。对于20mm以下的对接焊可以不开坡口，不留间隙，这就减少了填充金属的数量。 （2）焊缝质量高 对焊接熔池保护较完善，焊缝金属中杂质较少，只要焊接工艺选择恰当，较易获得稳定高质量的焊缝。 （3）劳动条件好 除了减轻手工操作的劳动强度外，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好。 埋弧自动焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。广泛应用于化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造。 这种方法也有不足之处，如不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊缝；工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时；由于是埋弧操作，看不到熔池和焊缝形成过程，因此，必须严格控制焊接规范。 四、氩弧焊 氩弧焊是利用氩气作为保护介质的一种电弧焊方法。氩气是一种惰性气体，它既不与金属起化 学反应使被焊金属氧化，亦不溶解于液态金属。因此，可以避免焊接缺陷，获得高质量的焊缝。氩弧焊时，由于氩气的电离势较高，故引弧较困难，为此常借用高频振荡器产生高频高压电来引弧。由于氩气的散热能力较低，因而一旦引燃后，就能较稳定地燃烧。 氩弧焊按所用的电极不同分为两种：非熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊。 （一）非熔化极氩弧焊（TIG焊） 非熔化极氩弧焊时，电极只起发射电子、产生电弧的作用，电极本身不熔化，常采用熔点较高的钍钨棒或铈钨棒作为电极，所以又叫钨极氩弧焊。焊接过程可以用手工进行，也可以自动进行。其过程如图2-13（a）所示。焊接时，在钨极与工件间产生电弧，填充金属从一侧送入，在电弧热的作用下，填充金属与工件熔融在一起形成焊缝。为了防止电极的熔化和烧损，焊接电流不能过大，因此，钨极氩弧焊通常适用于焊接4mm以下的薄板，如管子对接、管子与管板的连接。 （二）熔化极氩弧焊（MIG焊） 熔化极氩弧焊是利用金属焊丝作为电极，电弧产生在焊丝和工件之间，焊丝不断送进并熔化过渡到焊缝中去。因此熔化极氩弧焊所用焊接电流可大大提高，适用于中、厚板的焊接，如化工容器筒体的焊接。焊接过程可采用自动或半自动方式，如图2-13（b）所示。 熔化极氩弧焊时的金属熔滴过渡，主要是喷射过渡的形式。喷射过渡的特点是在焊接电压较高、焊接电流超过某临界值时，熔滴呈雾状的细滴沿焊丝轴向高速射入溶池。喷射过渡时不发生短路现象，电弧燃烧非常稳定，飞溅现象消失，焊缝成形好，熔透深度增加，所以溶化极氩弧焊主要用于焊接厚度为3mm以上的金属。 由于氩气比较稀缺，使得氩弧焊的焊接成本较高。故目前主要用来焊接易氧化的有色金属（如铝、镁及其合金）、稀有金属（如钼、钛及其合金）、高强度合金钢及一些特殊用途的高合金钢（如不锈钢、耐热钢）。 近三十年来，发展了钨极、熔化极脉冲氩弧焊，使之扩大了氩弧焊的应用范围。脉冲氩弧焊是采用可控的脉冲电流代替连续电流，通过调节规范参数能控制电弧能量，便于精确控制熔池体积、焊缝熔深及溶滴过渡等，因而可以焊接薄板或超薄板构件。如直流脉冲TIG焊可焊小至0.1mm的薄板。 第二节 焊接接头和坡口形式焊接接头形式可分为：对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头。一、 对接接头将两块钢板对在一起焊接，称为对接；一块钢板卷成圆筒后对在一起焊接，也属对接。对接接头容易焊透，受力情况好，应力分布均匀，联接强度高，因而焊接接头质量容易保证。 为了保证焊接质量，必须在焊接接头处开适当的坡口。坡口的主要作用是保证焊透，此外，坡口的存在还可形成足够容积的金属液熔池，以便焊渣浮起，不致造成夹渣。坡口的几何尺寸必须设计好，以便减少金属填充量、减少焊接工作量和减少变形。 对接接头形式如图2-14所示。对于钢板厚度在6 mm以下的双面焊，因其手工焊的熔深可达4 mm，故可以不开坡口，如图2-14（a）所示。对于厚度在640 mm 的钢板，可采用如图2-14（b）所示的V形坡口，进行双面焊。在无法进行双面焊时，也可采用带垫板（厚度3mm）的单面焊。由于垫板的存在，不易被烧穿。 当板厚为1260mm时，可采用如图2-14（c）示的X形坡口。在板厚相同的情况下，采用X形坡口可减少焊条金属量二分之一左右，而且焊件的变形及所产生的内应力相应小些，因此它多用于厚度较大并变形要求较小的工件。X形坡口有对称的；还有不对称的，即一侧深另一侧浅。较浅的一侧焊接工作量小些图2-14（d）（e）分别为单U形坡口及双U形坡口，这类坡口的填敷金属量均较V形坡口少些，焊件变形也较小，但其坡口加工较困难，故一般只在较重要的焊接结构时采用。当对接的两块钢板厚度不相等时，为了防止焊接时薄的一边金属过热，而厚的一边金属难于熔化的现象，避免焊不透或烧穿；为了减少由于接头处厚度不等、刚度不一而产生焊接变形与裂纹的可能性，应采用如图2-15所示的厚度过渡开坡口的形式。在考虑焊接接头时采用等厚度焊接是一条很重要的原则。当薄板厚度10mm，两板厚度差3mm；或当薄板厚度10mm而两板厚度差大于薄板厚度的30，或超过5mm时，均应按图2-15的要求削薄厚度边缘。焊接接头形式可分为：对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头。二、T形接头和角接接头根据焊接工件厚度的不同，将两块钢板互成直角连接在一起的焊缝接头称为T形接头和角接接头。接头可分为不开坡口、单边V形坡口、双边V形坡口以及K形坡口，如图216所示。根据厚薄不同可采用单面焊或双面焊。图217示出不允许的角接焊缝结构。 这些角焊缝应力分布不均，在焊缝的根部有较大的应力集中，在压力容器的受压件上是禁止采用的。 图2-18示出搭接接头，接头不开坡口。焊缝均属角焊缝。根据焊缝所在位置，有端焊缝与侧焊缝之分。表2-10为手工电弧焊和埋弧自动焊的焊缝坡口形式举例，供选用时参考。表2-10 焊缝坡口形式和尺寸示例名称接头形式基本尺寸适用范围标注代号备注对接接头手工电弧焊d234b0+11+1薄板拼接,筒体纵、环焊缝d340a605b用于根部间隙较大且无法用机械方法加工坡口的容器环焊缝d6101226a455355b7+18+1P112-1筒体内无法焊接，但是允许衬垫板的焊缝注：一般不推荐使用垫板尺寸由施焊者自定d1660a555b2+1P21钢板拼接，筒体的纵焊缝d309092150b6242b1+1P2+1R6+1钢板拼接，筒体的纵焊缝d3060a655b102b2+1P21H10+2厚壁筒体的环焊缝，多用于筒体内径DN600mm的单面焊接对接接头埋弧焊d1630a4570b2+1P钢板拼接，筒体纵、环焊缝接管与壳体间焊接接头b=455b=10.5Hd1K61.壁厚较小的常压容器2.非特殊操作工况（如无疲劳、无大的温度梯度、非低温及介质腐蚀性不大）3.一般用于d11/2ds角接接头b=555b=P=21 K=dsds3dh=316主要用于DN600mm且内部无法施焊的管子或筒体与平盖的连接本接头不推荐用于疲劳载荷的场合搭接接头b=0+2K=dd+b L4ds ds=316 温度 t=2250主要用于大型立式储罐的壳体（包括底板、顶盖）等的连接本接头不得用于有较大温度梯度的工况T形接头b=555b=P=21 ds=525dh4K16用于薄管板与筒体的连接dh由计算确定换热器管板与壳体的焊接接头见图示用于S30；第二位数字表示二氧化硅、氟化钙的平均含量，如“”表示高硅低氟型（SiO230% , CaF210%）；末位数字表示同类焊剂的不同序号。使用不同牌号的焊丝与焊剂搭配施焊，可以得到具有不同机械性能的焊缝金属。国家标准（GB5293-85）规定焊剂型号的表示方法如下：例如型号为HJ401H08A的焊剂，它表示这种埋弧焊用焊剂采用H08A焊丝按本标准所规定的焊接工艺参数焊接试板，其试样状态为焊态时，焊缝金属的抗拉强度为412550MPa，屈服强度不小于330MPa，伸长率不小于22，在0时冲击值不小于34.3J/cm2 。因此，焊剂的型号既告诉了我们应配用哪种焊丝，又向我们提供了焊缝金属的机械性能指标。三、焊条、焊丝及焊剂的选用选用电焊条时考虑的因素较多，其最基本的要求是要能够形成机械性能与基体金属一致的焊缝；其次，在化学成分方面，如基体金属有一定合金成分的钢种，那么焊条也应符合或接近该钢种的要求；还应根据焊接位置及板厚确定药皮类型。埋弧焊用焊丝及焊剂的选用同样应当考虑上述问题。表216 常用钢号推荐选用的焊接材料钢号手 弧 焊埋 弧 焊焊条焊丝牌号焊 剂型号牌号型号牌号Q235-A.FQ235-A 10,20E4303J422H08H08MnHJ401-H08AHJ43120R20HP、20gE4316J426H08AH08MnAHJ401-H08AHJ431E4315J427 09Mn2VE5515-C1W707NiH08Mn2MoVA- HJ25016Mn16MnR16MnRCE5003J502H10MnSiH10Mn2HJ401-H08AHJ431E5016J506HJ402-H10Mn2HJ350E5015J50715MnVE5003J502H08MnMoAH10MnSiH10Mn2HJ401-H08A HJ431 15MnVR15MnVRCE5016J506E5015J507HJ402-H10Mn2HJ350E5515-GJ557ICr18Ni9TiE308-16 A102H0Cr20Ni10Ti-HJ260E308-15A107E347-16A132E347-15A1370Cr19Ni9E308-16 A102 -E308-15A1070Cr18Ni9TiE347-16A132H0Cr20Ni10Ti-HJ260E347-15A137OCr18Ni11TiE347-16A132-E347-15A13700Cr18Ni10E308L-16A002 H00Cr21Ni10-HJ26000Cr19Ni11E308L-16A002-E316L-16A002H0Cr20Ni14Mo3-HJ260E318-16A2120Cr19Ni13Mo3E317-16A242-0Cr13E410-16G202-E410-15G207表2-17 不同钢号相焊推荐选用的焊接材料类别接头钢号手 弧 焊埋 弧 焊焊 条焊丝钢 号焊 剂型号牌号型号牌号碳素钢、低合金钢和低合金钢相焊 Q235-A+16MnE4303J422H08 H08MnHJ401-H08AHJ43120、20R+16MnR、16MnRcE4315J427H08MnAHJ401-H08AHJ431E5015J50720R+20MnMoE4315J427H08MnAHJ401-H08AHJ431E5015J50720R、Q235-A+15MnMoVE4315J427-E5015J507Q235-A+18MnMo NbRE4315J427H08AH08MnAHJ401-H08AHJ431E5015J507HJ402-H10Mn2HJ350碳素钢、碳锰低合金钢和铬钼低合金钢相焊Q235-A +15CrMo E4315J427H08H08MnAHJ401-H08AHJ431Q235-A +1Cr5Mo 16MnR+15CrMoE5015J507-其他钢号和奥氏体高合金钢相焊Q235-A+ 0Cr18Ni9TiE309-16A302-E309MO-16A31220R+0Cr18Ni9TiE309-16A302-E309MO-16A31216MnR+0Cr18Ni9TiE309-16A302-E309MO-16A312第四节 焊接缺陷与焊接质量检验一、焊接缺陷（一）焊接变形工件焊后一般都会产生变形，如果变形量超过允许值，就会影响使用。焊接变形的几个例子如图2-19所示。产生的主要原因是焊件不均匀地局部加热和冷却。因为焊接时，焊件仅在局部区域被加热到高温，离焊缝愈近，温度愈高，膨胀也愈大。但是，加热区域的金属因受到周围温度较低的金属阻止，却不能自由膨胀；而冷却时又由于周围金属的牵制不能自由地收缩。结果这部分加热的金属存在拉应力，而其它部分的金属则存在与之平衡的压应力。当这些应力超过金属的屈服极限时，将产生焊接变形；当超过金属的强度极限时，则会出现裂缝。（二）焊缝的外部缺陷1.焊缝增强过高 如图2-20所示,当焊接坡口的角度开得太小或焊接电流过小时，均会出现这种现象。焊件焊缝的危险平面已从M-M平面过渡到熔合区的N-N平面，由于应力集中易发生破坏，因此，为提高压力容器的疲劳寿命，要求将焊缝的增强高铲平。2.焊缝过凹 如图2-21所示，因焊缝工作截面的减小而使接头处的强度降低。 3.焊缝咬边 在工件上沿焊缝边缘所形成的凹陷叫咬边，如图2-22所示。它不仅减少了接头工作截面，而且在咬边处造成严重的应力集中。 4.焊瘤 熔化金属流到溶池边缘未溶化的工件上，堆积形成焊瘤，它与工件没有熔合，见图2-23。焊瘤对静载强度无影响，但会引起应力集中，使动载强度降低。 5.烧穿 如图2-24所示。烧穿是指部分熔化金属从焊缝反面漏出，甚至烧穿成洞，它使接头强度下降。 以上五种缺陷存在于焊缝的外表，肉眼就能发现，并可及时补焊。如果操作熟练，一般是可以避免的。 （三）焊缝的内部缺陷1.未焊透 未焊透是指工件与焊缝金属或焊缝层间局部未熔合的一种缺陷。未焊透减弱了焊缝工作截面，造成严重的应力集中，大大降低接头强度，它往往成为焊缝开裂的根源。2.夹渣 焊缝中夹有非金属熔渣，即称夹渣。夹渣减少了焊缝工作截面，造成应力集中，会降低焊缝强度和冲击韧性。3.气孔 焊缝金属在高温时，吸收了过多的气体（如H2）或由于溶池内部冶金反应产生的气体（如CO），在溶池冷却凝固时来不及排出，而在焊缝内部或表面形成孔穴，即为气孔。气孔的存在减少了焊缝有效工作截面，降低接头的机械强度。若有穿透性或连续性气孔存在，会严重影响焊件的密封性。4.裂纹 焊接过程中或焊接以后，在焊接接头区域内所出现的金属局部破裂叫裂纹。裂纹可能产生在焊缝上，也可能产生在焊缝两侧的热影响区。有时产生在金属表面，有时产生在金属内部。通常按照裂纹产生的机理不同，可分为热裂纹和冷裂纹两类。（1）热裂纹 热裂纹是在焊缝金属中由液态到固态的结晶过程中产生的，大多产生在焊缝金属中。其产生原因主要是焊缝中存在低熔点物质（如FeS，熔点1193 ），它削弱了晶粒间的联系，当受到较大的焊接应力作用时，就容易在晶粒之间引起破裂。焊件及焊条内含S、Cu等杂质多时，就容易产生热裂纹。热裂纹有沿晶界分布的特征。当裂纹贯穿表面与外界相通时，则具有明显的氢化倾向。（2）冷裂纹 冷裂纹是在焊后冷却过程中产生的，大多产生在基体金属或基体金属与焊缝交界的熔合线上。其产生的主要原因是由于热影响区或焊缝内形成了淬火组织，在高应力作用下，引起晶粒内部的破裂，焊接含碳量较高或合金元素较多的易淬火钢材时，最易产生冷裂纹。焊缝中熔入过多的氢，也会引起冷裂纹。裂纹是最危险的一种缺陷，它除了减少承载截面之外，还会产生严重的应力集中，在使用中裂纹会逐渐扩大，最后可能导致构件的破坏。所以焊接结构中一般不允许存在这种缺陷，一经发现须铲去重焊。二、焊接的检验对焊接接头进行必要的检验是保证焊接质量的重要措施。因此，工件焊完后应根据产品技术要求对焊缝进行相应的检验，凡不符合技术要求所允许的缺陷，需及时进行返修。焊接质量的检验包括外观检查、无损探伤和机械性能试验三个方面。这三者是互相补充的，而以无损探伤为主。（一）外观检查外观检查一般以肉眼观察为主，有时用520倍的放大镜进行