焊接工艺学和焊接设备介绍压力容器行业

1、一 焊接金属学 由于在压力容器制造中，对焊缝金属的性能提出了相当高的要求。为保证焊缝金属完全达到所要求的性能，必须从焊接冶金上采取相应的措施。例如焊条电弧焊时，应采用优质药皮焊条，埋弧焊时必须正确选配焊丝与焊剂；气体保护焊时，必须选用合金成分恰当的焊丝等等。为选择合适的焊接材料，首先应全面了解焊接冶金过程的特点以及影响焊缝金属性能的冶金因素。(一) 焊接冶金过程的特点 在各种熔焊方法中，焊接冶金过程实质上是焊接填充材料和母材在焊接热源高温作用下，再次熔炼的过程，参与这种冶金反应的有气体、金属蒸汽、熔渣和熔化金属。如这些冶金反应能按所要求的方向进行，则能获得优质的焊缝金属。 焊接冶金过程与炼钢过

2、程相比，具有下列特点：焊接热源温度高 焊接电弧的中心温度高达60008000K，等离子电弧的中心温度高达1800024000K。金属熔池的平均温度为1700以上。在这样高的温度下，金属强烈蒸发，进人电弧区的气体会很快分解成原子，气体的活性大大增强。熔池体积较小 电弧焊时，熔池的最小直径仅56mm，最大的平均直径约5060mm。电渣焊时，熔池的体积较大，最大可达几百立方厘米。但与熔炼炉的体积相比就显得小多了。在焊接冶金过程中，焊接熔池处于被冷态母材基体包围之中。当焊接热源移开时，熔池金属的热量很快从母材金属散失，其冷却速度相当快，平均冷却速度可达4100s。因此，焊接熔池的冶金反应时间相当短，某

3、些冶金过程往往在尚未达到平衡就提前结束了。 熔化的填充金属以滴状过渡 由于各种熔焊方法所采用的填充金属直径较小(一般在电弧焊时，熔池的最小直径为56mm，最大直径为5060mm)，电流密度较大，熔化的填充金属大都以滴状过渡进入熔池，这就增大了熔化金属与气体，熔渣的接触表面积，加快了反应速度。虽然焊接冶金过程的时间短暂，然而由于有效反应速度快，仍能完成一系列冶金反应。达到净化熔池金属的目的。同时应注意到有害气体溶入熔化金属的速度和金属的蒸发也加快了。(二) 气体对焊缝金属性能的影响 在焊接过程中，空气中的氧和氮，焊条药皮或焊剂组分在高温下分解产生的一氧化碳、二氧化碳和氢，它们与熔化金属会发生各种

4、反应。在这些气体中，氧、氮和氢对焊缝金属可能产生严重的不利影响。1 氧对焊缝金属性能的影响 氧在钢中有一定的溶解度，当氧含量超过溶解度时，氧将以氧化铁和硅酸盐的形式存在。这些夹杂物会导致钢的强度、塑性和韧度急剧下降。图l曲线示出氧含量对低碳钢性能的不利影响。氧化物还可能与硫化物形成低熔点共晶体夹杂物加剧了焊缝金属的冷脆性和热裂敏感性。溶解于熔化金属中氧与碳、氢会发生作用，生成不溶于钢中的一氧化碳和水汽，导致焊缝金属中形成气孔。因此，在焊接过程中应采取各种措施和冶金手段，尽可能地减少焊缝中的氧含量。这些措施包括： 加强对焊缝区的保护；仔细清除焊件和焊丝表面，焊条药皮中的水分和污染物；在焊条药皮或

5、焊剂中加入脱氧剂，通过熔渣与熔化金属的冶金反应去除氧气。 目前。在压力容器制造中常用的几种焊接方法已能将焊缝金属的氧含量控制在相当低的水平(参见表1的数据)。值得注意的是，钨极氩弧焊焊缝金属中的氧含量最低。因此，对于一些高纯度合金和质量要求高的合金钢接头，最好采用钨极氩弧焊焊接。 图1：氧含量对低碳钢焊缝性能的影响表1：各种焊接方法的焊缝金属中的氧含量（体积分数，%） 焊接方法焊缝中氧含量焊接方法焊缝中氧含量焊条电弧焊 2 氮对焊缝金属性能的影响 氮在高温下可以原子形式溶入钢中，而在常温下氮在钢中的溶解度很低，且当温度从高温下降时，氮的溶解度会发生突变，以气泡的形式向外逸出。因此，氮是焊缝中形

6、成气孔的主要因素。在熔焊过程中，由于焊缝金属的冷却速度相当快，氮原子来不及完全从溶解状态中逸出，部分氮以过饱和状态固溶于铁素体中，另一部分氮以针状氮化物(氮化铁)的形式分布于晶界和晶粒内部，使钢的强度提高，塑性和冲击韧度急剧下降。由图2所示的曲线可见。当焊缝金属中的氮的体积分数（）超过0.01%时，氮所产生的不利影响已相当明显。此外，以过饱和状态固熔的氮，在室温和300以下的温度下会逐渐脱溶，并与铁结合形成稳定的针状氮化铁，使钢产生所谓“时效脆性”现象。也就是说，氮含量较高的焊缝金属，在室温或100300工作温度下，经过一段时间后，塑性和冲击韧度会明显地下降。因此，在焊接过程中必须采取必要的有

7、效措施，严格控制焊缝金属中的氮含量，例如加强对焊接电弧的保护，避免氮从空气中进入焊接区。在焊接材料中加入钛、锆、铌和铝等对氮亲和力较强的元素，使生成的氮化物以弥散状态分布于晶内，对钢不会产生如氮化铁那样有害的影响。 表2列出压力容器制造中常用焊接方法焊制的焊缝金属 图2：氮含量对碳钢焊缝金属的影响内的氮含量。从中可见，如以焊缝金属氮含量的高低来评定焊缝质量，即埋弧焊焊缝的质量最好、钨极氩弧焊(TIG焊)焊缝次之。表2：各种焊接方法的焊缝金属中的氮含量（体积分数，%） 焊接方法焊缝中氮含量焊接方法焊缝中氮含量焊条电弧焊3 氢对焊缝金属性能的影响 焊条药皮、焊剂中的水分、有机物，附着在焊丝和焊件表

8、面的油污和水分，在电弧的高温作用下会分解出氧和氢，它们以原子或离子形式溶入焊接熔池金属中。氢在铁中的溶解度随着温度的降低而急剧下降，如图3的曲线所示。由于焊接熔池的冷却速度很快，随着焊缝金属的凝固和冷却，溶解的氢只能少量逸出，大部分的氢则残留在已凝固的焊缝金属内。 焊缝金属中的氢大部分是以原子形式存在，由于氢原子的半径相当小，能在金属晶格中自由扩散，这种氢称之为扩散氢。部分的氢气聚集到金属 图3：氢在铁中的溶解度与温度和的微观晶格缺陷以及非金属夹杂物与基体金属的空 压力的关系曲线隙中，并结合成氢分子。这种氢分子的半径较大，不能再自由扩散，称其为残余氢。在焊缝金属中残余氢的含量相当少，大部分是扩

9、散氢，而且扩散氢对焊缝金属性能有较大的影响。表3列出各种焊接方法焊接的碳钢焊缝金属中扩散氢含量的典型数据。表3：各种焊接方法焊接的碳钢焊缝金属中的氢含量氢对焊缝金属可能产生下列不利的影响。如果在电弧焊时，熔池金属溶解了大量的氢气,则可能促使焊缝金属中气孔的形成，同时使其变脆。在低合金钢焊接接头中，氢可能引起焊缝金属和热影响区的冷裂纹。当焊缝金属在焊接收缩应力的作用下产生塑性流变时，溶解在晶格中的氢会扩散到显微组织的空隙处聚集起来或者在空隙内结合成氢分子，并产生较高的内压力。或者大量溶解在金属中使钢变脆，即产生所谓氢脆。表4所列数据说明氢含量对碳钢焊缝金属的塑性有较大的影响。 在碳钢和低合金钢焊

10、缝中，当氢含量较高时，氢在金属组织显微空隙处的聚集会明显增加，氢脆倾向提高。在这种情况下，在焊缝金属拉伸试样的断口上往往会出现大小不等的局部断裂面。这些断裂面一般成圆形，表面呈银白色，这就是所谓的“白点”，亦称为“鱼眼”。白点通常在全焊缝金属拉伸试样的断口上出现，在冷弯试样的受拉侧断面上也可观察到，这说明“白点”的形表4：氢含量对低碳钢焊缝金属塑性的影响试样状态氢含量/（mL/100g）抗拉强度屈服点断后伸长率断面收缩率焊后在低于10温度下放置10天5.458.231.811.619.2焊后经250/6h的去氢处理1.258.231.929.463.9成是以剧烈的塑性变形为前提的。“白点”的形

11、成也与焊缝金属的金相组织有关，例如在氢含量较高的纯铁素体和奥氏体焊缝金属中不易产生白点。 在低合金焊接接头中，氢是促使焊缝金属及热影响区产生冷裂纹的主要因素之一。冷裂纹是指焊接接头冷却到100以下的温度后形成的一种裂纹，并具有延迟特性，即在焊后一定的时间间隔里裂纹才萌生与扩展，故亦称其为延迟裂纹。 (三) 焊接冶金反应 在各种熔焊方法中，焊接气氛、熔渣、填充金属与母材熔化金属之间会产生各种不同的冶金反应。这些冶金反应包括焊缝金属的脱氧、脱氮、脱硫、脱磷和合金化等。在焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊和药芯焊丝电弧焊中，焊接冶金反应主要在熔渣、焊丝熔化金属和母材熔化金属之间进行。在氧化性气体保护焊(CO

12、2MAG)中，焊接冶金反应主要在焊接气氛，焊丝熔化金属和母材熔化金属之间进行。1 焊缝金属的脱氧 在正常的焊接条件下，焊接区的氧主要来源于焊条药皮、焊剂、药芯焊丝填充组分、保护气体，水分、焊件和焊丝表面的锈和氧化膜等。进入焊缝金属中的氧可通过脱氧(还原)反应加以去除。在焊接材料中。最常用的脱氧元素有Mn、Si、Ti和Al等。 锰的脱氧反应 锰的脱氧反应可以用下式表达： Mn+Fe0=Fe+MnO MnO呈碱性，不溶于铁，能与酸性氧化物SiO2等形成硅酸盐复合化合物，浮于熔池表面形成熔渣。 硅的脱氧反应 硅的脱氧反应按下式进行： Si+2Fe0=2Fe+SiO2 硅的脱氧作用较强，但SiO2的熔

13、点较高、粘度大、不利于脱渣。因此在焊接冶金中经常采用硅锰联合脱氧。当锰和硅的比例控制在37之内时，则能形成复合硅酸盐。复合硅酸盐的密度小，熔点低(1270)，容易浮到熔池表面形成熔渣。(SiO2)+(Mn0) = (MnO·Si02) 钛的脱氧反应 钛的脱氧反应可按下式进行：Ti+2Fe0 = 2Fe+TiO2 钛的脱氧作用比锰、硅强烈，脱氧反应产物不溶于铁，TiO2继续与FeO按下式反应，结合成钛酸盐，浮于熔池表面。(TiO2)+(FeO) (TiO2·FeO) TiO2还有稳定电弧的作用，脱渣性较好。 铝的脱氧反应 铝的脱氧反应可以用下式表达：2A1+3FeO = 3F

14、e+A120 3 铝的脱氧作用很强烈，但脱氧后形成的Al2O3熔点很高，且不溶于焊缝金属，容易引起夹渣。用铝脱氧还会造成气体突然膨胀而引起飞溅。 以上四种脱氧反应都是放热反应，其脱氧能力都与温度有关。随着温度的升高，脱氧能力降低，反之，温度降低，脱氧能力又提高。用单个元素脱氧的效果不如多元素联合脱氧。铝和钛由于对氧的亲和力太大，在电弧高温下极易烧损，不容易经过焊接电弧过渡到焊接熔池中去。因此，在焊接冶金中，最常用的是硅、锰联合脱氧。 2 焊缝金属的脱氮 焊缝金属中的氮主要来源空气，如对焊接区保护不好，空气中的氮很容易进入焊接熔池。焊缝金属的脱氮比脱氧较为简单，因为氮不是一种活性气体，它与其他元

15、素的反应较弱。控制焊缝金属氮含量的有效方法是加强对焊接区的保护，使它与空气隔绝。目前在压力容器制造中常用的熔焊方法，如焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、药芯焊丝电弧焊等都能对焊接熔池实施可靠的保护，可将焊缝金属中的氮含量控制在相当低的水平。因此，焊缝金属的脱氮不是焊接冶金的主要任务。 在某些情况下，当对焊缝金属的氮含量提出特殊要求时，在焊接材料中加入Ti、Al和Zr等氮化物形成元素，这些元素比铁优先与氮结合成稳定的氮化物TiN、AlN等，从而减弱了氮的有害作用。 这里顺便指出，在某些低合金钢和铬镍不锈钢中，微量的氮不是有害元素，而是作为合金元素有意加入的。如在15MnVNR钢中，利用微量的氮与钒形成

16、弥散的氮化物，可提高钢的强度，但不降低塑性和冲击韧度。 3 焊缝金属的脱硫 在熔焊方法中，焊缝金属的脱硫主要采用化学反应脱硫和熔渣脱硫两种方法。 化学反应脱硫是，通过焊接材料向熔池金属加入对硫亲和力比铁大的合金元素，将硫化铁中的铁置换出来。脱硫后形成的硫化物溶于熔渣达到去硫的效果。金属锰是最常用的脱硫元素，锰的脱硫反应按下式进行： FeS+Mn = MnS+Fe 硫化锰不溶于金属而进入熔渣之中。 熔渣脱硫是利用熔渣中的组分，MnO、CaO和CaF2等与FeS的相互作用达到去硫的目的。Mn0的脱硫反应按下式进行：FeS+Mn0 = MnS+Fe0CaO的脱硫反应如下： FeS+CaO = Fe0

17、+CaS这两种脱硫反应都有FeO产生，故在脱硫的同时，必须进行脱氧处理。CaF2的脱硫反应是通过氟与硫形成挥发性化合物，从焊接区排出。另外，CaF2与 SiO2相互作用形成CaO而加强了脱硫的效果。酸性药皮焊条中的主要组分是SiO2和TiO2等酸性氧化物，不含氟石成分，故脱硫能力较弱，焊缝金属的硫含量相对较高。碱性药皮焊条中含有大量的氟石、大理石和铁合金，脱硫能力较强，焊缝金属的硫含量很低，大大提高焊缝金属的塑性和低温冲击韧度。 4 焊缝金属的脱磷 焊接熔池中的磷主要来源于母材，焊条药皮或焊剂组分及填充丝。为使焊缝金属的磷含量降到最低的限度，应采取相应的冶金手段进行脱磷。焊接过程中的脱磷主要按

18、下列顺序进行：首先FeO与Fe2P按下列反应式相互作用，并形成P2052Fe2P+5FeO =P205+9Fe 2Fe3P+5FeO =P205+11Fe P2O5氧化磷在高温下不很稳定，容易分解，必须紧接着利用碱性氧化物CaO按下式与P2O5，结合成稳定的磷酸盐： 3CaO+P2O5 =Ca3P2O8 4CaO+P2O5 =Ca4P2O9磷酸盐不溶于金属而进入熔渣。由上式可知，在熔渣中应同时存在足够数量的CaO和FeO，脱磷反应才能比较完全。但在CaO含量较高的碱性焊接熔渣中，FeO含量限制得很低。如加入过多的FeO，必然会提高焊缝金属的氧含量，对焊缝金属性能产生不利的影响。所以单纯依靠焊接

19、熔渣脱磷，其效果并不显著。有效的办法是严格控制母材和各种焊接材料中的磷含量，使其保持在标准或产品技术条件规定的下限值。 5 焊缝金属的合金化为使焊缝金属具有符合技术要求的各种性能，需在焊接过程中向熔池金属添加合金元素，即使焊缝金属进行合金化。其必要性主要基于下列原因： 1）焊接熔化金属中的合金元素可能由于焊接电弧的高温产生氧化和蒸发而部分被烧损。 2）为防止焊接裂纹的形成，通常选用碳含量较低的焊丝，这可能使焊缝金属的强度降低。为使焊缝金属与母材基本等强，应对焊缝金属作附加的渗合金处理，以提高焊缝金属的力学性能。 3）为使焊缝金属具有某种特殊的性能，如为提高奥氏体不锈钢焊缝金属的耐蚀性，需对焊缝

20、金属添加适量的合金元素铌，以防止碳化铬的形成而产生的晶界贫铬现象。 向焊缝金属添加合金元素可采用下列三种方式：一是通过焊丝或焊条芯；二是通过焊条药皮或焊剂；三是通过药芯焊丝，在碳钢和低合金钢焊条电弧焊中，主要采用焊条药皮过渡合金元素，而在不锈钢和其他高合金钢焊条电弧焊时，通常采用焊条芯过渡合金元素。在埋弧焊和电渣焊时，按所焊钢种不同，分别采用焊剂或焊丝一焊剂联合渗合金。气体保护焊时，则主要采用填充焊丝，包括实心和药芯焊丝过渡合金元素。在焊条药皮，药芯以及焊剂中常用的合金剂有锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钛铁、铌铁和硼铁等。 综上所述。为了获得优质的焊缝金属，焊接冶金的重要任务是严格控制焊缝金属中的有

21、害气体，降低焊缝金属中硫、磷等有害杂质，并对焊缝金属进行合金化。通过净化焊缝金属和调整焊缝金属的化学成分来保证焊接接头达到所要求的各项性能。二 焊接方法论述(一) 焊接方法分类(二)压力容器制造中应用的焊接方法简介在压力容器制造中，拟采用的焊接方法主要根据被焊钢种、接头厚度、焊缝位置和坡口加工以及对接头的质量要求等来选择，同时还应考虑到该种焊接方法的效率、生产成本以及项目的特殊要求。目前，在我国压力容器生产企业中常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、熔化极气体保护焊、钨极惰性气体保护焊、药芯焊丝电弧焊和等离子弧焊等。本章将重点介绍上述各种焊接方法的工作原理、优缺点及其对焊接设备的基本要求

22、等。1 焊条电弧焊(1) 工作原理焊条电弧焊是指采用药皮焊条的一种电弧焊方法，通常以手工操作，俗称手工电弧焊。焊条电弧焊是利用产生于焊条和工件之间的电弧热熔化焊条和母材，形成焊接熔池，连接被焊工件。为实现焊条电弧焊，首先必需有一台适用的焊接电源，其次是用焊接电缆将电源的输出端与焊件和焊钳相接，构成焊接回路，如图4 所示。焊接电源通电后，焊条端部一触及焊件表面即可引燃电弧。此时，焊条和母材在电弧高温的作用下迅速熔化，并形成熔池。焊条在高温下燃烧分解，产生保护气体将焊接区与大气隔离。药皮熔化后形成的熔渣覆盖住正在凝固的焊缝金属，最终形成致密的优质焊缝。图5形象地描绘了上述过程。+ - 图4：焊条电

23、弧焊的工作原理 图5：焊条电弧焊时焊缝的形成过程(2) 优、缺点 优点： 焊接设备简单； 工艺灵活； 对工作场地无特殊要求； 可在任何位置焊接； 对各种钢材的工艺适应性强；可焊接几乎是所有的压力容器用钢，包括碳钢、低合金钢、不锈钢和耐热钢； 焊缝金属的力学性能优良，特别是低温冲击韧度相当高； 焊条的品种齐全，可按技术要求选择与母材性能相配的焊条； 操作方便，容易控制。 缺点： 焊接生产效率低，每种规格焊条适用的焊接电流范围窄，焊条熔敷速度较低，焊条长度固定（450mm以下），需不断更换焊条，增加了焊接辅助时间； 焊接劳动条件差，焊接环境有毒烟尘大； 对焊工操作技术要求高，必须经过专门的培训。

24、(3) 对焊接电源的基本要求足够高的空载电压为保证可靠的引弧，焊接电源必须具有足够高的空载电压。通常，对于交流弧焊电源，空载电压适宜的范围为U55-80V ，对于直流弧焊电源U=45-70V 。陡降的外特性焊条电弧焊用焊接电源应具有陡降的外特性，这是由药皮焊条电弧的静特性所决定的。所谓电弧的静特性就是一定长度的电弧稳定燃烧时，电弧电压与焊接电流之间的关系，焊条电弧焊的电弧静特性曲线如图6所示。 电弧稳定燃烧时，焊接电源输出电压与焊接电流的关系曲线就是焊接电源的外特性。焊条电弧焊用焊接电源的外特性如图7所示。从中可以看出，当使用缓降外特性的电源焊接时，随着弧长变化焊接电流变化较大，因手工操作，弧

25、长的变化在所难免，为保证焊接过程中焊接参数基本稳定，采用陡降特性的弧焊电源是适宜的。 图6：焊条电弧焊焊接电弧的静特性 图7：外特性不同焊接电源在弧长 a 弧长5mm b弧长2mm 变化时引起的电流波动良好的动特性弧焊电源的动特性是指电源的输出电压和电流在引弧和熔滴过渡过程中的瞬变特性。在焊条电弧焊接过程中，电弧长度由于焊条金属熔滴的过渡而产生不断地变化，促使电弧电压和焊接电流发生相应的变化，如图8所示。当熔滴从焊条端下落，接触熔池表面而形成短路时，电弧电压突然下降，接近于0，而焊接电流急剧增大，并产生短路爆炸现象，导致电弧燃烧不稳定。为消除这种不良影响，必须使焊接电流在弧压接近O 时不发生突

26、变，而应较缓慢地上升。焊接电流调节范围应宽为满足各种形状和不同厚度焊件焊接的工艺要求，弧焊电源应具有较宽的焊接电流调节范围，在各种弧焊电源中，焊接电流是以改变电源外特性曲线的形状来调节的。各种不同形状的外特性曲线与电弧静特性曲线相交，可以得到一系列稳定的工作点，即可获得数值不同的焊接电流，如图9所示，调节的方法视弧焊电源的设计结构而异。图8：焊条熔滴过渡时，焊接电流和 图9：弧焊电源焊接电流调节原理图 电压的瞬时变化2 埋弧焊(1) 工作原理 如图10所示，埋弧焊焊接时，焊丝与焊件分别与焊接电源的输出端相接，焊丝由送丝机构连续向覆盖焊剂的焊接区送给。电弧引燃后，焊剂、焊丝和母材受电弧热作用迅速

27、熔化并形成熔池。熔渣起到良好的保护作用，熔融的焊剂与熔化金属之间，可产生各种冶金反应，正确的控制这些冶金反应进程，可以获得化学成份、力学性能和纯度符合预定技术要求的焊缝金属。图10：埋弧焊过程原理图(2) 优、缺点 优点：效率高、质量好、成型美观、无弧光辐射和易于实现自动化。 缺点：投资高、占地面积大，只能在平焊和横焊位置焊接 (3) 对设备的基本要求 引弧容易 焊接过程中电弧稳定燃烧 焊接参数可持续保持稳定，波动小 焊接参数调节范围宽，适应不同工艺要求 具有良好的动特性，电压和电流瞬时波动小 一般应具有平、陡两种外特性可调整，能与 不同的送丝系统相配 图11：不同电源外特性的电弧自调节作用

28、3 熔化极气体保护电弧焊熔化极气体保护电弧焊，英文名称缩写以字母GMAW或MIG/MAG表示，它是采用气体作为保护介质的一种焊接方法。 (1) 工作原理熔化极气体保护电弧焊是利用焊丝与焊件之间建立的电弧熔化焊丝和母材，形成金属熔池连接被焊工件。熔化极气体保护焊焊接过程的示意图见图12。焊丝由送丝机构连续送人焊接区，保护气体从焊枪喷嘴以层流形式喷出，对焊接电弧和金属熔池进行有效的保护。焊丝与工件之间的电弧由直流电源供电，维持电弧稳定燃烧。焊丝在电弧热作用下熔化并按所选用的焊接电参数以不同的方式向熔池过渡。焊接过程的稳定性取决于送丝速度的稳定性，焊接电源特性和保护气体的性质等多种因素。图13示出熔

29、化极气体保护焊所需的焊接设备和器具，其中主要包括：焊接电源、送丝机、焊枪、供气系统、焊丝盘和指示仪表等。图12：熔化极气体保护焊原理图及焊接设备组成一例图13：熔化极气体保护焊设备组成系统图 (2) 优、缺点 与其他弧焊方法相比，MIG / MAG 焊具有下列优点：与焊条电弧焊相比，焊接效率可提高2 -3 倍，不仅熔敷率高，而且焊缝表面无熔渣，不需清渣，省去了焊条电弧焊中更换焊条的辅助时间。 MIG / MAG 焊可以采用直径很细（0.8mm ）的焊丝，焊接熔池体积较小，易于控制，不仅可焊接薄壁焊件，而且适合全位置焊接。焊接热输人低，焊接速度高，焊接变形小。 对接头的装配间隙搭桥性好，可适应装

30、配质量较差的封底焊道的焊接。缺点：对焊接设备的技术要求较高，设备造价相对较贵，焊接过程飞溅较大，气体保护效果易受外来气流的影响，焊接参数之间的匹配关系较严格等。但只要采用合理的工艺方案和工艺措施，这些缺点基本上可以克服。(3) 对设备的基本要求熔化极气体保护焊设备，按焊枪移动的方式不同，分为半自动焊设备和自动焊设备两种。由图13可见，半自动熔化极气体保护焊设备主要由焊接电源、送丝机、焊枪、焊接电缆、控制系统、供水系统和供气系统等组成，而自动焊设备还需增加焊枪的移动机构和控制系统等。其中最关键的是焊接电源和送丝系统。目前MIG / MAG电源分为硅整流式、晶闸管式和晶体管逆变式，其中晶闸管式焊接

31、电源应用最为广泛。对于焊丝直径小于等于1.6mm时，通常采用平特性的焊接电源配等速送给的送丝机，在惰性气体和活性气体保护下，焊接电弧具有如图14a所示的上升特性。当焊接电源的外特性为水平或接近水平时，弧长的变化会引起焊接电流的较大变化，因送丝速度是恒定的，弧长变化会引起焊接电流的较大变化，如图14b所示。市场上的MIG / MAG电源实际外特性不是绝对水平的，总带有一定的下降倾斜，为达到较好的电弧自调节作用，其斜率应不大于3V/100A。 而采用直径大于等于2.0mm的粗丝时应采用缓降特性的焊接电源和配变速送丝系统，一般应用较少。 4 钨极氩弧焊 (1) 工作原理不熔化极惰性气体保护电弧焊是采

32、用在电弧高温下，基本不熔化的高熔点材料作电极，以氩、氦等隋性气体保护的一种电弧焊方法。在现代工业生产中，极大多数采用钨极作不熔化极，并以氩气作保护气体，故俗称钨极氩弧焊。英文缩写以TIG 表示。它是利用钨极与焊件之间建立的电弧，产生热量，熔化母材和不通电的填充丝形成焊接熔池，完成焊件之间的连接。焊接过程如图15所示，对钨极、电弧、焊接熔池和周围加热区域起保护作用，为获得优质的焊缝提供了保证。图15：钨极氩弧焊过程示意图 (2) 优、缺点优点：钨极氩弧焊与其他弧焊方法相比，其最大的特点是可以焊制纯度最高，质量最优的焊缝。此外，它还具有下列独特的优点。 氩弧具有相当好的稳定性，即使在相当低的焊接电

33、流下（10 一20A ) ，电弧还能稳定地燃烧。特别适用于薄壁简体和各种难焊位置的焊接口 氩弧热量集中，熔透能力较强。熔化金属因无氧化还原反应，表面张力较大，故氩弧焊是薄壁焊件单面焊双面成形，厚壁焊件封底焊道的理想焊接方法口 氩弧焊过程中不产生熔渣和飞溅，不仅省略了清渣和去飞溅的辅助时间，而且提高了焊缝金属的致密度。 缺点：钨极氩弧焊的缺点是钨极承载电流的能力受限制，过大的电流将引起钨极的熔化和蒸发，故焊接效率较低，不宜用于厚壁焊件的焊接。近年来，为提高钨极氩弧焊的效率发展了热丝TIG 焊，高效脉冲TIG 焊，以及窄间隙TIG 焊等高效新工艺方法。扩大了TIG 焊的应用范围。在压力容器制造中，

34、钨极氩弧焊主要用于要求全焊透的薄壁容器、薄壁管的焊接，厚壁管和接管焊缝封底焊道的焊接，不锈钢容器和薄板成形件的焊接以及热交换器管子管板接头的焊接口(3)对设备的基本要求 为完成钨极氩弧焊的焊接工作，必须装备焊接电源、控制器、焊枪，供气和循环冷却水系统，详见图16所示。TIG 焊设备按焊接过程的自动化程度可分为手工TIG 焊机和自动TIG 焊机两大类。手工TIG 焊机作为一种通用焊接设备已广泛用于压力容器生产。自动TIG 焊机除了必须配备相应的焊接电源和水冷焊枪以及供水、供气系统外，还应装备机头或焊件的行走/变位机构、机架及导轨、自动送丝装置及自动程序控制系统。对于质量要求高的精密自动焊机还需配

35、备弧长控制器（AVC ）和焊缝自动跟踪器等. TIG 焊焊接电源按输出电流的种类可分直流、直流脉冲、交流、交流方波、直流交流等多种形式。在钢制压力容器的焊接中，通常采用直流和直流脉冲TIG 焊电源。按照氩弧的静特性和工艺特点，要求TIG 焊电源具有恒流的外特性，即当弧长变化（电弧电压）时，焊接电流基本保持恒定。为此，TIG 焊电源应具有图17所示的垂直陡降的外特性。 现代TIG 焊电源主要采用硅整流、晶闸管整流和晶体管逆变式整流器组，将一次交流电转变为焊接需要的直流电或直流脉冲电流。在精密的TIG 焊电源中目前大多采用场效应晶体管或IGBT 晶体管逆变式整流，其最低的焊接电流为2A 。并能保证

36、稳定的输出。这些电源的主电路基本上与焊条电弧焊电源相同。在晶闸管整流电源和晶体管逆变式整流电源中增设电流负反馈闭环控制电路，以获得垂直陡降的外特性。 钨极氩弧焊最常用的引弧方法是高频引弧，因此在TIG焊电源中一般都装有高频引弧装置，其电器原理图如图18所示。 5 等离子弧焊 (1) 工作原理等离子弧焊是由钨极惰性气体保护焊发展而成的一种高效、优质、经济的焊接方法，见图19。它利用“机械压缩”、“热收缩”和“电磁收缩”等约束机制，充分发挥了电弧等离子区的高温、高穿透能力，使电弧的特性发生了质的变化。图20对比了在氩气保护下的自由电弧和压缩电弧的形态，等离子区范围以及电弧各区的温度分布。从中可清楚

37、地看到，压缩电弧不仅具有比自由电弧更高的温度，而且扩大了电弧等离子区的范围，电弧的形态从锥形变成圆柱形。等离子弧由特殊结构的焊枪产生的约束作用而形成。按照焊枪与焊件不同的接电方式，可以产生非转移型、转移型和联合型三种不同形式的等离子弧，如图21 所示。当焊接电源的负极接钨极，焊枪喷嘴接正极时，即产生非转移型等离子弧。电弧在钨极与喷嘴孔壁之间形成，阴极斑点在喷嘴内壁漂移，如图21a 所示。采用这种形式的等离子弧焊接时，主要利用从喷嘴孔道喷出的等离子焰加热和熔化金属。由于焊件不接在焊接回路中，焊件表面不直接受等离子弧加热，基本上不熔化或少量熔化。等离子弧热量集中于喷嘴内壁，因此，必须加强对喷嘴的冷

38、却，非转移型等离子弧主要用于等离子弧喷涂或薄壁焊件的焊接。当焊接电源的负极接钨极、正极接焊件时，则产生转移型等离子弧。首先借助辅助电源或通过分流回路，在钨极与喷嘴之间产生电弧，然后利用高温等离子气流，将等离子弧转移到钨极与焊件之间，如图21b 所示。在这种情况下，电弧的阴极斑点落在工件表面，产生大量的热量，温度急剧升高，母材快速熔化，产生深熔和穿孔效应。利用这一特点，转移型等离子弧可用于等离子弧切割，等离子弧焊接和等离子弧堆焊等。当转移型等离子弧和非转移型等离子弧在同一个焊枪上产生时即形成联合型等离子弧。这两种电弧可以由两台单独的焊接电源供电，也可由一台焊接电源加分流回路供电。在这种形式的等离

39、子弧中，转移型等离子弧主要用于加热母材和填充金属。而非转移型弧则起稳定转移型弧和对填充金属（堆焊时）进行预热的作用。联合型等离子弧主要用于微束等离子弧焊接和等离子弧喷焊等。 (2) 优、缺点 等离子弧焊与传统的TIG 焊相比，具有以下值得注意的优点。 功等离子弧的能量集中，弧柱的最高温度达到24000K 以上。电弧高度稳定并具有很强的穿透能力。对于碳钢和不锈钢，一次行程可熔透的最大厚度为8mm ，而传统的TIG 焊仅为3 . mm ，参见图22的对比数据；等离子弧具有良好的收孔效应，容易实现单面焊双面成形工艺。厚度8mm 以下的对接接头可不开坡口，采用直边对接接头形式，可大大缩短焊前准备和焊接

40、时间，与手工TIG 焊相比，焊接效率可提高4-5倍；等离子弧焊的焊缝成形具有深而窄的特点，热影响区小，适于焊接对热作用较敏感的钢材，例如奥氏体不锈钢和耐热钢等。等离子弧焊时，由于电弧稳定性高，焊缝外表成形均整美观，余高小。大大减少了焊缝焊后修整的工作量。在不锈钢焊件的焊接中，光滑的焊缝表面可显著提高接头的耐蚀性。等离子弧焊焊缝的质量具有很好的重复性，等离子弧的抗干扰性强，特别适用于对焊缝质量要求高的，批量生产的焊接工程。目前，等离子弧焊已成为饮料加工工业和制药工业有关压力容器制造中首选的焊接工艺方法。缺点：与TIG焊相比设备比较复杂，成本较高(3)对设备的基本要求等离子弧焊设备与TIG 焊设备

41、相似，分手工焊和自动焊两类。主要由焊接电源、控制系统、焊枪、供气系统和水冷系统组成。在自动等离子弧焊设备中还需配备送丝机构、焊头移动机构和焊件变位机械等。等离子弧静特性的工作段是略向上倾斜的曲线，基本上与氩弧的静特性平行，因此，等离子弧焊电源应具有陡降或垂直陡降的外特性，如图23 的曲线所示，这有利于电弧长度变化时，焊接电流值保持不变。实际上，各种类型的TIG 焊电源可以用作等离子弧焊电源，但空载电压应大于70V 。对于微束等离子弧焊电源，空载电压应提高到100V 以上。 等离子弧焊设备的控制系统与TIG 焊设备相比较为复杂。首先，等离子弧焊时，除向焊枪输送保护气体外，还必须同时输送离子气，其

42、次，在采用转移型弧或联合型弧焊接时，需先引燃辅助电弧，再产生转移型弧，不仅需将焊接电流递增到规定值，而且还应同时增大离子气流流量，第三，焊接结束时，需同步衰减焊接电流和离子气流量，延迟切断保护气体。这样，等离子弧焊过程的程序相对比较复杂，现代的等离子弧焊设备基本上都改用PLC 程控器控制，这不仅提高了控制精度和工作可靠性，而且还延长了设备的使用寿命。等离子弧焊枪是等离子弧焊设备最重要的组成部分之一，它关系到焊接过程的成败和焊接质量，故应精心设计和制造。图24示出一种额定电流为300A 的等离子弧焊枪外形及内部结构，这种焊枪主要由喷嘴、保护罩、上下枪体、绝缘柱、钨极夹、锁紧螺母和钨极帽等组成。其

43、中最关键的部件是喷嘴，它决定了等离子弧的压缩程度和性能。三 焊材选用 由于焊接材料的种类繁多，每种焊接材料均有一定的特性和用途，即使同类的焊材，由于不同的药皮，、药芯或焊剂类型，所反映出的使用特性也是不同的。加之被焊接工件的理化性能、工件条件(结构形状及刚度)、施工条件的不同，还要考虑生产效率、安全卫生及经济性等因素，这些势必给焊材的选择带来一定的困难。在实际工作中，除了要认真了解各种焊材的成分、性能及用途外，还必须结合被焊工件的状况、施工条件及焊接工艺等，予以综合考虑，才能正确选择焊材。 (一) 首先应保证容器焊缝金属性能的基本要求压力容器与其他的焊接结构不同，是一种特殊的全焊结构其焊接接头

44、承受着与容器壳体相同的各种载荷、温度及工作介质的物理化学作用等。对焊缝金属不仅要求具有与壳体材料基本相等的静载强度，而且还要求具有足够的塑性和韧性，以防止受压部件焊接接头在加工过程中以及在运行过程中，由于在各种应力和温度的共同作用下，而导致提前失效或产生脆性破裂；此外在某些应用场合，还要求焊缝金属具有抗工作介质腐蚀的性能。因此，对压力容器焊缝金属的性能要求应遵循等强度、等塑性和等韧性及等耐蚀性的原则。 1 等强度原则 压力容器焊接接头的等强度应理解为其强度性能不低于母材标准规定的下限值。强度性能包括常温强度和高温短时强度。实际上，焊接接头的强度值与对应母材强度值的绝对等同是不可能的，而且也无此

45、必要。另外，母材和焊缝金属由于金相组织的差异，屈强比也不尽相同，很难使焊缝金属的抗拉强度和屈服强度同时达到母材标准的规定值。按GBl501998钢制压力容器设计标准，压力容器的强度计算中，按钢材抗拉强度选取的许用应力，通常低于按屈服点选取的许用应力。因此，按抗拉强度指标考核焊缝金属和焊接接头的强度较为合理。 对于高温压力容器，焊接接头的强度指标应该是最高工作温度下的高温短时抗拉强度，而不必强求同时达到常温强度的规定指标。 2 等塑性和等韧性原则 压力容器焊接接头等塑性和等韧性是指其塑性和韧性不低于母材标准规定的塑性和韧性指标的下限值，或不低于容器制造技术条件的规定值。 这里所讨论的塑性和韧性的

46、含义除包括常温塑性和韧性，还应包括低温塑性和韧性，高温塑性和韧性以及在加工过程中接头应具有的变形能力，并保证多次热处理和长期高温运行后的塑性和韧性。 焊接接头或焊缝金属的塑性通常以横向弯曲或纵向弯曲试验来测定。作为压力容器用钢，无论是碳钢，还是合金钢，在压力容器制作过程中，都要经过相同的加工工艺，都应具有符合要求的塑性变形能力，应当对其规定相同的最低合格标准。在这方面我国借鉴美国ASME锅炉与压力容器法规第九卷的有关规定，对于碳钢，低合金钢和奥氏体不锈钢焊接接头，取弯心直径为4倍试样厚度、合格弯曲角均为180°。 按现行有关标准，压力容器焊接接头或焊缝金属的冲击韧度，通常采用夏比V形

47、缺口冲击试验来测定，并以冲击吸收功(J)来表征。检查焊接材料和产品见证件试板时，冲击试样的缺口开在焊缝金属的中心。而在新钢种的焊接性试验、焊接工艺试验和焊接工艺评定试验中，冲击试样的缺口分别开在焊缝金属、熔合区和热影响区。各区的缺口冲击韧度均不应低于钢材标准规定的下限值。 3 等耐蚀性原则 压力容器焊接接头的等耐蚀性应理解为其耐蚀性、抗氢化性和抗氧化性不低于母材标准规定的指标或产品制造技术条件相应的规定值。为满足这一要求，焊缝金属的合金成分不低于母材标准规定值，考虑到焊接热过程对接头的耐蚀性可能产生不利的影响，应选择主要合金成分略高于母材，而碳含量低于母料的焊接材料。焊接接头的耐蚀性试验相对比

48、较复杂，试验方法应根据压力容器内腐蚀介质的种类而定。试验程序参照国家标准GB/T4334.1GBT4334. 62 000的有关规定.。总之，焊接构件对力学性能和化学成分的要求并不是均衡的，有的焊件可能偏重于强度、韧性等方面的要求，而对化学成分不一定要求与母材一致，如选用结构钢焊材时，首先应侧重考虑焊缝金属与母材间的等强度，或焊缝金属的高韧性；有的焊件又可能偏重于化学成分方面的要求，如对耐热钢、不锈钢焊材的选择，由于主要考虑耐热钢的高温性能或不锈钢的耐蚀性。通常侧重于考虑焊缝金属于母版材料化学成分的一致或相近，有时也可能对两者都有严格的要求，因此在选择焊材时，应分清主次，综合考虑。（二）考虑工

49、件的工作条件和使用性能 工件在承受动载荷和冲击载荷的情况下，除了要求保证抗拉强度、屈服强度外，对冲击韧性、塑性均又较高的要求。此时应该选用低氢型焊条或韧性好的气保焊焊丝。 工件在腐蚀介质中工作时，必须分清介质种类、浓度、工作温度以及腐蚀类型（一般腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等)，从而选择合适的耐蚀钢焊接材料。 工件在受磨损条件下工作时，必须区分是一般磨损还是冲击磨损，是金属间磨损还是磨料磨损，是在常温下磨损还是在高温下磨损等。还应该考虑是否在腐蚀介质中工作，以选择合适的堆焊焊接材料。 处在低温下或高温下工作的工件，应选择能保证低温或高温力学性能的焊接材料。总之，一些有经验的客户，会根据产品的工作和

50、使用条件对焊材的选用提出要求，(三) 满足焊接接头制造工艺性能和焊接工艺性能的要求。焊接接头组成的构件，在制造过程中不可避免要进行各种成型和切削加工，例如冲压、卷、弯、车、刨等加工工序，要求焊接接头具有一定的塑性变形能力和切削性能、高温综合性能等。从焊接工艺的角度出发则要求焊接材料工艺性能良好，在满足接头性能的同时，焊接材料本身具有一定的抗裂纹及其它缺陷的能力。(四) 经济性在满足上述各种使用性能、制造性能的最低要求的同时，应选择价格便宜的焊接材料，以降低制造成本，提高经济效益。例如重要部件的低碳钢手工电弧焊时，应优先选用碱性药皮焊条，因为碱性焊条脱氧、脱硫充分，且氢含量低，焊缝金属抗裂性能及

51、冲击韧性好。而对于一些非重要部件，可选用酸性焊条，因为酸性焊条仍能满足非重要部件的性能要求，而且工艺性良好，价格便宜，可降低制造成本。(五) 其它方面1 考虑工件的复杂程度，刚度大小、焊接坡口制备和焊接部位形状复杂或大厚度的工件，由于其焊缝金属冷却速度快及在冷却收缩是产生的内应力大，容易产生裂纹。因此，必须采用抗裂性好的焊接材料，如低氢型焊条、高韧件焊条或气保焊焊丝。 焊接部位所处的位置不能翻转时，必须选择能进行全位置焊接的焊接材料。 因受条件限制而使有些焊接部位难以清理干净时就应考虑选用氧化性强，对铁锈、氧化皮和油污反应不敏感的酸性焊接材料，以免产生气孔等缺陷。 2 考虑施焊工作条件 没有直

52、流焊机的地方就应该选用交直流两用的焊材。某些钢材(如铁素体耐热钢)需进行焊后热处理，以消除残余应力，但受设备条件限制或本本身结构限制而不能进行焊接接头热处理时，应选用与母材金属化学组成不同的焊材(如奥氏体不锈钢焊条)，可以不进行焊后热处理(当然还要结合实际情况而定)。此外，还应根据现场施工条件，如野外操作、焊接工作环境等，来合理选择焊材。3考虑改善焊接工艺和保证工人身体健康对于在密闭容器内或通风不良场所焊接时，应尽量采用低尘、低毒焊条或酸性焊条。 4考虑效率 对焊接工作量大的结构焊接，有条件时应尽量选用高效率焊接材料，当前的趋势是尽量采用药芯焊丝，或用实芯焊丝气体保护焊代替焊条电弧焊。在焊条中

53、，尽量采用铁粉焊条，高效不锈钢焊条及重力焊条等或选用低尘焊条、立向下焊条之类的专用焊条，以提高焊接生产率。四、WPS、PQR及WPQ在压力容器中，焊接接头的质量直接关系到容器的安全运行。焊接接头中的各种缺陷和性能的变化都可能导致压力容器的提前失效，甚至整台容器的破裂而造成灾难性的后果。因此，对压力容器焊接接头的质量必须严加控制。国家技术监督局颁布的压力容器安全技术监察规程，GB150-1998 钢制压力容器 标准和机械工业行业标准JB/T 4709-2000钢制压力容器焊接规程等都对压力容器焊接接头的质量要求、质量控制程序、检查方法和合格标准等作出了详尽的规定。所有压力容器制造企业必须严格贯彻

54、执行，但上述规程和标准中的规定毕竟是通用性的和原则性的。各企业应根据所制造的产品特点、生产条件和工艺装备等具体情况，制定适用于本企业的更详细的焊接技术条件，进行焊接工艺评定以及编制WPS，以确保产品的焊接质量完全符合设计图样、合同文本或技术协议的要求。(一)、影响焊接接头质量的因素及有关要求1母材所有用于压力容器受压部件的钢材都必须符合下列规定：l）钢材的牌号（钢号）和规格必须符合图样的规定。 2）钢材应按相应的国家标准或按本企业的钢材采购规范，进行采购和验收，以确认各项性能合格后才能投人生产。 3）在部件制造过程中，所用钢材应有表示钢号和规格的明显标记。钢材在切割下料前，应作好标记的移植。不

55、锈钢材和复合钢不锈层表面不容许打钢印作标记。应采用与钢材不产生化学反应的颜料作标记。 4）本企业首次采用的新钢材在投产前必须进行冷热加工工艺试验、焊接性和焊接工艺试验以及焊后热处理试验。据试验结果确认各项性能符合要求，并经企业技术负责人批准后才能正式用于生产。2.焊接材料用于受压部件焊接的各种焊接材料，包括焊条、焊丝、焊剂、焊接保护气体、成形气体和合金粉末应符合下列规定： l）焊接材料应按相应的国家标准或按本企业的焊材采购规范采购和验收。确认各项性能合格后才允许用于生产； 2）本企业首次采用的新型焊接材料，在用于生产之前，必须完成相应的焊接工艺试验和工艺评定试验。确认熔敷金属的各项性能符合产品技术条件的要求，并经企业技术负责人批准后才能用于生产。 3) 焊接材料应按本企业制定的的“焊