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压力容器焊接基础知识讲解人：宋业北,基本概念,1.什么叫焊接?答：两种或两种以上材质(同种或异种),通过加热或加压或二者并用,来达到原子之间的结合而形成永久性连接的工艺过程叫焊接.2.焊接接头的组成用焊接方法连接的接头称为焊接接头（简称接头），焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区三部分,一、焊接的特点：1、用焊接方法加工的结构易产生较大的焊接变形和焊接残余应力,从而影响结构的承载能力、加工精度和尺寸稳定性,同时在焊缝与焊件交界处还会产生应力集中,对结构的疲劳断裂有较大影响。2、焊接接头中存在着一定数量的缺陷,如裂纹、气孔、夹渣、未焊缝、未熔合等。这些缺陷的存在会降低强度,引起应力集中,损坏焊缝致密性,这是造成焊接结构破坏的主要原因之一。3、焊接接头具有较大的性能不均匀性。由于焊缝的成分及金相组织与母材不同,接头各部位经历的热循环不同,使接头不同区域的性能不同。4、焊接生产过程中产生高温、强光及一些有毒气体,对人身体有一定损害,因此要加强焊接操作人员的劳动保护。二、焊接方法的分类：,常用焊接方法1、手工电弧焊（SMAW）A、原理利用焊条和焊件之间的电弧热，将焊条和部分焊件熔化，形成焊接接头的焊接方法。焊接过程中焊条药皮熔化分解生成气体和溶渣,在气体和熔渣的共同保护下,有效地排除了周围空气对熔化金属的有害影响。通过高温下熔化金属与阳间的冶金反应,还原并净化焊缝金属,从而得到优质的焊缝。,焊接规范：（1）焊接电流：决定焊接电流的主要因素是焊条直径和焊缝位置。焊条直径越大,熔化焊条所需要的电弧热能就越多,因而焊接电流应相应加大。,在平焊位置焊接低碳钢或低合金钢时,常用下列公式计算焊接电流:I=Nd。式中I一焊接电流(A);d一焊条直径(mm);N一经验系数,通常取3050。焊接平焊缝时,可选用较大电流。在其他位置焊接时,为了避免熔化金属从熔池中流慧出,要使熔池小些,焊接电流也相应小些。(2)电弧电压：电孤电压主要影响焊缝熔化宽度,电压越高熔化宽度越大。而电弧电压是由电孤长度决定的,电孤长则电弧电压高,电孤短则电弧电压低。手工电弧焊时电孤不宜过长,因而电孤电压不高,变化范围也不大,一般为2025V。,(3)焊条直径：焊条直径主要根据被焊工件的厚度来选择,工件越薄,所用焊条越细。直径35mm的焊条用得最广。当工件厚度大于12mm时,焊条直径可取46mm。平焊时,可选用较粗的焊条以提高生产率。但对多层焊的第一层焊道,应使用不超过3.2mm的焊条,以保证根部焊透。以后各层可根据工件厚度而选用较粗的焊条。(4)焊接速度：焊接速度指焊条沿焊接方向移动的速度。手工电弧焊的焊接速度一般不作特殊的规定,而由焊工根据焊缝尺寸和焊条特性自行掌握。通常,工件愈薄,焊接速度应愈大。,(5)焊接层数：在中厚钢板手工电弧焊时,应采用多层焊。对同一厚度的钢材,其它条件不变时,焊接层数增加,有利于提高焊接接头的塑性韧性。焊接层数根据实践经验决定,大约是钢材厚度与焊条直径的比值(取整数)。手弧焊特点：设备简单；便于操作；适用于各种位置；可以焊接碳素钢、耐热钢、不锈钢、有色金属等多种材料。生产效率低；劳动强度大；对焊工技术要求高。C、手弧焊应用：使用最为广泛，几乎用于各种管道的焊接。,D、手工电弧焊的焊接位置：手工电弧焊可以在不同的位置进行操作,其中平焊位置、立焊位置、横焊位置、仰焊位置是四种基本焊接位置。管子环焊缝的焊接位置也有四种基本形式,即水平转动,垂直固定,水平固定,45位置。见下图：,2、埋弧自动焊(SAW)埋弧焊时电弧在一层颗粒状的可熔化焊剂覆盖下燃烧，电弧不外露。A、工作原理：焊接电弧在焊丝和工件之间燃烧，电弧将焊丝和电弧附近的母材熔化。熔化金属形成熔池，熔融的焊剂形成熔渣。熔池受熔渣保护，电弧向前移动，形成焊缝。B、特点：所用焊接电流大，电流密度大，熔深大，厚板可以一次焊接成型生产效率高；焊接速度高；焊接接头成形美观，焊接质量高；无飞溅，节省材料和电能；无弧光辐射，焊接烟尘小，对焊工危害小；利于实现自动化。设备复杂，灵活度不如手弧焊，不适用于全位置焊接。埋弧自动焊的焊接材料是焊丝与焊剂。焊丝是裸体金属丝,与手工电孤焊的焊条芯相似,在焊接中不断熔化并填充于焊缝之中。焊剂则与手工电弧焊焊条的药皮类似。,埋孤自动焊的主要焊接规范参数有焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径和伸出长度等。,3、钨极氩弧焊(GTAW)A、原理：利用外加氩气体作为保护介质，利用钨极作为导电电极的一种电弧焊方法。电弧发生在电极与焊件之间,在电弧周围通以氧气,形成连续封闭气流,保护电弧和熔池不受空气的侵害。B、特点：优点：a:氩气能有效地隔绝周围空气；它本身又不溶于金属，不和金属反应；钨极氩弧焊过程中电弧还有自动清除工件表面氧化膜的作用。因此，可以成功地焊接易氧化、氮化、化学活性强的有色金属不锈钢和各种合金。b:钨极电弧稳定，即使在小的焊接电流（小于10A）下仍可稳定燃烧，特别适用于薄板、超薄板材料的焊接。c:热源和填充焊丝可分别控制，因而热能输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也可实现单面焊双面成形的理想方法。d:由于填充焊丝不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。,不足之处是：a、:熔深浅，熔敷速度小，生产效率低。b:钨极承载电流的的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，造成污染（夹钨）。c:惰性气体（氩气、氦气）较贵，和其它电弧焊接方法（如手工电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等）比较，生产成本较高。,应用:钨极氩弧焊可用于几乎所有金属和合金的焊接，但由于其成本较高，通常多用于焊接铝、镁、钛、铜等有色金属，以及不锈钢、耐热钢等。对于低熔点和易蒸发的金属（如铅、锡、锌等），焊接较困难。常用于小径管的焊接和大口径管的打底焊缝。氩弧焊的焊接规范参数主要有焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径、氩气流量、喷嘴直径等。,4、二氧化碳气体保护焊（GMAW）A、原理：利用外加CO2气体作为保护介质，利用自动送进的焊丝作为导电电极的一种电弧焊方法。C02气体保护焊，二氧化碳气体包围着电弧和熔池,可以有效地防止空气对熔化金属的有害作用。但二氧化破与惰性气体不同,它本身是氧化性气体,在高温下可以将金属元素氧化，而且,在电弧高温下,二氧化碳会分解成一氧化碳和原子态的氧,这些原子态的氧更易使铁和其它合金元素氧化、烧损,从而降低了焊缝的合金含量及力学性能。,生成的氧化铁、二氧化硅等构成浮渣浮在熔池表面,反应产生的大量一氧化碳,在熔池冷却过程中来不及全部析出而形成很多气孔。由于锰、硅等元素比铁更容易与氧结合,因此在炼钢中常用锰、硅作脱氧剂。在二氧化碳气体保护焊中,也可以利用这些元素脱氧,从而解决二氧化碳对铁的氧化问题,同时弥补合金元素的烧损。因而,选用二氧化碳气体保护焊焊丝时,必须保证焊丝中含有足够数量的脱氧元素。常用于二氧化碳气体保护焊的焊丝是H08Mn2SiA等用于二氧化碳气体保护焊的二氧化碳气体一般系瓶装供应,通过管路,喷嘴输送至焊接区。气体纯度应不低于99.5%。,B、特点：优点：a:成本低b:质量好c:生产效率高d:操作性能好缺点：a当采用较大的电流焊接时，飞溅较大b烟雾较多，弧光强c焊缝表面成形不够美观d控制或操作不当时，容易产生气孔e焊接设备比较复杂。应用：多用于结构件的焊接。,五、常用焊接设备简介1、对焊接设备的要求应保证焊接电弧的稳定燃烧、获得优良焊接接头。A、有合适的外特性；B、适当的空栽电压；C、良好的动特性D、良好的调节特性。2、焊机分类A、交流电焊机（焊接变压器）：分类：动圈式、动铁式、串联电抗器式。牌号表示方法：BX1-300，交流电焊机是一个特制的降压变压器,可将初级电压380V或220V降到焊接空载电压6080V,其内部、加有一个比较大的感抗,以保证电弧稳定燃烧,并在一定范围内调节焊接电流的大小。交流电焊机具有结构简单,成本低,效率高,节省电能和使用维护方便等特点。,B、直流电焊机：又分为焊接发电机和弧焊整流器焊接发电机牌号表示方法：AX1-300。弧焊整流器牌号表示方法：ZPG2-500，硅整流式直流电焊机也称手弧焊整流器,是一种将工频交流电整流变为直流电的手工电弧焊设备。逆变电源：ZX7-400，直流电焊机的特点是直流电弧燃烧很稳定,所以用小电流焊接时常常选用,在焊接合金钢、不锈钢时,也常选用直流电源。直流电源又分正接、反接两种接法。正接是指工件接正极、焊条接负极;否则,就是反接。在焊接锅炉压力容器受压部件等重要结构时,常选用低氢型焊条以保证质量,这种焊条一般都要求用直流反接电源。,六、常用焊接材料简介1、手弧焊焊条：手工电弧焊焊条涂有药皮的供手弧焊用的熔化电极称为焊条。它由焊芯和药皮两部分组成。焊芯的作用：作为电极导电，形成焊接电弧；熔化后形成焊缝金属。药皮：涂敷在焊芯表面的有效成分称为药皮。药皮的作用为:1.稳弧作用：焊条药皮中含有稳弧物质,可保证电弧容易引燃和燃烧稳定。2.保护作用：焊条药皮熔化后产生大量的气体笼罩着电弧区和熔池,基本上能把熔化金属与空气隔绝开,保护熔融金属,熔渣冷却后,在高温焊缝表面上形成渣壳,可防止焊缝表面金属不被氧化并减缓焊缝的冷却速度,改善焊缝成形。,3.冶金作用：药皮中加有脱氧剂和合金剂,通过熔渣与熔化金属的化学反应,可减少有害物质对焊缝金属的危害,使焊缝金属获得符合要求的力学4.掺合金：由于电弧的高温作用,焊缝金属中所含的某些合金元素被烧损(氧化或氮化),这样会使焊缝的力学性能降低。通过在焊条药皮中加入铁合金或纯合金元素,使之随药皮的熔化而过渡到焊缝金属中去,以弥补合金元素烧损,提高焊缝金属的力学性能。5.改善焊接的工艺性能：通过调整药皮成分,改变药皮的熔点和凝固温度,使焊条末端形成套筒,产生定向气流,有利于熔滴过渡,可适应各种焊接位置的需要。焊条药皮成分有:稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、稀渣剂、粘结剂和增塑剂八类。,焊条的分类：1.根据用途分为：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、耐热钢焊条、低温钢焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条、镍及镍合金焊条、铸铁焊条等。2.根据焊接药皮成分和熔化后形成熔炸的酸碱性分为：酸性焊条和碱性焊条。3、常用焊条型号介绍E4303表示：E-焊条；43-熔敷金属抗拉强度最小值43Kg/cm2；0-适用于全位置焊接；3-表示焊条药皮钛钙型为酸性，交直流两用。相当于J422。E5015表示：E-焊条；50-熔敷金属抗拉强度最小值50Kg/cm2；1-适用于全位置焊接；5-表示焊条药皮为碱性，直流用。相当于J507,4.焊丝牌号表示方法：焊芯牌号编制焊芯牌号一律用汉语拼音字母H作字首,其后紧眼钢号,表示方法与优质碳素结构钢、合金结构钢相同。H08A、H08Mn2SiA5.焊材使用管理要求JB/T3223-1996焊接材料质量管理规程A、验收：合格证、说明书、标记；外观检查；偏心度测量；化学成分分析和机械性能实验。B、保存：离地面、墙壁距离；库房干湿度、温度；章物相符。C、焊条的烘干、发放：记录D、使用和回收：记录,4、焊接材料选用原则一、同种钢材焊接时，焊条(焊丝)的选用，一般应符合下列要求：(1)焊缝金属性能和化学成分与母材相当。(2)工艺性能良好。二、异种钢材焊接时，焊条(焊丝)的选用，一般应符合下列要求：(1)两侧钢材均非奥氏体不锈钢时，可选用成份介于两者之间或与合金含量低的一侧相配的焊条(焊丝)。(2)两侧之一为奥氏体不锈钢时，可选用含镍量较高的不锈钢焊条(焊丝)。异种钢焊接：不锈钢与碳钢焊接采用不锈钢焊条。,七、焊接接头1、焊接接头型式对接接头、角接接头、搭接接头、T型接头。坡口形式：I形坡口、V形坡口、U形坡口、X形坡口、双U形坡口等。,八、焊接应力和变形1、焊接应力2、焊接变形纵向缩短和横向缩短、角变形、弯曲变形、波浪变形。3、焊接变形的预防措施合理的装配顺序、焊前预热。,A焊接应力的产生焊接是一种局部的不均匀加热和冷却过程。焊缝及其附近地区的金属被加热、冷却、凝固、相变，直至常温。在这一热循环的作用下，由于局部、瞬时的热胀和冷缩作用，必然使结构中产生复杂的应力状态。1不均匀加热及冷却过程中的热应力2金属相变时的组织应力3结构自身拘束条件造成的应力B应力的危害焊接应力使焊接结构产生裂纹、脆性断裂、疲劳断裂，以及应力腐蚀开裂等各种类型的失稳破坏。引起焊接变形，使结构制造和使用过程尺寸精度难以保证。,1、焊缝纵向形成的拘束应力；2、焊道层间形成的拘束应力；3、焊件自身形成的拘束应力；,九、常见焊接缺陷1.气孔：指焊接时,熔池中的气体未在金属凝固前逸出,残存于焊缝之中所形成的空穴2.夹渣：焊后溶渣残存在焊缝中的现象3.裂纹：焊缝中原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生的缝隙4.未焊透：母材金属未熔化,焊缝金属没有进入接头根部5.未融合：焊缝金属与母材金属,或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷6.焊瘤：焊缝中的液态金属流到加热不足未熔化的母材上或从焊缝根部溢出,冷却后形成的未与母材熔合的金属瘤7.咬边：是指沿着焊趾,在母材部分形成的凹陷或沟槽8.烧穿：焊接过程中,熔深超过工件厚度,熔化金属自焊缝背面流出,形成穿孔性缺,6、其他缺陷(1)焊缝化学成分或组织成分不符合要求:焊材与母材匹配不当,或焊接过程中元素烧损等原因,容易使焊缝金属的化学成份发生变化,或造成焊缝组织不符合要求。这可能带来焊缝的力学性能的下降,还会影响接头的耐蚀性能。(2)过热和过烧:若焊接规范使用不当,热影响区长时间在高温下停留,会使晶粒变得粗大,即出现过热组织。若温度进一步升高,停留时间加长,可能使晶界发生氧化或局部熔化,出现过烧组织。过热可通过热处理来消除,而过烧是不可逆转的缺陷。(3)白点:在焊缝金属的拉断面上出现的象鱼目状的白色斑,即为自点F白点是由于氢聚集而造成的,危害极大。,压力容器焊接接头分类及其焊接要求,焊接环境出现下列任一情况是，须采取有效措施，否则禁止施焊。（a）风速：气体保护焊时大于2m/s，其它焊接方法大于10m/s；（b）相对湿度大于90；（c）雨雪环境；2.当焊件温度低于0时，应在始焊处100mm范围内预热的15左右。3.应在坡口内引弧，禁止在非焊接部位引弧。4.需要预热的焊件在整个焊接过程中应不低于预热温度。5.电弧擦伤处的弧坑需经修磨，使其均匀过渡到母材表面。,手工电弧焊工艺守则,1、总则1.1本守则适用压力容器、压力管道的制作、安装和维修的手弧焊。1.2本守则系手弧焊的指导性文件，可代操作指导书。2、焊条的使用及管理2.1焊条的管理应符合相关标准要求。2.2焊条应存放于干燥而通风良好的地方，严防受潮变质，并随用随折包装。对存放时间过长或受潮的焊条，必须烘干后方可使用。经焙烘的焊条放入80-100的低温烘箱保存。酸性焊条如E4303，焙烘温度（）150-200；保温时间（h）1-2。碱性焊条如E5016，焙烘温度350-400，保温时间1-2小时。,3、焊接过程重复使用的焊条：3.1使用的焊条冷至室温4小时后必须按工艺重新焙烘。3.2焊条重复焙烘不超过三次。4、焊工考试及要求4.1手工电弧焊工上岗前应经技术培训并按锅炉压力容器压力管道操作人员资格证考试合格才能上岗操作。4.2受压件的焊接工作应由相应项目考试合格的持证焊工担任。4.3焊工应符合下列要求：,4.3.1a、应熟悉和掌握图样要求，工艺规范及有关焊接的各种管理细则，并严格执行。b、自检焊缝坡口形状和尺寸及坡口的清洁程度是否符合工艺要求，不符合工艺要求的应向有关部门反映，未处理前不得进行焊接。c、产品焊接后，按规定在指定位置打上焊工代号钢印。焊工钢印不得转借他人使用。,5、装配5.1装配前坡口及边缘两侧各不小于10mm范围内的油污、铁锈、水份等杂物应清理干净，至露出金属光泽。5.2焊缝装配质量应符合工艺文件以及设计图样要求。5.3受压元件装配的定位焊必须由合格焊工担任，定位焊的工艺必须与焊件的焊接工艺相同5.4定位焊应有良好的熔深，其表面不得有裂纹，气孔、夹渣和熔合等缺陷。,6、焊前准备6.1焊前应检查坡口边缘，必须没有缺陷（如裂纹、夹层等）。同时清理坡口内的杂质。6.2装配完毕的焊件应尽快施焊，避免吸潮生锈。,焊缝外观质量要求,2.0焊接接头的外观质量要求：2.1焊缝与母材应圆滑过渡，以保证整个焊接接头部位受力状态较为均匀，尽量减少应力集中部位，具体要求为：2.1.1各类焊接接头（A、B、C、D）的焊缝与母材的交界处（熔合区）不应有突起和凹陷（咬边）；2.1.2焊缝金属不应低于母材，以保证该处有效截面不小于母材。,2.1.3A、B类对接接头余高不允许超高，C、D类角接接头焊缝形状应呈微内凹状，不应焊成外凸状；2.1.2焊缝金属不应低于母材，以保证该处有效截面不小于母材。2.1.3A、B类对接接头余高不允许超高（具体要求见2.3.3），C、D类角接接头焊缝形状应呈微内凹状，不应焊成外凸状；2.2焊接接头表面（包括焊接接头正反两面，其中包括角接接头的根部表面）不允许存在裂纹、未熔合、未焊透、表面气孔、弧坑、为填满和肉眼可看见的夹渣等缺陷，焊接接头表面的溶渣和两侧的飞溅物必须清除。,2.3焊接接头咬边要求如下：2.3.1使用抗拉强度规定值下限大于等于540MPa的钢材及钼低合金钢材制造的压力容器，奥氏体不锈钢、有色金属压力容器以及焊接接头系数取1.0的压力容器，其焊缝表面不允许出现咬边；2.3.2上款以外的压力容器的焊接接头表面咬边深度不得大于0.5mm，咬边的连续长度不得大于100mm，焊缝两侧咬边的总长度不得超过该焊缝长度的10；,a）A、B类焊接接头的余高见图和表的规定（双面坡口）,单面破口,b）C、D类焊脚高度要求：c）C、D类焊脚高度应根据图纸定或焊接工艺文件规定要求；d）当图纸无规定时，焊脚高度应等于焊件中较薄之厚度。对补强圈的焊脚，当补强圈的厚度不小