20万KW电站锅炉汽包锅筒焊接工艺研究与设计

1、本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要本文在对国内外电站锅炉的焊接技术的现状及发展方向分析的基础上，结合工厂的生产实践，对20万kw电站锅炉的汽包锅筒的焊接工艺进行了深入的探讨与研究，提出了一套改进的焊接工艺方案。对bhw35锅炉用钢的各项性能的进行了分析，包括钢材的基本性能分析和焊接性分析，比较了几种常用焊接技术手段，对锅炉锅筒的焊接结构进行了了解。在以上分析的前提下，针对20万kw电站锅炉的工作条件及性能要求，选择了与之相适应的焊接工艺方法，包括各个结构的坡口设计，焊接接头设计，焊接设备及方法，相应焊接参数（焊接电流、电压、焊接速度），焊接材料几个方面，为保证焊接接头质量，顺利实现该工艺

2、方案打下了良好的基础。关键词：bhw35，埋弧焊，坡口，纵缝，焊接性i本科学生毕业设计（论文） abstractabstractthis text is on the basis of the welding technology developed-direction of untility boiler in the domestic and abroard,combination with the experiences of the factory ,with the researching and discussiong of the welding technology of th

3、e 200,000kw untility boiler drum,propose an improved programme of welding.by analysised the main functions of bhw35 boiler steel,including the analysis of basic properties of steel and weldability. comparison of several commonly used means of welding technology, analysised of the weld structure of b

4、oiler drum,in the above analysis on the premise,with the 200,000 kw utility boiler working conditions and performance requirements, selected with suitable methods of welding technology. including the structure of the groove design, the design of welded joints, welding equipment and methods, the corr

5、esponding welding parameters (welding current, voltage, welding speed), welding materials and so on. to guaranteening the quality of welded joints, the successfully realization of the programme laid a solid foundation.key words: bhw35, saw, groove, vertical joints, weldabilityiv本科学生毕业设计（论文） 目录目 录摘 要

6、iabstractii目 录iii1 绪论11.1电站锅炉焊接技术现状11.2 电站锅炉焊接技术发展趋势22 bhw35锅炉用钢性能分析32.1 bhw35钢的基本性能32.1.1 基本化学成分32.1.2 常温机械性能32.1.3 高温力学性能42.1.4 疲劳及断裂特性42.2 bhw35钢的焊接性分析62.2.1 bhw35钢的碳当量计算62.2.2 bhw35钢冷裂纹倾向分析72.2.3 bhw35钢热裂纹倾向分析82.2.4 bhw35钢热影响区脆化倾向分析82.2.5 bhw35钢层状撕裂分析92.2.6小结93锅炉汽包锅筒常用焊接技术简介103.1 焊条电弧焊103.1.1焊条电

7、弧焊特点103.1.2焊条的使用性能113.1.3焊条电弧焊的主要焊接参数113.2埋弧焊133.2.1埋弧焊的特点133.2.2埋弧焊的主要焊接参数143.2.3窄间隙焊接介绍143.3电渣焊163.3.1电渣焊的主要特点173.3.2电渣焊的主要焊接参数183.4小结194电站锅炉锅筒结构分析224.1电站锅炉简介224.2锅炉锅筒结构分析235锅炉锅筒焊接工艺分析与设计245.1纵缝焊接工艺分析与设计245.1.1坡口设计245.1.2 焊接接头设计245.1.3 焊接方法与设备选择245.1.4 焊接材料的选择255.1.5 焊接电流、电压和焊接速度的选择255.1.6焊后热处理及检验

8、255.1.7 注意事项255.1.8 纵缝的焊接工艺卡265.2环缝焊接工艺分析与设计275.2.1坡口设计275.2.2 焊接接头设计275.2.3焊接方法与设备选择275.2.4焊接材料的选择285.2.5 焊接电流、电压和焊接速度的选择295.2.6焊接注意事项295.2.7 焊后热处理及检验305.2.8 环缝的焊接工艺卡305.3下降管焊接工艺分析与设计315.3.1坡口设计315.3.2 焊接接头设计315.3.3焊接方法与设备选择315.3.4焊接材料的选择315.3.5焊接电流、电压和焊接速度选择325.3.6焊接注意事项325.3.7下降管的焊接工艺卡326 结论33感谢3

9、4参考文献35本科学生毕业设计（论文） 1 绪论1 绪论 1.1电站锅炉焊接技术现状对于电站锅炉的制造工艺，特别是焊接工艺，在近几年得到了飞速发展。电站锅炉一般可分为汽包、集箱、膜式水冷壁及蛇形管等四大块。而焊接技术的优劣将直接影响这些锅炉关键部组件的制造质量及制造进度。从目前国内主要锅炉制造企业情况来看，其焊接设备及工艺制造能力基本处于同一水平，但各自都有自己的特色，尤其是近几年来，上锅、哈锅、东锅都对各自企业进行了技术改造及添置先进设备。在国内，为适应电力建设发展和满足大型电站机组的生产需要，我国从美国c-e公司引进了300mw，600mw锅炉全部设计和制造技术，并成功试制出国内首台600

10、mw考核机组，为我国的大型火电机组的制造奠定了基础。“七五”、“八五”期间，锅炉行业所属主导企业以蛇形管和水冷壁为重点，率先引进了国外先进焊接设备和技术，如直管对接mig焊、热丝机械tig焊和管屏角焊缝脉冲mag焊设备等，填补了国内该领域的空白。目前，以tig/mig熔化焊为主的蛇形管生产线，已在国内各锅炉压力容器行业得到了广泛的应用。“七五”期间吸收引进了膜式壁管屏生产线，即双生法埋弧焊和一次成型mag焊，为锅炉水冷壁产品达到世界水平打下坚实的基础1。 近些年来，国内的锅炉厂均在积极进行技术革新，推行先进的焊接工艺，以适应锅炉工作参数的大幅提高及应用领域的不断扩展。不少公司采用了厚壁容器对接

11、缝的窄间隙埋弧焊，东方锅炉公司积极采用新工艺，包括热丝tig焊接技术，高效马鞍埋弧自动焊，窄间隙热丝tig焊，龙门式mpm焊等技术手段2。同时注重引进先进设备与自主开发相结合，如哈尔滨锅炉有限公司与东方锅炉股份公司增加了不同种类的mpm主机，其中东锅通过改造，使水冷壁的焊接能力显著增加，通过几年的生产实践，已经熟练掌握了mpm设备和mag技术，并积累了不少可借鉴的经验。汽包锅筒是锅炉产品中一个非常重要的部件，汽包的焊接质量一直受到制造厂家的高度重视及电厂用户的普遍关心。对于汽包的纵、环缝国内锅炉制造厂均采用单丝或双丝自动埋弧焊或窄间隙埋弧焊工艺，而对于下降管、给水管等大口径管座，一般采用马鞍形

12、自动埋弧焊，焊接效率高，焊接质量优良。除以上以外，国内还涌现了不少新的焊接自动化和机械化的新设备，如厚壁压力容器对接接头的全自动焊接设备，厚壁管件全自动多站焊接装置等3。 在国外方面，由于受到市场与制造成本的影响，欧美电站锅炉制造企业的生产制造能力和制造规模逐渐萎缩，其锅炉产品的制造逐步向低制造成本的国家转移；现在只有日本的锅炉制造企业还具有较强的制造能力，其中三菱重工业株式会社的制造工艺装备最强，制造工艺技术最先进，其优势主要体现在装备的自动化、系统化程度上。 总体来说，虽然国内以三大锅炉公司为代表的锅炉制造技术有了较大的进步，但就众多的中小企业来看，我国的焊接工艺和装备依然十分落后，手工操

13、作仍占相当大的比重，生产效率较低，产品质量不稳定，与发达国家的制造水平有较大差距，主要表现为： 焊接结构的应用不够广泛； 焊接的机械化自动化水平低； 常规焊接工艺落后； 焊机品种少，构成比例不合理；1.2 电站锅炉焊接技术发展趋势随着我国发电设备制造业迈入了前所未有的黄金期，国内主要锅炉制造企业均花费了大量资金从国外引进或国内自主开发先进的焊接工艺设备，并对原有制造工艺装备进行了改造，同时随着材料学，微电子学和能源科学的发展，电站锅炉焊接技术也有了新的发展方向，主要表现为4： 高效能焊接工艺技术与设备的开发与应用；包括管子激光对接焊技术与应用，电子束焊接技术与应用。 焊接设备自动化、系统化水平

14、的提升；包括蛇形管附件机器人的焊接技术与应用，水冷套机器人焊接技术与应用，水冷壁管排附件机器人焊接技术与应用，集箱管座机器人焊接技术与应用等。 焊接保护剂或自保护焊丝的使用； 气体保护焊在锅炉制造行业的发展；气体保护焊接是一种高效、优质、节能的焊接工艺，在国外广泛使用。为节约能源，降低消耗，该工艺还有很大的使用空间。 焊接电源的发展。总体而言，在我国的电站锅炉制造业中，已经推广使用了多种技术先进的高效焊接法，引进了为数不少的现代化设备，焊接生产工艺水平已达到了较为先进的水平。但是存在着较多的空白，为适应国际市场的需求，应当进一步开发新技术，提高企业自身竞争力。2本科学生毕业设计（论文） 2 b

15、hw35锅炉用钢性能分析2 bhw35锅炉用钢性能分析2.1 bhw35钢的基本性能bhw35钢为德国制造，相当于国产钢号为13mnnimonb钢，该钢合金元素设计合理，组织稳定 ，强度和冲击性能高，具有良好的综合力学性能和工艺性能，从引进中国以来，主要是作为国内大容器锅炉机组上用作汽包锅筒和压力容器等大型受压部件，已在生产实践中得到了广泛应用。通过二十几年的生产，设计和性能研究，积累了较为丰富的数据和经验，是一个相当成功的引进钢种。2.1.1 基本化学成分bhw35钢一般在正火加高温回火状态下使用，正火时的组织为b+f，回火时的组织为 b回+f，所以也称为低合金贝氏体钢。其化学成分见表2.1

16、所示5。bhw35钢的化学成分 表2.12.1.2 常温机械性能 本次所用材料的厚度为95mm，其常温机械性能见表2.2所示5。bhw35钢的常温机械性能 表2.2 牌号技术条件钢板厚度mms,mpab,mpas,%akv, j(横向)冷弯180dvm试样iso-v试样bhw35 德国梯森钢厂标准1003905697361820c4120c41合格 2.1.3 高温力学性能钢的高温力学性能表2.3机械性能指标材料厚度 mm在下列试验温度（c）下的最小值，mpa100200250300320350400屈服点0.2100373358353343339333304屈服极限b1005302.1.4

17、疲劳及断裂特性目前工程上认为疲劳过程包括疲劳裂纹形成阶段和裂纹扩展阶段，对bhw35钢制造的汽包的疲劳行为有所了解，并在工艺上作出相关的改进，具有实际的指导意义。图2.1为bhw35钢焊缝材料的应变疲劳曲线6。对于表面裂纹的扩展，常用paris公式da/dn=a(k)m来描述其扩展规律。其中a和m为材料的疲劳常数。1-p=50%的寿命曲线，2-p=99.9%的寿命曲线，3-对曲线1进行平均应力修正，4-对曲线2进行平均应力修正，5-对曲线3取安全系数，6-对曲线4取安全系数，7-英国bs5500标准疲劳设计曲线，8-美国asme规范疲劳设计曲线图2.1 bhw35钢焊缝材料的应变疲劳曲线表面裂

18、纹存在着深度和长度的两向扩展，两项扩展速率与裂纹的形状存在交互作用6。其扩展速率如下表2.4所示。bhw35钢的疲劳裂纹扩展速率表2.4牌号da/dn=a(k)mcmbhw352.37*10-92.50除了裂纹的扩展速率外，材料在循环周次为10-2低周期的疲劳性能也很重要。bhw35钢的低周期疲劳性能如表2.5所示。bhw35钢的低周期疲劳性能 表2.5钢号总应变幅p/2(%)下相应的断裂周次n2.01.51.00.80.50.40.2bhw351882617701341540410831122942对于bhw35钢的厚板焊接，通常采用窄间隙埋弧焊，焊接条件比较复杂，接头的拘束度大，而且焊缝的

19、成形系数较小，易形成双生柱状晶，坡口面角度很小，熔合线与外载荷方向几乎垂直，底层焊缝根部的累积塑性损伤严重，焊接残余应力应变较大，因此接头的损伤、断裂行为、韧性及使用性能一直是人们广泛关注的问题7。通过对试样的小试样缺口抗拉实验，得到其相应各特征区的临界断裂韧性参数wdc，分析各区的wdc分布及接头的薄弱部位7。如表2.6所示7。焊接接头各部位的断裂韧性参数值 表2.62.2 bhw35钢的焊接性分析金属材料的焊接性就是金属材料能否适应焊接加工手段，并形成完整的，符合一定使用性能和质量的焊接接头的特性。这包括金属材料对焊接加工的适应能力，指金属在焊接加工中是否容易形成缺陷;二是焊后行成的焊接接

20、头在一定的使用条件下可靠运行的能力。如果某种金属采用简单的焊接工艺就可获得优质焊接接头并且具有良好的使用性能或满足技术条件的要求,就称其焊接性好；如果只有采用特殊的焊接工艺才能不出缺陷,或者焊接热过程会使接头热影响区性能显著变坏以至不能满足使用要求,则称其焊接性差8。金属的焊接性有诸多的影响因素，主要包括：1)材料因素 材料是指用于制造结构的金属材料及焊接所消耗的材料。前者称为母材或基本金属,即被焊金属。后者称为焊接材料包括焊条,焊丝,焊剂,保护气体等。材料因素包括化学成分,冶炼轧制状态,热处理状态,组织状态和力学性能等.其中化学成分(包括杂质的分布与含量)是主要的影响因素。除碳外，钢中的一些

21、杂质如氧,硫,磷,氢,氮以及合金钢中常用的合金元素锰,铬,钴,铜,硅,钼,钛,铌,钒,硼等都不同程度地增加了钢的淬硬倾向使焊接性变差。2)设计因素 设计因素是指焊接结构在使用中的安全性不但受到材料的影响而且在很大程度上还受到结构形式的影响。 3)工艺因素 工艺因素包括施焊方法(如手工焊,埋弧焊,气体保护焊等),焊接工艺(包括焊接规范参数,焊接材料,预热,后热,装配焊接顺序)和焊后热处理等。在结构材料和焊接材料选择正确,结构设计合理的情况下工艺因素是对结构焊接质量起决定性作用的因素。4)使用因素 使用因素指焊接结构的工作温度，负荷条件(动载,静载,冲击,高速等)和工作环境(化工区，沿海及腐蚀介质

22、等)。一般来讲环境温度越低钢结构越易发生脆性破坏,承受交变载荷的焊接结构易发生疲劳破坏。因此，分析金属才了的焊接性对于焊接生产的顺利进行，产品质量的保证，有至关重要的作用。对于bhw35钢来说，主要分析冷热裂纹以及脆性的影响。2.2.1 bhw35钢的碳当量计算钢材中的各种元素,碳对淬硬及冷裂影响最显著,所以有人将钢材中各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并迭加起来,求得所谓的碳当量(ceq),以ceq值的大小估价冷裂纹倾向的大小,认为ceq值越小,钢材的焊接性能越好。在碳当量的计算中，国际焊接学会（iiw）采用8： （2.1）此公式对中高强度的非调质低合金高强钢焊接性的分析，有较好的指导作

23、用。而本次所用材料bhw35为调质钢，故不使用。日本jis和wes采用8： （2.2）此公式可用于分析低合金调质钢，适用的化学成分范围：c0.2或0.18；si0.55；mn1.5；cu0.5；ni2.5%；cr1.25；mo0.7；v0.1；b0.06；bhw35的化学成分在此范围，因此可以用此公式计算，并估计其裂纹倾向。计算得bhw35得ceq0.58，而强度极限b大约为700mpa，所以在焊接开始前，须对材料进行预热，预热温度范围为150200。美国焊接学会（aws）采用8： （2.3）此公式的使用化学成分范围是：c0.6；mn1.6；ni3.3%；cr1.0%；mo0.6；cu0.5-

24、1.0%；p0.05-0.15% ，当cu0.5%或p0.05%时，可不计入8。计算结果得：ceq=0.57，值较大，焊接性尚好，需进行预热，以及消除应力处理和敲击处理。碳当量公式没有考虑元素之间的交互作用,也没有考虑板厚,结构拘束度,焊接工艺,含氢量等因素的影响.因而用碳当量评价焊接性是比较粗略的,大多时候只用于对钢材焊接性的理论初步分析，使用时应结合相关焊接性实验而定。2.2.2 bhw35钢冷裂纹倾向分析 通过上述对bhw35碳当量的分析可知，c eq=0.58,热影区淬硬倾向较大 ,且淬硬倾向随冷却速度增加而增大，因此bhw35钢的冷裂倾向较大 ,预热 250 后进行焊接 ,过热区硬度

25、仍达339hv,因此 ,焊前要预热 ,随着预热温度的提高 ,过热区硬度下降 ,热影响区冷裂倾向亦下降。但是 ,局部的高温预热会产生附加热应力 ,该附加热应力随预热温度的提高而增大。可见 ,为了防止冷裂纹的产生 ,单纯增大预热温度是不利的 ,最好采用低温预热加后热工艺。从防止冷裂纹角度出发 ,提高焊接热输入是有利的5。2.2.3 bhw35钢热裂纹倾向分析bhw35属于低合金高强钢，一般含碳量都较低，而含锰量又较高，而且对s，p元素的含量控制较严，因此热裂纹倾向较小。但是由于其合金元素含量较高 ,而其中的大多数属于能引起再热裂纹的元素在cr-mo钢中，当cr1.0%时，随着cr含量的增加，再热裂

26、纹的倾向增大，因此，对bhw35进行焊接时，要注意再热裂纹的问题。,焊接接头在应力集中严重时 ,易产生轻微再热裂纹5。除了冷热裂纹倾向外，还要考虑其结晶裂纹倾向。材料在结晶时，随着结晶速度与温度的不同，可能出现裂纹。合金元素对结晶裂纹的影响十分复杂，但又非常重要，是影响裂纹最本质的因素。bhw35的主要元素c，si，mn，ni，mo，cr，nb，p等，都是增加结晶裂纹倾向的元素，即使是微量，也会使结晶区间大大增加；碳是钢中影响结晶裂纹的主要因素，并能加剧其他元素的作用。为了根据化学成分来判断焊接条件下焊缝（或母材）结晶裂纹倾向大小，建立了一些定量的判断参数，包括临界应变增长率（cst），热裂纹

27、敏感系数（hcs），以及最大裂纹长度lt等。 (2.4)根据bhw35钢的化学成分可代入公式2.4算得其cst=7.2*10-4，根据实验得到的结论当控制cst6.5*10-4时，可以防止裂纹产生。 (2.5)根据bhw35的化学成分可以得出其hcs=3.114，根据研究得出的结论为当hcs12焊条直径/mm23.23.24455-6 焊接电源的种类和极性 焊条电弧焊采用的电源有交流电源和直流电源两大类，应根据焊条药皮类型和焊条的使用说明来选择焊接电流的种类和极性。极性分为两种，一种为直流正接（dcsp），即焊件接电源正极，焊条接电源负极;一种为直流反接（dcrp），焊件接电源负极。一般碳钢焊

28、接结构是根据焊条直径来确定焊接电流的大小，焊条直径与焊接电流成正比，按如下的经验公式计算： (3.2)式中i为焊接电流（a）,d为焊条直径（mm），k为经验系数。k的选取范围见表3.2。 经验系数（k）的选取范围 表3.2焊条直径/mm1.62.0-2.53.24.0-6.0k20-2525-3030-4040-50应当指出，上式只提供一个大概的焊接电流范围，实际生产中，还要根据焊件厚度、接头形式、焊接位置、焊条种类等因素，通过试焊来调整和确定焊接电流大小。电流过小，易引起夹渣和未焊透；电流过大，易产生咬边、烧穿等缺陷。锅炉压力容器等重要结构焊接时，焊接电流的选择必须按评定合格的工艺规程来确定

29、。 电弧电压 由电弧长度决定（即焊条焊芯端部与熔池之间的距离）。电弧长，会减少电弧的挺度，电弧电压高，电弧燃烧不稳定，熔深减小，飞溅增加，且保护不良，易产生咬边、未熔合等焊接缺陷；电弧短，可提高焊接电流，增加熔敷速度，电弧电压低。因此焊接操作时应尽量采用短电弧，一般要求电弧长度不超过焊条直径，以使药皮充分燃烧而获得良好的保护。由以上分析可知，焊接电流是决定焊缝厚度质量的主要因素，而电弧电压是影响焊缝宽度的主要因素。所以选择合适的焊接电流和电弧电压对焊缝成形有着重要的意义。 焊接速度 焊接速度是指焊条沿焊缝长度方向单位时间移动的距离，它对焊接质量影响很大。焊速过快，易产生焊缝的熔深浅、熔宽小及未

30、焊透等缺陷；焊速过慢，使高温停留时间增长，焊缝熔深、熔宽增加，特别是薄件易烧穿，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗，机械性能降低，同时使变形量增大。确定焊接速度的一般原则是：在保证焊透且焊缝成形良好的前提下尽可能快速施焊，以提高生产率。 焊接层数的选择 对厚板进行焊条电弧焊时，应开坡口并采用多层焊（每层一条焊缝)或多层多道焊(每层有二道以上的焊缝)，否则会出现焊不透等缺陷。多层焊接时，若每层的厚度过大时，对焊缝金属的塑性（主要表现在冷弯角上）将有不利的影响。所以对质量要求较高的焊缝，每层厚度最好不大于4mm。多层焊和多层多道焊焊接接头的显微组织较细，热影响区较窄，因此，接头的塑性和韧度都比较

31、好，对于低合金结构钢等钢种，焊缝层数对接头性能有明显影响。焊缝层数少，每层焊缝厚度太大时，由于晶粒粗化，将导致焊接接头的塑性和韧度下降。因此，采用直径较细的焊条，选用较小的焊接电流施焊，以增加焊缝层数，是提高焊接接头质量的有效手段。3.2埋弧焊埋弧焊（saw）也是利用电弧作为热源的焊接方法。埋弧焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊剂覆盖下燃烧，产生电弧热量来熔化焊条（或焊丝），焊剂，并与母材金属焊接，由于电弧光不外露，埋弧焊由此得名。按操作方式可分为普通埋弧焊，半自动埋弧焊，自动埋弧焊等。工作示意如图3.2。 图3.2 埋弧焊工作示意图3.2.1埋弧焊的特点埋弧焊作为一种优质、高效的焊接方法，有自

32、身的一些特点。埋弧焊的主要特点有： 因为可使用较大的电流（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。 焊缝质量高，只要焊接工艺选择恰当，较易获得稳定高质量的焊缝。由于埋弧焊时电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好。主要不利方面为焊接位置受到限制 埋弧焊采用颗粒状焊剂进行保护，一般只适用于平焊或横焊位置，对焊件的倾斜角度有严格的要求，不便于观察 埋弧焊时不能直接观察坡口与电弧的相对位置。由于埋弧焊要使用较大的电流，焊接电流一般大于100a，所以电弧的稳定性较差，对于薄板件容易烧透。所以不适于焊接厚度小于1m

33、m的焊件。埋弧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中。3.2.2埋弧焊的主要焊接参数因为埋弧焊与焊条电弧焊均属于电弧焊类，所以在影响埋弧焊焊接接头质量的主要焊接参数方面类似，相同的方面就不再赘述。这里主要介绍焊丝伸出长度，焊剂颗粒，堆焊的高度，焊丝倾角和工件斜度等参数的影响12。 焊丝伸出长度 焊丝熔化速度由电阻热与电弧产生的热量共同决定的，其中电阻热与电流的平方成正比，q=i2r，所以熔化速度与伸出焊丝的长度成正比。焊丝伸出越长，电阻热越大，熔化焊丝的速度越快。 焊剂颗粒和堆焊

34、高度 焊剂颗粒应根据焊接电流的大小来选取，细小颗粒可以获得较大的熔深和宽而平坦的焊缝表面。焊剂堆太厚或太薄，都会在焊缝表面引起斑点、凹坑、气孔并改变焊道的形态。埋弧焊焊剂堆高一般在2540mm，应保证在丝极周围埋住电弧。当使用粘结焊剂或烧结焊剂时，由于密度小，焊剂堆高比熔炼焊剂高出 2050。焊剂堆高越大，焊缝余高越大，熔深越浅。因此，对焊剂层的厚度应加以控制，使电弧不再闪光，同时又能保证气体从焊丝周围均匀逸出。 焊丝倾角和工件斜度 焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾两种。焊丝在一定倾角内后倾时，电弧力后排熔池金属的作用减弱，熔池底部液体金属增厚，故熔深减小。焊丝前倾时，电弧大部分集中于焊接熔池，电

35、弧力使熔池向后推移，形成熔透深，余高大，熔宽窄的焊道。前倾一般很少，只有在焊特殊的环缝时使用。工件倾斜焊接时有上坡焊和下坡焊两种情况，它们对焊缝成形的影响明显不同，上坡焊时，若斜度角 612，则焊缝余高过大，两侧出现咬边，成形明显恶化。实际工作中应避免采用上坡焊。下坡焊的效果与上坡焊相反。3.2.3窄间隙焊接介绍窄间隙焊接技术按其所采取的工艺来进行分类分为窄间隙埋弧焊(ng-saw ) 、窄间隙熔化极气体保护焊(ng- gmaw )、窄间隙钨极氩弧焊(ng-gtaw) 、窄间隙焊条电弧焊、窄间隙电渣焊、窄间隙激光焊, 每种焊接方法都有各自的特点和适应范围。现主要介绍窄间隙埋弧焊和窄间隙熔化极气

36、体保护焊两种。窄间隙埋弧焊出现于上世纪80年代，很快被应用于工业生产，它的主要应用领域是低合金钢厚壁容器及其它重型焊接结构13。窄间隙埋弧焊的焊接接头具有较高的抗延迟冷裂能力，其强度性能和冲击韧性优于传统宽坡口埋弧焊接头，与传统埋弧焊相比，总效率可提高50%80%；可节约焊丝38%50%，焊剂56%64.7%14。窄间隙埋弧焊是在应用已有的焊接方法和工艺的基础上，加上特殊的焊丝、保护气、电极向狭窄的坡口内导入技术以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种专门技术。埋弧焊的优势和局限性就直接遗传给窄间隙埋弧焊技术，并在很大程度上决定着窄间隙埋弧焊的技术特性、经济特性、应用特性和可靠性。其主要特性有1

37、4: 埋弧焊时电弧的扩散角大，焊缝形状系数大，电弧功率大，再配合适当的丝壁间距控制，无需像熔化极气体保护焊那样，必需采用较复杂的电弧侧偏技术，即埋弧焊方法的电弧热源及其作用特性，可直接解决两侧的熔合问题，这是埋弧焊方法在窄间隙技术中应用比例最高的重要原因。 焊接过程中能量参数的波动对焊缝几何尺寸的影响敏感程度低。这是由于埋弧焊方法的电弧功率高，同样的电流波动量i，在埋弧焊时所引起的波动幅度要小得多。 埋弧焊过程中熔滴为渣壁过渡，液渣罩和固态焊剂的高效“阻挡”作用，根本不会产生飞溅，这是埋弧焊在所有熔化极弧焊方法中所独有的特性，正是窄间隙焊技术所全力追寻的。因为深窄坡口内一旦产生较大颗粒的飞溅，

38、无论是送丝稳定性、保护的有效性还是窄间隙焊枪的相对移动可靠性都将难以保证。 在多层多道方式焊接时，通过单道焊缝形状系数的调节，可以有效地控制母材焊接热影响区和焊缝区中粗晶区和细晶区的比例。通常焊缝形状系数越大，热影响区和焊缝区中的细晶区比例越大。这是由于焊道熔敷越薄，后续焊道对先前焊道的累积热处理作用越完全，通过一次、二次甚至三次固态相变，使焊缝和热影响区中的部分粗晶区转变成细晶区，这对提高窄间隙焊技术中焊态接头的组织均匀性和力学性能均匀性具有极其重要的意义14。埋弧焊方法依靠电弧自身特性而无需采取特别技术即可解决极小坡口面角度（07）条件下的侧壁熔合难题；焊缝几何尺寸对电弧能量参数波动不敏感

39、；无焊接飞溅的技术特性无条件地遗传给窄间隙焊技术，从而极大地提高了窄间隙埋弧焊时送丝、送气及焊枪在坡口内移动的可靠性，这对保证窄间隙焊接的熔合质量和过程可靠性起了决定作用。然而，埋弧焊方法的局限性也原原本本地遗传给了窄间隙技术。 由于狭窄坡口内单道焊接时极难清渣，使得窄间隙焊接时，必须采用每层2道（或3道）的熔敷方式，这将带来ng-saw技术中，不可能把填充间隙缩到像ng-tig，ng-gmaw那样小（10mm左右），而最小间隙一般也在18mm左右，这是ng-saw在技术和经济上难以更理想化的根本原因。 埋弧焊方法的诸多技术优势起源于大电弧功率，这将使得ng-saw时焊接热输入增大，焊接接头的

40、焊态塑、韧性难以提高，重要的ng-saw接头常常需要焊后热处理方可满足使用性能要求。 难以实施平焊以外的其它空间位置的焊接。窄间隙埋弧焊工艺方法和原理与普通埋弧焊工艺的不同之处在于，需要专用的窄间隙自动焊机和自动脱渣的焊剂。最大的难题是如何防止未焊透造成的缺陷。由于间隙较窄，热输入量较少，而且坡口面角度很小，低层焊缝根部的累积塑性损伤严重，焊接残余应力大。必须想办法使狭窄的坡口深处的侧面都能焊透充分。窄间隙焊接具有极高的焊接生产率，更优良的接头力学性能，更小的焊接残余应力和残余变形，更低的焊接生产成本等显著技术与经济优势，将其归为先进制造技术，当之无愧。要使窄间隙焊接技术更成熟化、更实用化、技

41、术经济优势更明显化，还应主要从以下方面加快技术开发和技术进步 14： 开发更低热输入的弧焊技术，以满足高强钢甚至高合金钢、空间位置适应性更宽等方面的需要； 开发gmaw方法的超低飞溅率控制技术（包括电源），以满足窄间隙自动焊工艺过程高可靠性、高稳定性的需要； 开发高抗干扰能力、高可靠性、高精度的自动跟踪技术，以满足焊枪在狭窄坡口内安全可靠运行，电弧在坡口内空间作用位置高度准确的需要。埋弧焊是目前工业领域应用最为广泛的焊接方法之一, 也是应用到窄间隙技术中最成熟、最可靠、应用比例最高的焊接方法。到目前为止, 在工业上比较成熟的窄间隙埋弧焊技术有以下几种，包括nsa技术，subnap技术，esab

42、技术，ansaldo技术和man-ghh技术等14 。窄间隙熔化极气体保护焊是1975年后研制成功的, 这一工艺是在采用特殊的焊丝弯曲结构以使焊丝保持弯曲从而解决坡口侧壁的熔透问题之后得以实现的。由于采用焊丝作为电极可采用大的电流密度 ,填充金属的熔敷速度快 ,同时适用于各种位置的焊接 ,焊后不需要清渣 ,且是明弧焊接便于监视和控制 ,非常适合焊接过程的机械化、自动化。保护气体常用用80%ar气+20%co2做保护气体，与直径为1.6mm的实心焊丝配合配合的气体保护焊方法, 用来焊接特殊形状复杂的接头。工业上比较成熟的ng-gmaw技术是表面张力过渡技术13。3.3电渣焊电渣焊是利用电流通过熔

43、渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。是一种在垂直位置或接近垂直位置使用的效单道焊过程，常用于连接厚度大于25mm的钢板或部件。在开始焊接时，使焊丝与起焊槽短路起弧，不断加入少量固体焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待熔渣达到一定深度时，增加焊丝的送进速度，并降低电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，从而转入电渣焊焊接过程。20世纪50年代初，乌克兰的巴顿电焊研究所发明了电渣焊，并用它代替大电流埋弧焊过程来焊接厚壁压力器上的纵向焊缝。工作原理如图3.4所示15。图3.4 电渣焊原理图3.3.1电渣焊的主要特点与其他的大电流熔焊过程不同，电渣焊不是电弧

44、焊过程。熔化焊丝和金属板边缘所需的热源是电流通过液体熔渣所产生的电阻热。根据所用的电极形状不同，可以分为丝极电渣焊，板极电渣焊和熔嘴电渣焊等。在电渣焊时，保持合适的渣池深度是获得良好焊缝的重要条件之一。因此，电渣焊要在垂直位置或接近垂直位置进行。并且在焊缝两侧加固定垫板防止渣流失12。电渣焊与一般电弧焊相比，有如下优点： 电渣焊一次可以焊很厚的工件，其实际能焊的厚度受设备和参数影响。由于大厚度的焊件一次焊成，故焊接生产效率高。 电渣焊时只要求工件边缘之间保持一定的装配间隙而不需要开坡口。焊接过程中焊剂，焊丝和电流的消耗比埋弧焊低，而且工件厚度越大，效果越明显。 电渣焊时金属熔池的凝固速率低，熔

45、池中的气体和杂质较易浮出，而且电渣焊焊缝产生气孔，夹渣的倾向性低。 电渣焊渣池的热容量大，对电流的短时间变化甚至中断不敏感。使用的电流密度范围大，可为0.2-300a/mm2。 电渣焊时，在许多情况下不需要进行预热，对易淬火钢实施电渣焊时，产生淬火开裂的倾向性小12。不过，电渣焊也有些固有的缺点，主要是电渣焊的焊接接头热影响区较宽晶粒组织粗大，抗冲击断裂韧性较差，只有通过焊后热处理（正火）才能改善韧性。因焊速慢，高温停留时间长。此外，焊缝平行面与粗糙金属颗粒结合，使标准的超声波无损检测设备难以识别出熔化边界上的缺陷。电渣焊的以上特点，使得它在焊接碳钢、合金钢、铝等金属材料，在重型机械、船舶、压力容器等制造业中应用普遍。3.3.2电渣焊的主要焊接参数 电渣焊的主要焊接工艺参数有：焊接电流、焊接电压、渣池深度、装配间隙、焊丝直径、焊丝数目、焊丝间距、焊丝伸出长度、焊丝摆动速度等。这些参数对焊缝质量和焊接过程稳定性的影响12。 焊接电流（送丝速度）焊接电流与送丝速度呈线性关系： （3.3）系数a0 ，b0与焊丝材料，直径，焊丝伸出长度和焊接电压有关。当焊接电流增大时 ，金属熔池的宽度增大，但是当电流达到某一值继续增大时，熔深和金属熔池宽度不断