焊接特点和基础知识

1、 焊接特点和基础知识 焊接在现代工业生产中具有十分重要地作用，在制造大型结构或复杂地机器部件时，更显优越，因为它可以用化大为小，化复杂为简单地方法准备坯料，然后用逐次装配焊接地方法拼小成大，这是其他工艺方法难以做到的。焊接概述水冷壁焊接汽车制造动车组制造现场造船行业的自动化焊接水下焊接国家体育场鸟巢的焊接结构焊接的主要特点是： （1）节省材料，减轻质量； （2）简化复杂零件和大型零件的制造； （3）适应性好；可实现特殊结构的生产； （4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连 接成型； （5）降低劳动强度，改善劳动条件。焊接方法的应用： （1）制造金属结构件，承压设备； （2）制造机器零件和工

2、具； （3）修复。焊接特点和应用 焊接在承压类特种设备制造中也占有重要的地位。焊接质量对承压类特种设备的产品质量和使用安全可靠性有直接影响。许多承压类特种设备事故源于焊接缺陷，因此，对承压类特种设备无损检测人员来说，掌握焊接知识是非常必要的。焊接概述总重量达千吨级、壁厚280mm的大型热壁加氢反应器承压类特种设备常用焊接方法焊接接头焊接应力与变形承压类特种设备常用钢材的焊接焊接缺陷及其特征1 焊接定义 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子间结合的一种方法。 （1）熔化焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。 （2）压力焊 焊接过程中，必须对焊件施

3、加压力（加热或加热），以完成焊接的方法称为压焊。 （3）钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。焊接定义焊接分类2. 熔焊原理及过程熔焊的本质及特点 加热 熔化 冶金反应 结晶凝固 固态相变 形成接头 熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。热源 能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等

4、离子弧、电渣热、电子束和激光。熔池的保护 可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。填充金属 保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。熔化焊的三要素承压类特种设备常用的焊接方法手工电弧焊（SMAW）埋弧自动焊(SAW)氩弧焊(非熔化极TIG,熔化极MIG)二氧化碳气体保护焊(GMAW)等离子弧焊(PAW)电渣焊(ESW)手工电弧焊手工电弧焊是利用焊条与工件之间的电弧热，将焊条和部分工件熔化而形成焊缝的焊接方法电弧区域热量分布：阳极区 43，弧柱区21，阴极区36 手工电弧焊具有设备简单，操作灵活

5、，成本低等优点，且焊接性好，对焊接接头的装配尺寸无特殊要求，可在各种条件下进行各种位置的焊接，适于多种钢材和有色金属等是生产中应用最广的焊接方法。手工电弧焊的特点 手工电弧焊时有强烈弧光和烟尘污染，焊接质量不够稳定，焊缝短而不连续，焊缝宽度不均，劳动条件差，劳动强度大，生产率低，对工人技术水平要求较高。1.手工电弧焊电源基本要求 手工电弧焊电源应具有适当的空载电压和较高的引弧电压，以利于引弧，保证安全；当电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电弧电压应急剧下降；还应保证焊条与焊件短路时，短路电流不应太大；同时焊接电流应能灵活调节，以适应不同的焊件及焊条的要求。2.电源的种类 常用的手工弧焊电源根据输出

6、电流类型分为直流电焊机和交流电焊机 手工电弧焊设备2.电源种类 （1）交流弧焊机 它是一种特殊的降压变压器，具有结构简单、噪声小、成本低，效率高，使用和维护方便等优点，是手工电弧焊中应用最广泛的一种供电设备。但是需注意：交流弧焊机电弧稳定性较差。手工电弧焊 手工电弧焊（2）直流弧焊机 1）旋转式直流电焊机：由一台三相感应电动机和一台直流弧焊发电机组成。焊接电流可在较大范围内均匀调节以满足焊接工艺的要求。2）硅整流式直流电焊机:多采用硅整流元件，与旋转式直流电焊机相比具有噪声小，效率高，用料少，成本低等优点，正逐步代替旋转式直流电焊机 直流电焊机的特点是直流电弧燃烧稳定，所以用小电流焊接时常选用

7、。在焊接合金钢、不锈钢等材质工件时，也常选用直流电源。 直流电源根据接工件电极的不同，分为正接和反接两种接法。直流正接是指工件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）。直流反接是指工件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金）。手工电弧焊三.焊条；1.定义焊条是涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。 2.焊芯：焊条中被药皮包覆的金属芯作用（1）作为焊接过程的电极，产生电弧 （2）熔化作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属3.药皮：压涂在焊芯表面的涂料层作用：在焊接过程中造气，起保护作用，防止空气进入焊缝；同时具有冶金作用，如脱氧、脱硫、脱磷和渗合金等；并具

8、有稳弧、脱渣等作用，以保证焊条具有良好的工艺性能，形成美观的焊缝。4. 焊条的分类 (1)焊条按熔渣的化学性质分为两大类 酸性焊条 溶渣呈酸性(熔渣碱度)，药皮中含大量SiO2、TiO2、FeO 、MnO等酸性氧化物。优点：焊条工艺性能良好，成形美观，特别是对锈、油、水分等的敏感度不大，抗气孔能力强。缺点:焊缝金属的力学性能，特别是冲击韧性较低，抗裂性较差。 碱性焊条 熔渣呈碱性(熔渣碱度) ，药皮的主要成分为CaCO3、CaF2、CaSiO3和MgCO3等碱性氧化物。 优点：抗裂性能好，特别是冲击韧度较高。承压类特种设备制造中广泛使用碱性焊条缺点：对锈、油、水分较敏感，容易产生气孔缺陷，电弧

9、稳定性差，脱渣性不好，发尘量大。手工电弧焊(2)焊条按用途可分为十一大类 碳钢焊条、低合金钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。手工电弧焊四、手工电弧焊焊接工艺规范 焊接规范是影响焊接质量和焊接生产率的各个焊接工艺参数的总称。手工电弧焊时，焊接规范主要包括焊接电流、电弧电压、焊条种类和直径、焊机种类和极性、焊接速度、焊接层数等。 其中焊接电流主要影响焊缝的熔深，电弧电压主要影响焊缝的熔化宽度。手工电弧焊五、手工电弧焊焊接位置常用焊接位置：平焊、横焊、仰焊、立焊管子环焊缝分为：水平转动、垂直固定、水平

10、固定、45度位置。手工电弧焊埋弧焊1.定义 埋弧自动焊是利用专门的机械设备自动完成手工电弧焊中的引燃电弧、送进焊条以及移动电弧等焊接动作，并使电弧在较厚焊剂下燃烧的熔化焊。2.焊接过程 如下图所示，埋弧焊的焊接过程可概括为：自动送丝；引弧；焊剂自动下料；焊机匀速运动；电弧在焊剂下燃烧。 埋弧自动焊接过程（焊缝剖面图）埋弧焊焊丝与焊剂焊接材料焊 剂焊 丝熔 炼焊 剂陶 瓷焊 剂相当于焊 芯相当于药 皮 熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均匀，适于大量生产； 陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。 1、焊接质量高且稳定； 2、熔深大，节省焊接材料； 3、无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少； 4、自动

11、化操作，生产效率高。 5、设备昂贵，工艺复杂，适于长的直线焊缝和圆筒形 工件的纵、环焊缝的批量生产。埋弧自动焊的特点埋弧焊埋弧焊的焊前准备 板厚小于14mm时，可不开坡口； 板厚为1422mm时，应开Y型坡口； 板厚为2250mm时，可开双Y型或U型坡口。 Y型和双Y型坡口的角度为5060。埋弧焊 焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和熄弧板，以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中埋弧焊平板对接焊 一般采用双面焊，可不留间隙直接进行双面焊接，也可采用打底焊或焊剂垫或垫板。为提高生产率，也可采用水冷铜成型底板进行单面焊双面成型。环焊缝 焊接环焊缝时，焊丝起弧点应与

12、环的中心线偏离一距离e，以防止熔池金属的流淌。一般偏离距离为20 40mm，直径小于250mm的环缝一般不采用埋弧自动焊。多丝埋弧焊 同时有两个以上焊丝起焊接，焊接速度高，焊缝成型好。前一电弧保证熔深，后续电弧调节熔宽，使熔池形状及焊缝成型较为合理。埋弧焊 埋弧焊的应用 埋弧焊主要用于压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接，船舶和潜艇壳体的焊接，起重机械（行车）和冶金机械（高炉炉身）的焊接。埋弧焊三、气体保护电弧焊 用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。 （一） 氩弧焊 定义：氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊。 根据电极是否熔化分为不熔化极氩弧焊

13、（钨极氩弧焊）和熔化极氩弧焊 注：氩气氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会影响焊缝质量。钨极氩弧焊 以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长的特点，形成不熔化极氩弧焊。气体保护电弧焊气体保护电弧焊熔化极氩弧焊以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入

14、熔池，所用电流比较大，生产率高。板厚8mm以上的铝容器。为使电弧稳定，熔化极氩弧焊通常采用直流反接，这对于焊铝工件正好有“阴极破碎”作用。气体保护电弧焊气体保护电弧焊氩弧焊的特点及应用可焊接各种钢材、有色金属和合金，焊接质量优良。可全位置自动焊接。焊接热影响区小，焊件不易变形电弧稳定，焊缝致密，成型美观。氩气贵，设备复杂，焊接成本高。 氩弧焊主要用于易氧化的有色金属和合金钢的焊接,如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。适用于单面焊双面成形，如打底焊和管子焊接；钨极氩弧焊还适用于薄板焊接。气体保护电弧焊1.定义：利用CO2作为保护气体的气体保护焊，简称CO2焊。 CO2气体 CO2气体密度大，

15、高温体积膨胀大，保护效果好。但CO2在高温下易分解为CO和O，导致合金元素的氧化，熔池金属的飞溅和CO气孔。焊接用CO2纯度要大于99.8%。(二)CO2气体保护焊(二)CO2气体保护焊 CO2气体保护焊示意图2.二氧化碳焊特点焊接成本低。焊接热影响区小，焊件不易变形，焊接质量好。电流密度大，生产效率高； 操作性能好，适于全位置焊接采用大电流时，飞溅大，烟雾多。 CO2焊成本低，生产率高，焊缝质量较好，主要用于低碳钢和低合金结构钢焊接，适用于各种厚度。气体保护电弧焊四、等离子弧焊1. 定义：借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，利用机械压缩效应（电弧通过喷嘴细小孔道时的被迫收缩）、热压缩效应（在冷气流

16、的强迫冷却下，带电粒子流离子和电子往弧柱中心集中）和电磁收缩效应（弧柱带电粒子的电流线为平行电流线，相互磁场作用使电流线产生相互吸引而收缩）将电弧压缩为细小的等离子体，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法称为等离子弧焊。 等离子弧能量密度大（105106W/cm2），弧柱温度高，穿透能力强。10 12mm厚钢材可不开坡口，一次焊透双面成型，焊接速度快，生产率高，应力变形小。电流小到时，电弧仍能稳定燃烧，能保持良好的挺直度与方向性，所以可焊接很薄的箔材。等离子弧焊接在生产中已广泛应用，特别是国防工业及尖端技术所用的铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如钛合金导弹壳体、波纹管及膜盒、微

17、型继电器、电容器的外壳封焊以及飞机上一些薄壁容器均可用等离子弧焊接。但等离子弧焊接设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。等离子弧特点和应用等离子弧焊五 、电渣焊1.定义：利用电流通过熔渣时产生的电阻热加热和熔化焊丝和母材来进行焊接的一种熔化焊方法。分为丝极、板极、熔嘴和熔管电渣焊。2.电渣焊特点宜在垂直位置焊接适于大厚度件焊接，生产率高，焊接材料消耗少渣池对被焊件有较好预热作用，不易出现淬硬组织高温停留时间长，组织粗大，焊后必须进行正火和回火热处理焊缝成形系数调节范围大，有利于防止热裂纹的产生五 、电渣焊3.应用 电渣焊适用于板厚40mm以上结构的焊接。一般用于直焊缝焊接。目前电渣焊已在我

18、国水轮机、水压机、轧钢机、重型机械、锅炉制造、石油化工等大型设备制造中得到广泛使用。 电渣焊除焊接碳钢、低合金、中合金钢和高合金钢以及铸铁外，也可用来焊接铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金和铜。五 、电渣焊承压类特种设备常用焊接方法焊接接头承压类特种设备常用钢材的焊接焊接缺陷及其特征焊接接头一、焊接接头形式 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、角接接头及T字接头等。 每种接头形式下又有不同的坡口形式。根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽称为坡口。(各种坡口沟槽的形式参见GBT3375-94焊接术语) 坡口形式的选择主要考虑

19、以下因素：保证焊透填充于焊缝部位的金属尽量少便于施焊，改善劳动条件，如圆筒件，筒内焊接量应尽量少减少焊接变形量 焊接接头1.对接接头 将两金属件放置于同一平面（或曲面内），使其边缘相对，沿边缘直线（或曲线）进行焊接的接头叫对接接头。 对接接头是最常见，最合理接头形式。承压类特种设备多采用对接接头。I形，一般用于薄板V形，加工方便，耗焊材，角 变形大，单面施焊X形，加工复杂，双面施焊，角变形小，焊材损耗少U形，加工复杂，焊材损耗少，角变形较大双U形，加工复杂，焊材损耗少，角变形小 用焊条电弧焊焊接板厚在3mm以下的对接焊缝时，一般可用I型坡口直接焊接，但当焊接厚度大于3mm的构件时，需开坡口；板

20、厚在6mm26mm时，常开单面坡口；板厚在12mm60mm时，常开双面坡口。单面坡口的可焊性较好，但焊条消耗量大，且焊后易产生角变形；双面坡口受热均匀，变形较小，焊条消耗量也小，但必须两面施焊，有时受构件结构限制，不易实施。 埋弧焊的接头形式与焊条电弧焊基本相同，但由于埋弧焊选用的电流大、熔深大，所以在板厚小于14mm时可直接采用I形坡口单面施焊，焊更厚构件时需开坡口。1.对接接头两块板料相叠，而在端部或侧面角焊的接头称搭接接头。搭接接头不需开坡口，装配要求较松，受力情况复杂，接头应力集中严重，承压类特种设备一般不允许用搭接结构。2.搭接接头大型立式储罐的罐底板等一般采用搭接结构2.搭接接头3

21、.角接接头及T字接头两构件成直角或一定角度，而在其连接边缘焊接的接头称角接接头。两构件成T字形焊接在一起的接头，叫T字接头。角接接头和T字接头，常用于特种设备接管、法兰、夹套、管板、管子和凸缘等焊接。二.焊接接头的组成 熔焊热源的高温集中熔化焊缝区金属，并向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变化。焊缝区在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。熔合区熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区。热影响区-受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域。焊接热源特点：加热温度高（热处理加热温度以上100-200） 加热速度快(是热处理加热速度的几十

22、倍甚至几百倍)高温停留时间短(手工焊停留时间最大20秒,埋弧自动焊时30-100秒) 自然冷却（热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温) 局部加热(随热源的移动,局部加热地区的范围也移动) 焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类:易淬火钢,不易淬火钢,下面以不易淬火钢的组织分布和性能进行分析。 1.不易淬火钢:如低碳钢,某些不易淬硬的低合金钢,如等焊接接头的组织和性能1.不易淬火钢热影响区 焊缝区：结晶从熔池壁向中心推进，形成柱状的铸态组织。与基体金属性能接近，但熔池中心易出现杂质、疏松等。熔合区(不完全熔化区)：未熔化的过热组织和部分熔化的结晶铸态组织。虽然此区只有，但它是

23、焊接接头的危险区域之一。过热区（粗晶粒区）：高温影响，晶粒粗大。塑性和韧性下降，显著影响焊件接头性能。正火区（重结晶区）：最高加热温度比Ac3稍高，晶粒重结晶细化，获得正火组织。机械性能改善。部分相变区：最高加热温度比Ac1Ac3稍高，珠光体和部分铁素体重结晶细化。晶粒大小不均，机械性能稍差。1.不易淬火钢热影响区 一般，低碳钢焊件的热影响区较窄，危害性较小，焊后可直接使用；对于碳素钢和低合金钢焊件，焊后可进行正火处理，细化晶粒，改善机械性能；对于无法进行热处理的焊件，则需正确选择焊接方法和工艺条件，来减小热影响区的范围。 焊接过程中因工艺不当等因素可能会产生气孔（H、N、CO、H2O）、裂纹

24、(热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂)、未焊透、夹渣、夹杂（O、N、S化物）、未熔合、偏析、显微缺陷（位错、空穴、微裂等）的焊接缺陷，影响焊接接头性能焊接接头特点承压类特种设备常用焊接方法焊接接头承压类特种设备常用钢材的焊接焊接缺陷及其特征承压类特种设备常用焊接方法焊接接头承压类特种设备常用钢材的焊接焊接缺陷及其特征一、钢材的焊接性 二、碳素钢的焊接 三、低合金钢的焊接 四、不锈钢的焊接 承压类特种设备常用钢材的焊接焊接性：采用一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即其对焊接加工的适应性。 焊接性一般包括两个方面：工艺焊接性：主要指在给定的焊接工艺条件

25、下，形成完好焊接接头的能力，特别是接头对产生裂纹的敏感性，也称抗裂性；使用焊接性：在给定的焊接工艺条件下，焊接接头在使用条件下安全运行的能力，包括焊接接头的力学性能和其它特殊性能（如耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等）。 焊接性是金属的工艺性能在焊接过程中的反映，了解及评价金属材料的焊接性，是焊接结构设计、确定焊接方法、制定焊接工艺的重要依据。钢材的焊接性（二）钢的焊接性评定方法钢是焊接结构中最常用的金属材料，因而评定钢的焊接性显得尤为重要。由于钢的裂纹倾向与其化学成分有密切关系，因此，可以根据钢的化学成分评定其焊接性的好坏。通常将影响最大的碳作为基础元素，把其它合金元素的质量分数对焊接性的影响折合成碳

26、的相当质量分数，碳的质量分数和其它合金元素的相当质量分数之和称为碳当量，它是评定钢的焊接性的一个参考指标。钢材的焊接性碳当量（Carbon Equivalent)公式国际焊接学会日本焊接学会英国BS2462式中，各元素的质量分数都取其成分范围的上限。碳当量越高，裂纹倾向越大，钢的焊接性越差。一般认为，Ceq0.6%时，钢的淬硬和冷裂倾向严重，焊接性很差，一般不用于生产焊接结构。 碳当量公式仅用于对材料焊接性的粗略估算，在实际生产中，应通过直接试验（焊接性试验），模拟实际情况下的结构、应力状况和施焊条件，在试件上焊接，观察试件的开裂情况，并配合必要的接头使用性能试验进行评定(焊接工艺评定)。钢材

27、的焊接性焊接工艺评定 钢材焊接性影响因素很复杂，所以有一系列评定焊接性的试验，如刚性固定对接焊抗裂试验、斜Y型坡口焊接裂纹试验、十字接头裂纹试验等。为了验证焊接工艺性，在焊接试验的基础上需进行焊接工艺评定。焊接工艺评定的目的（功能）验证施焊单位拟定的焊接工艺的正确性，评定施焊单位焊制焊接接头的使用性能符合设计要求的能力。 焊接工艺评定的目的在于评定出合格的工艺，焊接接头的使用性能要符合要求。焊接工艺评定程序焊接工艺评定立项编制焊接工艺评定指导书焊接试件试件理化检验编制焊接工艺评定报告编制焊接工艺规程焊接工艺控制措施焊接工艺控制措施焊接工艺控制措施焊接工艺控制措施焊接工艺控制措施二、碳素钢的焊接

28、 Q235、10、15、20等低碳钢是应用最广泛的焊接结构材料，由于其含碳量低于0.25%，塑性很好，淬硬倾向小，不易产生裂纹，所以焊接性最好。焊接时，任何焊接方法和最普通的焊接工艺即可获得优质的焊接接头。但由于施焊条件、结构形式不同，焊接时还需注意以下问题：（1）在低温环境下焊接厚度大、刚性大的结构时，应该进行预热，否则容易产生裂纹。（2）重要结构焊后要进行去应力退火以消除焊接应力。 低碳钢对焊接方法几乎没有限制，应用最多的是手工电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊和电阻焊。采用电弧焊时，焊接材料的选择参见表。低碳钢焊接材料的选择焊接方法焊接材料应用情况手工电弧焊J421、J422、J423等一般结构J426、J427、J506、J507等承受动载荷、结构复杂或厚板重要结构埋弧焊H08 配HJ430、H08A 配HJ431一般结构H08MnA 配HJ431重要结构CO2气体保护焊H08Mn2SiA一般结构二、碳素钢的焊接低合金钢焊接经常出现的问题 （1） 热影响区的淬硬倾向 热影响区易出现淬硬马氏体，进而硬度明显增高，但塑性、韧性降低。 （2） 冷裂纹 焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时产生的焊接裂纹称为冷