过程设备焊接1-课件

过程装备焊接性质—专业课任务—承压过程设备的安全可靠性要求—承压过程设备的制造工艺过程重点掌握焊接的理论知识方法—了解共性、掌握特点；课前预习课后复习；广泛阅读，勤于思考2023/7/23参考书目《焊接方法及设备》（第一分册电弧焊）

上海交通大学姜焕中主编，机械工业出版社，北京.1981年《焊接工程基础》熊腊森主编，机械工业出版社，北京.2019年《电弧焊基础》杨春利、林三保主编，哈尔滨大学出版社，哈尔滨.2019年

2023/7/23

１过程设备常用焊接方法重点：主要焊接方法的特点与应用1.1焊接方法概述

压力焊熔化焊母材不熔母材熔化电弧焊气焊等离子弧焊电渣焊金属焊接方法过程设备常用熔化焊2023/7/231.2手工电弧焊利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件和焊条加热熔化而进行的一种焊接．应用广泛、设备简单、易于维护.渣保护焊气体保护焊手工电弧焊*埋弧焊熔化极非熔化极氩弧电弧焊CO2混合气体钨极氩弧焊N2弧焊2023/7/23

使用灵活方便—可以在室内、室外和高空等各种位置施焊。对材料的适用性强—碳钢、低合金钢、耐热钢、低温用钢、不锈钢等都可以采用手工电弧焊。主要用于

■设备内部附件的焊接和支座、接管与开孔补强等部位的焊接。

■单件生产的设备的其他焊缝

■某些特殊类型的设备，如绕带容器，或因空间位置焊缝较多，或短焊缝多，也予采用

■有些压力容器的打底焊2023/7/231.2.1手工电弧焊焊接工艺广义的焊接工艺指焊接产品所有有关加工方法和实施要求。包括：

■焊前准备

■焊接材料选择

■焊接方法■焊接规范参数和操作要求等。手工电弧焊的焊接工艺是指具体的焊接规范参数和焊接技术。

（1）焊接规范参数

影响焊接质量和生产效率的各个工艺参数的总称。2023/7/23

■焊条牌号及直径

■电源种类和接法

■焊接电流大小*

■焊接层数和焊接速度*

a.焊条牌号及直径焊条牌号由母材决定（见第2章）焊条直径与焊件厚度、焊缝位置和焊缝层数等因素有关。主要根据被焊工件的厚度和位置来选择，直径3～5mm的焊条应用最广。

b.焊接电流增大电流，增加熔深，提高生产效率，流过大易咬边、烧穿和飞溅2023/7/23

电流过小，电弧不稳，焊条易粘住焊件或不易焊透。平焊时焊接电流可根据焊条直径由下式决定

c.电弧电压电弧电压决定于弧长。弧长指熔化的焊条端部到熔池表面的距离

■

电弧长时，电压高

■

电弧短时，电压低适宜的弧长对焊接质量很重要。缩短电弧的长度，可提高焊接电流，增加熔敷速度；拉长电弧易加剧熔化金属的飞溅，降低熔敷速度且引起2023/7/23边，末焊透等缺陷。应在保证不短路的情况下，力求采用短弧。实际中可根据焊条药皮取：

■低氢碱性焊条电弧电压20～22V

■酸性焊条电弧电压25～28V

d.电源极性

92023/7/23采用直流焊机时，有正接和反接两种接法正接—工件接正极，此时母材熔池温度较高，熔深大，有利于厚板焊接。反接—工件接负极,此时焊条端温度较高，其熔化速度较快，有利于提高焊接速度.

■

低氢型焊条均采用直流反接，此时焊接电弧稳定，飞溅较少，且有利于焊缝脱氢

■

酸性焊条厚板用正接,薄板用反接

■

焊薄件时酸性、碱性焊条都必须用直流反接2023/7/23

e.焊接层数过多过少均不好，可按下式确定层数：

n=S/d

式中，d为焊条直径，mm；S为工件厚度，mm。f.焊接速度焊条相对于焊件的直线运动速度焊接速度对焊缝的外观有直接的影响，同时对焊缝和热影响区的组织与性能造成一定的影响.在实际手工电弧焊中，焊接速度不作具体规定，焊工可视情况自行掌握。（表1-4为部分手工电弧焊典型规范参数）

（2）焊接技术2023/7/23

内容包括引弧、收弧、运条方式、焊条倾角和焊道接头方法等引弧、收弧处均易产生焊接缺陷，不能任意在容器壳体非焊接部位引弧，必须在坡口内壁或前层焊道上引弧，引弧点必须被电弧完全重熔。

（3）焊接空间位置

■平焊在水平位置或倾斜角在60°以下的斜面上的焊接。熔化焊条易入熔池，液体金属也不易流出，易于操作。可用较粗的焊条和较大的2023/7/23电流施焊，生产率高，焊接质量容易保证。

■

仰焊在倾斜角小于60°以下的平面下面位置的焊接。焊缝位于焊工头部之上，劳动条件差。熔化金属受重力作用易下坠滴落，熔渣难于浮出，质量不易保证。应尽量避免采用仰焊。

■

立焊在60°～100°倾角面而焊缝在垂直方向的焊接。

■

横焊在60°～100°倾角面而焊缝在水平方向的焊缝。以上两种焊接，熔化金属熔滴因自重容易向下坠流，常造成焊瘤、末熔合和夹渣，所以应用直径小于4mm的焊条，比平焊小10％～15％的焊接电流,2023/7/23采用短弧施焊。1.2.2手工电弧焊单面、双面焊形成工艺

■

焊接质量要求

成形良好完全焊透

■

双面焊、单面焊

■

单面焊双面成形由于受结构尺寸或形状等的限制，无法在两面进行焊接，只能在一面进行焊接，且要求焊后正反两面都得到均匀整齐、成形良好和质量符合要求的焊缝。

■技术关键第一层焊缝必须熔透和无夹渣等缺陷。

■工艺技术要求

a.坡口加工2023/7/23

■

板厚大于4mm时应开坡口

■

坡口的功用使焊条深入焊缝根部，保证根部焊透,便于清除熔渣和获得较好的焊缝成形,并调节母材与填充金属的熔合比。

■

坡口参数及作用张角α—方便焊条伸入与运动钝边

p—防烧穿1.5～2mm间隙

c—利于焊透

2～3mm

b.焊条直径选择与烘干

■

焊条过粗会造成未焊透和成形不良；过细会降低生产效率。

■

打底焊的第一道焊缝用焊条板厚δ4～6mm时,φ2.5mm2023/7/23

板厚δ8～20mm时,φ3.2mm板厚δ>20mm时,φ4mm

■

焊条必须按要求烘干后方能使用

c.装配组合与坡口清理

■

保证间隙均一

■

防止错边超标

■

坡口及其两侧应清理干净,防止产生气孔、夹渣或裂纹等缺陷。1.2.3手工电弧焊的常见缺陷

(1)外部缺陷

a.咬边焊缝边2023/7/23沿低于母材表面的凹槽。主要是焊接电流太大和运条不当造成。

b.焊瘤是根部焊缝背面局部突出的焊肉。主要是因电流过大，运条慢或钝边小，间隙大等造成。

c.内凹焊缝背面低于母材表面.由于熔化金属在重力作用下产生下坠造成.

d.溢流在焊缝两侧母材表面上附着2023/7/23的多余熔化金属。主要是由于坡口边缘的污物末清理干净或电流过大而形成。

e.弧坑焊缝收尾处产生的下陷现象。主要是熄弧时焊条未在熔池处作短时间停留或在薄板焊接时使用的电流过大而形成。(2)焊缝内部缺陷

a.气孔由于熔池吸入过多气体(H2、CO等），冷却时未能逸出而形成。主要由于焊条受潮或末烘干，焊件未很好清理，焊缝区有水、油、锈、油漆或气割残渣等而形成

b.夹渣焊缝中夹有的焊渣或其2023/7/23他杂质。熔化金属冷却过快，熔渣来不及浮出，焊速太快等而形成。

c.未焊透坡口间隙或边缘末被电弧熔化而留下的空隙。由于焊接电流太小，焊接速度过快，坡口角度过小，钝边太大或偏吹而产生。

d.未熔合填充金属和母材之间或金属层间没有熔合在一起（即虚焊）。主要是由于电流过小或焊速太快而产生。1.2.3

手工电弧焊机

（1）电弧静特性与电源外特性

■电弧静特性—焊接电流与电弧电压的变化关系2023/7/23焊接方法不同时，电弧静特性不同。

■手工电弧焊、钨极氩弧焊和埋弧焊相当于图中的abc段。其中bc段是正常焊接段，电弧电压与焊接电流的大小无关

■熔化极Ar弧焊和CO2气体保护焊的电弧特性2023/7/23相当于cd段，属上升静特性。

■电源外特性为电弧提供电能的装置称为弧焊电源（或称为电焊机）交流电源*

直流电源*

脉冲电源电源外特性—在稳定状态下，电源输出电压和电流之间的关系。焊接过程中电流变动越小越好，因此要求焊接电源有合适的下降外特性。

（2）手工电焊机的种类与型号

■交流焊机交流焊接变压器，构造简单、2023/7/23成本低、效率高、价格便宜、节能和维护方便。型号：BXl—300、BX3—400等B—表示焊接变压器

X—表示下降外特性数字1—表示焊机系列号数字300—表示额定电流（A）

■旋转式直流电焊机由一个发电机和电动机组成。焊接电流调节范围大且均匀，电弧燃烧稳定性能可靠应用广泛但结构复杂。型号：AXl—300、AX3—400等2023/7/23

A—旋转式直流电焊机其余同交流焊机

■硅整流式直流电焊机将工频交流电整流变为直流电的手弧焊设备（即弧焊整流器）。噪音小(无旋转部分)、效率高、用料少、成本低等特点，但电流的波动较大，电弧稳定性较差.已部分被旋转式直流电焊机代替.型号：ZXG—300、ZXG—500等Z—表示整流器焊机G—表示整流器2023/7/23

（3）电焊机的主要技术参数

■额定暂载率和额定电流—在选定的工作时间周期内，允许焊机连续负载的时间。

目的：控制焊机温升过高。（机温不得超过60～80℃

在规定时间内负载时间规定的工作周期

连续焊接，电流↓；断续焊接，电流↑任何一台焊接电源，暂载率↑，则允许焊接电流越↓。

■实际暂载率与允许工作电流暂载率=×100%2023/7/23焊接电源可有不同的用途而工作性质不同，电源的实际暂载率也不同。当实际工作暂载率与额定暂载率不同时，允许的焊接电流按下式换算

（4）手工电弧焊机选择注意要点

■适当的空载电压空载电压↓难引弧，过高，容量↑直流焊机55—90V交流焊机60一80V2023/7/23■焊机类别的选择根据焊条药皮性质确定碱性焊条必须采用直流焊机酸性焊条可采用直流焊机或交流焊机，但优先考虑交流焊机，经济↑重要受压设备旋转直流焊机大电流连续焊旋转直流焊机合金钢、不锈钢时直流焊机1.3埋弧自动焊1.3.1工作原理与特点（1）原理2023/7/23埋弧焊半自动埋弧焊—焊头手工并控制焊接速度埋弧焊自动焊—全部自动完成埋弧焊自动焊过程原理2023/7/23

（2）特点与应用

a.生产率高比手工电弧焊能提高生产率5～10倍

b.焊接质量高而且稳定焊接规范可自动控制调整，故焊接质量高而且稳定c.节省金属及电能焊丝金属没有飞溅损失，没有焊条头。较薄工件可以不开坡口，能节省大量焊接金属材料和熔化金属的电能。d.改善劳动条件e.设备费用高、灵活性差适用于厚度20mm以上受压壳体纵、环缝的焊接。既可焊接碳钢，也可焊接低合金钢、耐热钢和不锈钢。不适宜焊接薄板。2023/7/231.3.2焊接规范参数焊接规范参数—影响焊接质量的参数包括：■

焊接电流

■电弧电压

■焊接速度

■焊丝直径和焊丝伸出长度■焊接电源的种类和接法■坡口形式与装配间隙■焊接层数■工件预热温度这些规范参数对焊接质量的影响是通过焊缝形状系数和熔合比来反映的。2023/7/23

(1)焊缝形状系数与焊缝熔合比

a.

焊缝熔化宽度B与熔化深度H之比称为焊缝形状系数，即

Ψ=B/HΨ↑焊缝宽而浅，Ψ↓焊缝窄而深。一般控制在1.3～2之间，以利于熔池中的气体和杂质浮出，防止气孔、夹渣与热裂缝。2023/7/23b.焊缝中母材金属熔化的横截面积Fm与焊缝金属横截面积(Fm十Fn)之比，称为焊缝金属的熔合比，即γ=Fm/

(Fm十Fn)熔合比γ主要影响焊缝的化学成分、金相组织和机械性能。

γ↑，母材比例↑，填充金属↓，而焊丝中C、S、P↓，故γ↑对焊接质量不利。一般γ≤60～70%为宜。（2）主要规范参数对焊缝形状与质量的影响

a.电弧电压电弧电压↑，焊缝宽度B↑2023/7/23形成浅而宽的焊道，从而导致未焊透和咬边等缺陷。但是电弧电压↓，会形成高而窄的焊缝，使边缘熔合不良。

b.焊接电流与焊丝直径焊接电流主要影响焊丝的熔化速度及熔深。在保证焊缝金属性能和质量的前提下，总是选用尽可能高的焊接电流，以获得最高的焊接效率。实际使用中焊接电流可按焊丝直径确定（表1-5）焊丝直径主要根据所使用的焊接设备和所焊工件的形状和尺寸予以确定。

c.焊接速度

2023/7/23

焊接速度对焊缝的熔深和宽度有一定的影响焊接速度↑，热输入量、填充金属量↓易造成末焊透或边缘末熔合等缺陷。

(3)焊接线能量与焊接规范指单位长度焊缝上所得到的电弧热能量。其值由下式计算：U为电弧电压，V；I为焊接电流，A；V为焊接速度，m／h；2023/7/23η为热效率系数，埋弧自动焊可取0.85，手工电弧焊可取0.75。由上式可以看出，焊接规范参数的大小决定了焊接电弧所产生能量的大小。当焊速一定时，电流或电压↑可使焊接线能量↑。焊接线能量决定着焊接区的加热速度，对焊缝截面的大小和形状起决定性作用。焊接线能量过大或过小，都可能产生缺陷。实际中，根据钢材的化学成分、刚性等因素，用合适的线能量进行焊接，才能保证焊接接头具有良好的性能。2023/7/231.3.3埋弧自动焊的焊接技术要点主要包括

■接头形式和坡口尺寸设计

■坡口加工方法

■装配质量的要求

■焊接衬垫的使用

■引弧和收弧

■焊丝端的对中和电弧长度的控制等。(1)焊前准备对焊丝表面进行清理，焊剂烘干。工件待焊表面进行清理。保证坡口加工的精度.接缝的长度方向钝边和坡口角度误差不得超过公差范围。坡口边缘2023/7/23和坡口表面应打磨修整。严格控制接头的装配质量，应保证接缝错边不大于3mm和间隙均匀。为避免引弧与熄弧处的缺陷，一般在焊缝的两端焊上引弧板与收弧板,焊后切除。(2)焊接衬垫与手工封底焊埋弧焊时熔池体积较大，保持液态的时间较长，因此应加焊接衬垫常用的焊接衬垫有钢衬垫、手工封底焊缝、铜衬垫、焊剂衬垫和柔性衬垫等。(3)焊丝的对中与环缝焊丝提前量薄板和厚板对接焊丝的中心线对准接头的中心线2023/7/23

不等厚对接焊丝适当地向较厚侧偏移V形和U形坡口填充层焊接焊丝离侧壁的距离大致等于焊丝的直径

环缝焊接时，此应将焊丝逆焊件转动方向后移适当距离，以使焊接熔池在焊件转到中心位线置时凝固，避免液态金属溢流和焊道外形畸形。2023/7/23

a值一般取25—50mm，焊件直径↑，取值↓1.3.4埋弧自动焊机通常包括：

■自动焊小车—机头、控制盘、焊丝盘、焊剂斗和台车组成

■控制箱—发电机组、中间继电器、接触器、变压器、整流器和开关组成

■焊接电源—与手弧焊电源相似，只是焊接电源的容量比手弧焊电源大得多2023/7/231.4气体保护焊1.4.1原理与特点及常用方法

■

以电弧为热源，以气体作保护

■

电弧与熔池可见，便于观察；无熔渣，便于自动化

■

电弧热量集中，熔池小，结晶快便于薄板及空间位置焊接

■

采用惰性气体保护，可焊活泼性强的难焊金属常用方法有

■非熔化极气体保护焊—钨极氩弧焊，W棒为电极，不熔化，维持电弧

■熔化极气体保护焊—熔化极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊和熔化极氧化性混合气体保护焊2023/7/231.4.2钨极氩弧焊（TIG，Tungsteninertgaswelding）(1)原理与特点以W棒作电极引燃和维持电弧，以电弧热熔化金属，以焊丝作为填充材料，W棒不熔化。

■以惰性气体为保护，保护效果好，焊缝质量↑

■在低电流（20～30A）下仍可保持电弧性能，利于焊薄件

■热量集中，熔透能力强，利于打底焊

■

W极承载电流能力↓，电流过大易使引起钨极的熔化和蒸发→焊缝夹W，韧性↓2023/7/23

■钨极的价格较贵，成本较高。只有在对焊缝质量要求高的场合采用。2023/7/23（2）在过程设备中的应用

■薄壁件的焊接

■换热器管子与管板的焊接

■适用材料：不锈钢、有色金属；碳钢、低合金钢打底焊（3）电源与极性要求

■直流正接—焊件接正极，钨极接负极。电子从钨极→焊件，使70％的热量集中在焊件上，使焊件温度↑，而钨极的温度↓。结果熔深↑钨极承受电流值↑。

■直流反接—熔池较浅，W极易烧损，一般不用。2023/7/23

■交流—电弧特性介于直流正接和反接两者之间。交流电源结构复杂，设备投资大。主要用于表面易氧化的铝、镁及其合金的焊接。

1.4.3熔化极惰性气体保护焊（MIG，Metalinertgaswelding）（1）保护气体

Ar、He、N2，其中Ar应用最为广泛

（2）主要特点惰性气体保护性好；电弧燃烧稳定，熔深大于W极焊；焊丝熔化速度快，生产率大于W极焊。（3）适用场合

■厚度：中厚板及大厚板，高可焊性材料的薄板

■材料：碳钢、不锈钢，铝、钛等活泼性强2023/7/23的有色金属(3)焊接电源与极性与W极焊不同，必须采用直流反,即焊丝接电源正极接，提高焊丝熔化温度和焊接速度，使生产率↑。若采用正接，即焊丝接电源负极时，使熔滴过渡不稳定。1.4.4熔化极氧化性（活性）气体保护焊

（MAG，Metalactivegaswelding）

在惰性气体中加入一定量的氧化性气体(活性气体)如(Ar十C02)，(Ar十02)，(Ar十02十C02)等作为保护气体的电弧焊方法。2023/7/23(1)熔化极氧化性气体保护焊特点

■熔滴过渡的稳定性

■电弧燃烧稳定

■焊缝熔深形状及外观成形好

■电弧热功率大

■焊缝的冶金质量高，焊缝缺陷少

■焊接成本低。(2)常用方法及适用材料

a.氩气加二氧化碳气体(Ar十C02)既具有氩弧的特点又具有氧化性，克服了Ar焊接时表面张力过大，液体金属粘稠，斑点易漂移等问题适用于：低碳钢与低合金钢。2023/7/23

b.氩气加氧气(Ar十02)可以克服纯Ar保护焊接不锈钢时存在的液体金属粘度大、表面张力大，易产生气孔、易引起咬边、电弧不稳等问题。适用于碳钢、不锈钢等高合金钢和高强钢的焊接。

c.氩气加二氧化碳气体和氧气(Ar十C02十02)焊接低碳钢、低合金钢比采用上述两种气体作为保护气体焊接的焊缝成形、接头质量、金属熔滴过渡和电弧稳定性好。1.4.5二氧化碳气体保护电弧焊(1)二氧化碳气体保护电弧焊的特点

■焊接成本低（仅相当于埋弧焊的40％）,抗氢能力强2023/7/23■具有飞溅与合金元素的氧化烧损,不适用有色金属与高合金钢的焊接。■既可焊厚板也可焊薄板

(2)二氧化碳气体保护电弧焊接工艺要点a.焊丝直径主要采用φ0.6～φ1.2mm的细焊丝。实际应用中，焊丝直径≤