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焊接基本知识 天津市电力公司技术中心马崇2007年11月 2 目录 压力容器常用的焊接方法焊接接头承压类特种设备常用钢材的焊接 3 第一节锅炉压力容器常用的焊接方法 一 焊接的定义与特点1 定义 焊接是利用原子之间的扩散与结合 使分离的金属材料牢固地连接起来 成为一个整体的过程 GB T3375 94 焊接术语 通过加热或加压 或两者并用 并且用或不用填充材料 使工件达到结合的一种方法 焊接的实质是一个条件非常恶劣的热处理过程 焊接的应用非常广泛 天上 地下 水里都有 焊接工作量占整个压力容器制造工作的30 4 2 焊接的优点 6点 节省金属材料 减轻结构重量 且经济效益好 焊接结构比铆接结构重量可减轻15 20 比铸件轻30 40 比锻件轻30 简化加工与装配工序 生产周期短 生产效率高 结构强度高 接头密封性好 为结构设计提供较大的灵活性 用拼焊的方法可以大大突破铸锻能力的限制 焊接工艺过程易实现机械化和自动化 5 3 焊接的局限性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的影响 焊接接头中存在着一定数量的缺陷 如裂纹 气孔 夹渣 未焊透 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 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 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 6 二 焊接方法的分类 按工艺特点对焊接进行分类 分为三大类 熔焊 压焊 钎焊 7 对于锅炉压力容器行业 目前主要采用熔化焊 因为它具有强度高 气密 水密性好 材质和板厚选择范围大 工艺成熟 可靠性好等优点 8 三 集中常用的焊接方法手工电弧焊 埋弧自动焊 氩弧焊 二氧化碳气体保护焊 电弧焊即在电极和焊体之间造成电弧 利用电弧产生的热量 将被焊金属和焊条金属熔化 并形成一种永久接头的过程 电弧的产生 是利用具有一定电压的焊条和被焊工件之间瞬间接触而造成短路 在短路时 短路电流集中在两个电极 焊条和工件 的几个接触点上 这几个接触点上的电流密度特别高 瞬时即把接触点加热到熔化状态并产生金属蒸汽 当焊条离开金属焊件 而保持较小的距离时 在电压的作用下 两极间气体电离 保证了电流通过两极的空间 阴极放出电子 这些电子 正负离子分别奔向两极 即产生焊接电弧 9 一 几种焊接方法的对比 10 11 12 二 关于氩弧焊需要注意的问题 氩弧焊根据电极是否熔化分为不熔化极氩弧焊及熔化极氩弧焊 不熔化极氩弧焊通常叫钨极氩弧焊 它以钨棒作电极 在氩气保护下 靠钨极与工件间产生的电弧热 熔化基本金属进行焊接 必要时 也可另外填充焊丝 在焊接过程中 钨极不发生明显的熔化和消耗 只起发射电子引燃电弧及传导电流的作用 钨极氩弧焊电弧稳定 可使用小电流焊接薄工件 并可单面焊双面成型 近年在压力容器制造和安装中得到广泛应用 特别是采用钨极氩弧焊打底 然后用手工电弧焊或其它焊接方法形成焊缝 可以避免根部未焊透等缺陷 提高焊接质量 氩弧焊可用于各种焊接接头形式 但不同的接头形式下氩气的保护效果不同 对于对接接头和T字接头 氩气流具有良好的保护效果 但对于对角接接头的保护作用较差 空气容易侵入焊缝区 所以应预加档板以提高氩气流的保护效果 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 这些规范参数的大小又因焊接形式的不同而不同 其中氩气流量是影响焊接质量的重要因素 氩气流量增大 可以增大气流的刚度 提高抗外界干扰的能力 增强保护效果 但是氩气流量过大时 会产生不规则的紊流 影响电弧稳定 并将空气卷入电弧区 反而降低焊接质量 13 三 关于手工电弧焊的几个问题 设备 焊条 焊接位置及特点 1 设备 正接 工件接正极 焊条接负极 反接 工件接负极 焊条接正极 在焊接重要结构时 采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 14 2 焊条涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极称为焊条 焊芯 药皮 1 焊芯和药皮 15 2 焊条的种类根据用途分 碳钢焊条 低合金钢焊条 不锈钢焊条 铬和铬钼耐热钢焊条 低温钢焊条 堆焊焊条 铝及铝合金焊条 镍及镍合金焊条 铜及铜合金焊条 铸铁焊条和特殊用途焊条 按焊条药皮熔化后所形成的熔渣的酸碱性不同可分为 酸性焊条和碱性焊条 熔渣碱度小于1 5 酸性焊条和碱性焊条的对比 16 3 手工电弧焊的焊接位置及特点熔焊时 焊接接头所处的空间位置称为焊接位置 四种基本的焊接位置 平焊位置 立焊位置 横焊位置 仰焊位置 七种焊接位置 平焊位置 立焊位置 横焊位置 仰焊位置 平角焊位置 立角焊位置 仰角焊位置 管子环焊缝的焊接位置也有四种基本形式 水平转动 垂直固定 水平固定 450位置 对于不同的焊接位置 采用的焊接方法 选择的焊接规范以及焊工的操作手法都有所不同 焊缝外观成型与内部缺陷的发生也有各自的规律 17 焊接位置及特点 18 19 20 第二节焊接接头 一 焊接接头形式1 分类焊接接头形式一般由被焊接两金属件的相互结构位置来决定 通常分为 对接接头搭接接头角接接头T字接头2 焊接坡口形式 是指被焊两金属件相连处预先被加工成的结构形式 一般由焊接工艺本身来决定 坡口形式的选择原则 a 保证焊透 b 填充于焊缝部位的金属尽量少 c 便于施焊 改善劳动条件 对圆筒形构件 筒内焊接量应尽量少 d 减少焊接变形量 对较厚元件焊接应尽量选用沿壁厚对称的坡口形式 21 3 四种焊接接头形式对比 22 对接接头的坡口形式可分为不开坡口 V形坡口 X形坡口 单U形坡口及双U形坡口等种类 对手工焊来说 当构件厚度在3mm以下 对埋弧自动焊来说 构件厚度在14mm以下时 都可以不开坡口 直接施焊 V形坡口加工方便 但对同样厚度的焊件 采用V形坡口比采用X形坡口多耗费近1倍的焊条或焊丝 另外 由于沿厚度焊缝不对称 焊后常造成较大角变形 管子对接一般用V形坡口 X形坡口加工较V形坡口复杂 需从双面施焊 由于焊缝对称 焊后的角变形很小 焊条和焊丝消耗量也少 U形坡口焊条或焊丝消耗量较V形为少 但在焊后同样会产生较大角变形 双U形坡口焊条或焊丝消耗量最少 焊后变形也小 与V形及X形坡口比较 U形及双U形坡口加工比较复杂 一般在比较重要构件及厚度较大构件中采用 在高压 超高压锅炉和压力容器环缝焊接中常用双U形坡口 低压锅炉和容器焊接中 多用V形及X形坡口 23 24 二 焊接接头的组成焊接接头包括 焊缝 熔合区 热影响区三部分 1 焊缝是焊件经焊接后形成的结合部分 通常由熔化的母材和焊材组成 有时全部由熔化的母材组成 2 熔合区是焊接接头中焊缝与母材交接的过渡的区域 它是刚好加热到熔点与凝固温度区间的部分 3 焊接热影响区是焊接过程中 材料因受热的影响 但未熔化 而发生金相组织和机械性能变化的区域 热影响区的宽度与焊接方法 线能量 板厚及焊接工艺有关 三 焊接接头的组织和性能焊接接头中 焊缝金属是高温液态冷却至常温固态的 这期间经历了两次结晶过程 即从液相转变为固相的一次结晶过程和固相状态下发生组织转变的二次结晶过程 焊缝金属的一次结晶过程如下 结晶最先发生在熔池温度最低的熔合线部位 随着熔池温度的降低 晶体逐渐长大 在长大过程中 由于相邻晶体的阻碍 晶体只能向熔池中心生长 从而形成柱状晶 当柱状晶长大至相互接触时 一次结晶过程即结束 一次结晶过程中 由于冷却速度快 焊缝金属元素来不及扩散 会产生化学成分分布不均匀现象 这种现象叫偏析 偏析有可能使焊缝力学性能和耐腐蚀性能不均匀 还有可能产生缺陷 例如热裂纹的产生与偏析有关 焊缝金属的二次结晶的组织和性能与焊缝的化学成份 冷却速度及焊后热处理有关 25 低碳钢和低合金钢在平衡状态下的二次结晶组织是铁素体加少量珠光体 随着冷却速度的加快 珠光体含量增多 铁素体减少 焊缝的强度和硬度有所提高 而塑性 韧性则下降 含合金元素较少 Cr小于5 的耐热钢 在焊前预热 焊后缓冷条件下得到珠光体和部分淬硬组织 高温回火后可得到完全的珠光体组织 含合金元素较多 Cr5 9 的耐热钢 当焊接材料与母材相近时 在焊前预热 焊后缓冷条件下 焊缝通常为贝氏体组织 也可能出现马氏体组织 高温回火后可得到回火索氏体组织 当采用奥氏体不锈钢焊接材料的 则焊缝组织主要是奥氏体 奥氏体不锈钢的焊缝组织一般为奥氏体加少量铁素体 由于焊缝金属的化学成分较合理 二次结晶的晶粒较细 所以焊缝部位的金属具有较好的力学性能 加上焊缝余高使焊缝部位的受力截面增大 所以 焊接接头的薄弱部位不在焊缝 而在熔合区和热影响区 焊缝余高并不能增加整个焊接接头的强度 因为余高仅仅使焊缝截面增大而未使熔合区和热影响区截面增大 相反 由于余高的存在恰好在熔合区和热影响区粗晶区部位造成结构的不连续 从而导致应力集中 使焊接接头的疲劳强度下降 26 2 有关熔合区和热影响区的组织和性能的详细介绍如下 焊接过程中 热影响区沿宽度各点被加热的温度不同 因而焊后组织 性能也不相同 热影响区某点被加热达到的最高温度 在最高温度下停留的时间及随后的冷却速度 则决定了该点的组织情况 从热处理特性看 用于焊接的结构钢 可分为两类 一类是在一般焊接条件下淬火倾向较小 如低碳钢和含合金元素很少的低合金钢 称为 不易淬火钢 另一类含碳量较高或含合金元素较多 在一般焊接条件下淬火倾向较大 称为 易淬火钢 不易淬火钢热影响区的组织和性能 1 熔合区 不完全熔化区 此区为熔合线附近焊缝金属到基本金属的过渡部分 温度处于固相线和液相线之间 金属处于局部熔化状态 因此晶粒十分粗大 化学成分及组织都极不均匀 冷却后的组织属于过热组织 对于低碳钢 固相线和液相线之间温度区间很小 而电弧焊时此处温度梯度很大 所以这段区域很窄 但对于焊接接头的强度 塑性都有很大的影响 在很多情况下 熔合区附近是产生裂纹和局部脆性破坏的发源地 2 过热区 粗晶粒区 此区段处于1100度以上 晶粒十分粗大 冷却后可能出现粗大的魏氏组织 使钢的塑性和韧性都大大降低 晶粒粗大的程度与在高温下停留的时间有关 停留时间越长 晶粒越粗大 不同的焊接方法与焊接规范 焊后过热区的宽窄也不同 焊接速度越快 过热区越小 过热区的力学性能还随焊后冷却速度而变化 冷却速度提高 过热区强度 硬度增高 塑性及韧性降低 27 3 正火区 重结晶区 此区加热温度在AC3以上至1100度 低碳钢加热至这个温度区间 铁素体和珠光体全部转变为奥氏体 由于温度不太高 晶粒未长大 冷却后得到均匀细小的铁素体加珠光体组织 既有较高强度 又有较好塑性韧性 是焊接接头中综合性能最好的部位 此区相当于热处理中的正火组织 所以叫正火区 或叫细晶粒区 4 部分相变区此区加热温度范围在AC1至AC3之间 对20钢来说 温度在750 900度之间 在此温度下 珠光体和部分铁素体转变为晶粒细小的奥氏体 另一部分未转变的铁素体 在升温中晶粒长大 形成比较粗大的铁素体 冷却后 既有经过重结晶的细晶粒铁素体加珠光体 又有未发生相变的粗大晶粒铁素体 晶粒大小极不均匀 所以力学性能也较差 由以上分析可看到 热影响区中组织性能差的是熔合区和过热区 该部位在结构上是不连续的 容易形成应力集中 因而最易出问题 28 第三节承压类特种设备常用钢材的焊接 一 钢材的焊接性 29 二 控制焊接质量的工艺措施 低合金高强度钢的焊接最重要的原则是 避免淬硬组织和控制冷裂纹 采取的措施 合理选用焊接材料 控制焊接工艺 控制焊接线能量对防止奥氏体晶粒粗化有重要作用 焊接线能量和预热温度以及多道焊工艺措施可减少焊接接头的冷裂倾向 避免硬化组织产生 有利于氢的逸出 焊后消氢处理和焊后消除应力热处理是改善接头性能的常用方法 焊条的烘烤和坡口的清洁可减少气孔缺陷 预热焊接冷却速度 焊接能量参数 焊接电流 电弧电压 焊接速度 焊接工艺评定 多层焊多道焊 紧急后热 焊条烘烤和坡口清洁 30 三 低碳钢的焊接 一 用于锅炉压力容器制造的低碳钢的种类 1 普通碳素钢中的Q235AF Q235A Q235B Q235C 用于制造低压锅炉和容器 使用条件分别有明确和严格的限制 2 优质碳素钢中的10钢 20钢 常用的是无缝钢管 3 专用碳素钢中的20g和20R广泛地用于制造中低压锅炉和容器 二 低碳钢的焊接性低碳钢含碳量低 除冶炼时脱氧加入的硅 锰外 不含其他合金元素 所以工艺焊接性好 又有一定的强度 塑性及韧性 可以满足中低压容器的使用要求 1 低碳钢一般塑性较好 没有淬硬倾向 对焊接加热及冷却不敏感 焊缝和热影响区不易产生裂纹 2 一般焊前不需预热 但对大厚度结构或在低温环境施焊的焊件 可适当预热 3 平炉镇静钢杂质很少 偏析很小 不易形成低熔点共晶 所以对裂纹不敏感 沸腾钢中杂质较多 产生裂纹的可能性大 因而Q235AF的使用受到严格限制 只能用于低压 p 0 6MPa 小型及普通介质容器 4 如果工艺选择不当 可能会出现热影响区晶粒长大现象 温度越高 热影响区在高温停留时间越长 晶粒长大越严重 5