现代过程装备制造技术-5钢制压力容器的焊接

5钢制压力容器的焊接5.1焊接接头5.2常用焊接方法及其焊接工艺5.3常用钢材的焊接5.4焊后热处理压力容器是典型的焊接结构，主要的制造方法就是焊接，焊接接头的性能将直接影响到设备的质量和安全。5.1焊接接头5.1.1分类5.1.2基本形式和特点5.1.3组织与性能5.1.4坡口5.1.5表示符号5.1.6焊接坡口的选择和设计5.1.1分类GB150《钢制压力容器》对压力容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类。5.1.1分类圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外），球形封头与圆筒连接的环向接头，各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均属A类焊接接头。壳体部分的环向焊缝接头，锥形封头小端与接管连接的接头，长颈法兰与接管连接的接头，均属B类焊接接头，但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头。接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头，但已规定为A、B类的焊接接头除外。5.1.1分类A类焊缝是容器中受力最大的接头，因此一般要求采用双面焊或保证全焊透的单面焊缝；B类焊缝的工作应力一般为A类的一半。除了可采用双面焊的对接焊缝以外，也可采用带衬垫的单面焊；在中低容器中，C类接头的受力较小，通常采用角焊缝联接。对于高压容器，盛有剧毒介质的容器和低温容器应采用全焊透的接头。D类焊缝是接管与容器的交叉焊缝。受力条件较差，且存在较高的应力集中。在厚壁容器中这种焊缝的拘束度相当大，残余应力亦较大，易产生裂纹等缺陷。因此在这种容器中D类焊缝应采取全焊透的焊接接头。对于低压容器可采用局部焊透的单面或双面角焊。5.1.2基本形式和特点焊接接头的基本形式：对接接头、T形（十字形）接头、角接头和搭接接头对接接头当对接接头的母材厚度大于8mm时，常要求钢板开设坡口使得熔透，保证焊接接头强度。对接接头是比较理想的焊接接头形式，应尽量选用。容器主要受压零部件、承压壳体的主焊缝（如壳体的纵、环焊缝等）应采用全焊透的对接接头。5.1.2基本形式和特点对接接头余高e称为“加强高”？T形（十字形）接头5.1.2基本形式和特点应力集中系数随角焊缝形状（q、e）变化而变化。在外形、尺寸相同的情况下，工作焊缝的应力集中系数大于联系焊缝的。避免采用单面角焊缝，往往这种形式焊缝根部有很深缺口，承载能力较低。要求完全焊透的T形接头，采用半V形坡口从一面焊比采用K形坡口施焊可靠。5.1.2基本形式和特点T形（十字形）接头5.1.2基本形式和特点角接接头5.1.2基本形式和特点搭接接头正面焊缝——受力方向与焊缝垂直角焊缝的根部A点和焊趾B点都有较大的应力集中，减小夹角q和增大熔深，可降低应力集中系数。正面焊缝与作用力偏心，随受拉应力时作用力不在一个作用点上，产生了附加的弯曲应力。两条正面焊缝的距离应不小于其板厚的4倍。5.1.2基本形式和特点搭接接头侧面焊缝——受力方向与焊缝平行既有正应力又有切应力。l≤50e正面焊缝强度高于侧面焊缝，斜向焊缝介于两者之间，随着倾角的增大，斜向焊缝强度也增大。5.1.3组织与性能焊接线能量熔焊时由焊接热源输入给单位长度焊缝上的能量。焊接热循环定义：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程。意义：反映了热源对焊件金属的热作用。特点：焊件上距热远近不同的位置，所受到热循环的加热参数不同，从而发生不同的组织与性能变化。5.1.3组织与性能焊接过程的特点（相当于不同规范的特殊热处理）加热温度高在熔合线附近温度可达1350~1400℃加热速度快加热速度比热处理快几十倍甚至几百倍高温停留时间短在AC3上保温的时间很短，一般手工电弧焊约4~20s，埋弧焊30~100s在自然条件下连续冷却有热应力作用状态下进行的组织转变5.1.3组织与性能焊接热循环曲线的特征参数加热速度加热的最高温度Tmax相变以上停留时间TH冷却速度或冷却时间晶粒大小相变组织5.1.3组织与性能焊接接头的组织与性能焊缝区金属由熔池的液态金属凝固而成热影响区金属受焊接热源影响而造成与母材有较大变化注意：焊接接头、焊缝5.1.3组织与性能焊接接头的组织与性能焊缝区金属（以低碳钢为例）一次结晶：从液态到固态（奥氏体）液态金属没垂直熔合面的方向向熔池中心不断形成层状树枝柱状晶并长大微观偏析或枝晶偏析；宏观偏析或区域偏析二次结晶：从固相线冷却到常温组织与热影响区金属组织转变相似5.1.3组织与性能焊接接头的组织与性能热影响区金属（低碳钢或强度级别较代的普低钢，近似正火热处理组织）半熔化区（熔合区）过热组织，冷却后晶粒粗大，化学成分和组织都不均匀，塑性较低。过热区过热组织，冲击韧性明显降低，过程程度与高温停留时间有关。正火区（完全重结晶区）金属在A3线与1100℃之间将发生重结晶，使晶粒细化，室温组织相当于正火组织，力学性能较好。5.1.3组织与性能焊接接头的组织与性能热影响区金属部分相变区（不完全重结晶区）在A1和A3线之间，此区金属组织不均匀，力学性能不好。此区越窄，焊接接头性能越好。再结晶区450~500℃到Ac1线之间，没有奥氏体转变。若焊前冷变形，消除加工硬化现象，性能改善。蓝脆区200~500℃，由于加热冷却速度较快，强度稍有增加，塑性下降，可能会出现裂纹。显微组织与母材相同。5.1.3组织与性能焊接接头的组织与性能易淬火钢的热影响区金属过热区粗大马氏体。淬火区极细的针状马氏体组织；若含碳和合金元素量低，会有托氏体和马氏体共存的组织。不完全淬火区马氏体与稍粗大的网状铁素体组织热影响区是焊接接头较薄弱的部位，而其中的过热区是最薄弱的区域。影响过热组织的因素除化学成分外，就是焊接热循环。5.1.4坡口坡口的基本形式和尺寸GB985和GB986坡口表面要求GB150和JB/T47095.1.5表示符号5.1.5表示符号5.1.5表示符号5.1.6焊接坡口的选择和设计保证焊接接头全焊透。考虑被焊接材料的厚度。注意坡口的加工方法。注意减少残余焊接变形与应力。注意施焊时的可焊到性。减少焊接材料的消耗量。复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率。作业1P1545-1、5-2、5-3、5-4、5-5名词解释：焊接热循环、焊接线能量、焊接形状系数、焊接冷却时间5.2常用焊接及其焊接工艺5.2.1手工电弧焊5.2.2埋弧自动焊5.2.3气体保护电弧焊5.2.4电渣焊5.2.5窄间隙焊5.2.6焊接材料的选择5.2.1手工电弧焊焊条与工件短路引燃电弧后，电弧下的工件即立刻熔化构成一个半卵形熔池。焊条药皮熔化时，一部分变成气体包围住电弧使它与空气隔绝，从而使液体金属免于氧、氮的侵害；一部分变成熔渣或单独喷向熔池，或与焊芯熔化生成的液体金属熔滴一起喷向溶池。在电弧及熔池中，液体金属、熔渣和电弧气体互相间会发生某些物理化学变化，如气体向液态金属内溶解，进行氧化还原反应等。原理熔池内的气体和渣由于比重轻而上浮。当电弧移走后，温度降低，金属和渣会先后凝固。两件金属经熔化结晶的焊缝金属而连接起来。渣由于收缩量与金属不同，会在渣和金属界面上产生滑移，通常都会自动脱落，露出带鱼鳞纹状的金属焊缝。5.2.1手工电弧焊设备简单、应用灵活方便；劳动条件差、生产率低、质量不稳定；适合全位焊接。在装备制造中是一种应用广泛的焊接方法。特点5.2.1手工电弧焊装备设备：目前国内手弧焊设备有三大类：弧焊变压器（交流电焊机）、弧焊发电机（直流电焊机）和弧焊整流器。三类弧焊设备的比较见表。

选择情况：考虑的是焊条涂层（药皮）类型和被焊接头、装备的重要性；还要考虑焊接产品所需要的焊接电流大小、负载持续率等要求，以选择焊机的容量和额定电流。焊钳、焊接电缆：主要考虑的是允许通过的电流密度面罩：防止焊接时的飞溅、弧光及其辐射对焊工的保护工具，有手持式或头盔式两种。焊接材料组成：焊条，由焊芯和药皮组成分类：一般按化学成分和用途分类见表5.2.1手工电弧焊

焊接时，为保证焊接质量而选定的参数，称为焊接工艺参数，工艺过程中所选择的各个焊接参数的综合，一般称为焊接规范。焊条直径：一般情况下焊条直径根据被焊工件的厚度来选择，另外还要考虑接头形式、焊接位置、焊接层数等的影响。对于重要焊接结构通常要作焊接工艺评定，同时考虑焊接线能量的输入，确定焊接电流的范围，再参照焊接电流与焊条直径的关系来确定焊条直径。焊接电流、焊接电弧电压、焊接速度焊接电流：对于手工电弧焊，焊接电流是最主要的焊接工艺参数，是影响焊接质量的关键。焊接电流过小，电弧燃烧不稳定，对工件加热不充分，易造成未焊透、未熔合、气孔、夹渣等缺陷；焊接电流过大，易使焊条发红，药皮崩落和失效，使其保护作用下降，产生气孔使焊缝力学性能下降，还会引起熔化金属飞溅严重，操作困难，影响接头成形。焊接电弧电压：一般约为20-30V，主要由电弧长度决定。弧长则电弧电压高；反之电弧电压低。电弧过长则不稳定、熔深浅、熔宽增加，易产生咬边等缺陷，同时空气容易侵人，易产生气孔，飞溅严重，浪费焊条、电能，效率低。生产中尽量采用短弧焊接，电弧长度一般为2～6mm。焊接速度：焊接速度的大小直接影响生产效率，通常在保证焊缝熔透的情况下尽量采用较大的焊接速度(可达60～70cm/min)。焊接规范的选择5.2.1手工电弧焊焊接层数：厚板的焊接一般要开坡口，同时采用多层焊或多层多道焊，如图所示。每层焊接厚度一般不超过5mm。手工电弧焊一次最大熔透深度约为6～8mm。当每层厚度约等于焊条直径的0.8～1.2倍时，生产效率较高焊接线能量：手工电弧焊焊接低碳钢时，通常没有具体规定焊接线能量的大小，因为在正常焊接规范范围内，焊接线能量对接头性能的影响不大。对于低合金钢、不锈钢等钢种，焊接线能量过大，接头性能可能不合格，太小时，对一些钢种易产生裂纹。因此，焊接线能量应通过焊接工艺评定合格后，做出焊接工艺规程。允许的焊接线能量范围越大，越便于焊接操作。焊接冷却时间：目前在焊接工艺参数的计算中，应用较广泛的是通过焊接冷却时间，选择合适的焊接工艺参数，同时利用钢的焊接连续冷却组织转变图(CCT图)线算图来确定焊接工艺参数。在焊接热循环中对焊接接头组织、性能的影响，主要取决于加热速度、加热最高温度、高温(相变以上温度)停留时间和冷却速度四个参数。5.2.2埋弧自动焊埋弧自动焊是压力容器焊接结构的重要焊接方法之一。埋弧焊时，在被焊工件上覆盖着一层30～50mm厚的粒状焊剂，在焊剂层下，电弧在焊丝末端与工件之间燃烧，使焊丝末端和被焊工件熔化，形成熔池和熔渣。熔化的焊剂在焊接时产生的气体在电弧周围形成封闭空间，使电弧与空气隔绝。随着焊接过程的进行，电弧向前移动，熔池也随之冷却凝固，形成焊缝。比重较轻的熔融熔渣浮在焊缝表面，冷却后成为渣壳。原理5.2.2埋弧自动焊埋弧自动焊可选用比手工电弧焊大3倍的焊接电流，对20mm以下的焊件不开坡口也能焊透；电弧热量利用率高，焊接速度较快，生产率高，可节约金属和改善劳动条件。埋弧自动焊焊前准备工作复杂，一般只适用于平焊。故设备制造中长的直焊缝或大圆周环焊缝都用埋弧自动焊。优点：效率高、成型好、对人眼伤害小。缺点：焊接过程不可见、只能焊平焊或小角度倾斜位置特点5.2.2埋弧自动焊埋弧焊电源：可采用直流(弧焊发电机或弧焊整流器)、交流(弧焊变压器)或交直流并用。直流电源电弧稳定，常用于焊接工艺参数稳定性要求较高的场合。小电流范围、快速引弧、短焊缝、高速焊接。采用直流正接（焊丝接负极）时，焊丝的熔敷率高；采用直流反接（焊丝接正极）时，焊缝熔深大。交流电源焊丝的熔敷率和焊缝熔深介于直流正接和直流反接之间，而且电弧的磁偏吹小。交流电源多用于大电流埋弧焊和采用直流时磁偏吹严重的场合。交流的空载电压一般要求在65V以上。在实际焊接生产中为进一步加大熔深、提高生产率，多丝埋弧自动焊得到了越来越多的应用。日前应用较多的是双丝和三丝埋弧自动焊，这时电源也可以采用直流、交流或交、直流并用，见图。设备（埋弧焊电源和埋弧焊焊机）5.2.2埋弧自动焊埋弧焊焊机：半自动焊机和自动焊机两类半自动焊机：将焊丝通过软管连续不断地送入焊接区；传输焊接电流；控制焊接的启动和停止；向焊接区铺施焊剂。焊接速度是由操作者来控制完成的。自动焊机：连续不断地向焊接区送进焊丝；传输焊接电流；使电弧沿接缝移动，自动控制焊接速度；控制电弧的主要参数；控制焊接的启动和停止；向焊接区铺施焊剂；焊接前调节焊丝位置。自动焊机既完成了送丝速度的调节又完成了焊接速度的调节，这两项为其主要动作。辅助设备：焊接夹具；工件变位设备；焊机变位设备；焊缝成形设备；焊剂回收输送设备。设备（埋弧焊电源和埋弧焊焊机）5.2.2埋弧自动焊焊丝与焊剂焊丝与焊剂是各自独立的焊接材料，但在焊接时要正确地选择，而且必须配合使用，这也是埋弧焊、电渣焊的一项重要焊接工艺内容。焊丝的种类、特点及应用：分类：实芯焊丝、药芯焊丝和活性焊丝（形状）；埋弧焊焊丝、电渣焊焊丝等。其中，用于埋弧焊的实芯焊丝应用最广泛。焊剂的种类、特点及应用：埋弧焊使用的焊剂是颗粒状可熔化的物质。按制造方法分类有熔炼焊剂、烧结焊剂、陶质焊剂。国内目前用量较大的是熔炼焊剂和烧结焊剂。电渣焊焊剂与埋弧自动焊焊剂不同之处：前者能迅速、容易地形成电渣过程，并保证熔渣稳定，具有一定的电阻，使电能转化为热能，熔化金属（但不像后者有向焊缝过渡合金的作用），且具有适当的导电性、粘度，使电渣焊顺利进行。5.2.2埋弧自动焊焊接规范的选择焊接电流：随电流变大，熔深、余高大，熔宽略大，且熔深几乎与电流成正比。电弧电压：随电弧电压增高，焊缝熔宽显著增大而熔深和余高略有减小，极性不同时，电弧电压对熔宽的影响不同；电弧电压是根据焊接电流确定。焊接速度：对熔深和熔宽均有明显的影响。实际生产中，为了提高生产率同时保持一定的线能量，在提高焊接速度的同时必须加大电弧功率，从而保证一定的熔深和熔宽。5.2.3气体保护电弧焊气体保护电弧焊（简称气电焊）是一种利用气体做焊接保护介质的电弧焊。根据焊接过程中电极是否熔化，分为不熔化极（钨极）气电焊和熔化极气电焊。钨极惰性气体保护电弧焊英文简称TIG焊，是国际上应用较广的焊接方法，中国以氩气作为保护气体简称氩弧焊，也是国内应用较广的焊接方法，尤其是手工钨极氩弧焊。5.2.3气体保护电弧焊钨极氩弧焊钨极氩弧焊是厚壁容器等重要结构打底焊的较好焊接方法，几乎可以焊接所有的金属及合金。设备与焊接电流：电流种类有直流（正接、反接）和交流，它们的特点参见表。钨极和保护气体：钨的熔点和沸点都很高，适合作不熔化电极。保护气体：氩、氦、氩－氦混合气体和氩－氢混合气体。焊接规范：焊接电流种类、极性大小，钨极直径及端部形状，保护气体流量等，对于自动焊还有焊接速度和送丝速度。熔化极气体保护电弧焊采用可熔化的焊丝作电极，与工件（另一电极）之间产生的电弧作热源，熔化焊丝和母材金属，并利用气体作保护介质，以形成焊缝的焊接。5.2.3气体保护电弧焊焊丝熔滴过渡的类型及其影响因素熔滴过渡就是当电极末端金属（焊丝或焊条）熔化后，主要是以熔滴状形式通过电弧区过渡到焊缝熔池中去。它对熔化极氢弧焊的电弧稳定燃烧、气体保护效果和焊接质量都有很大的影响。形式：自由过渡（滴状过渡、喷射过渡）、短路过渡、混合过渡影响焊丝熔滴过渡类型的主要因素：电流；焊丝材料与直径；焊丝伸出长度等。5.2.3气体保护电弧焊熔化极气体保护电弧焊设备(半自动焊和自动焊)主要包括焊接电源、送丝系统、焊枪（手工焊）或行走系统（自动焊）、供气系统（同钨极氢弧焊）和冷却水系统、控制系统五个部分。保护气体和焊丝保护气体：氩气、氦气及混合气体。焊丝：通常应同母材成分相近，并具有良好的焊接工艺性能。使用的焊丝直径一般在0.8~2.5mm。CO2气体保护电弧焊成本低；抗氢气孔能力强；适合薄板焊接；易实现全位置焊接；广泛用于低碳钢、低合金钢等金属材料的一般结构焊接，重要焊接结构很少采用；CO2属于弱氧化性气体，能烧损有益元素，在选用焊丝时应注意；焊接过程中易产生金属飞溅，使溶敷系数降低，浪费焊接材料；飞溅金属黏着导电嘴，引起送丝不畅，电弧不稳。5.2.4电渣焊原理：利用电流通过液体熔渣产生的电阻热作热源，将工件和填充金属熔合成焊缝的焊接方法。三个阶段：引弧造渣阶段、正常焊接阶段和引出阶段。合格的焊缝在正常焊接阶段产生，而两端焊缝部分应割除。特点：适合焊接厚件，且一次焊成，但由于焊接接头的焊缝区、热影响区都较大，高温停留时间长，易产生粗大晶粒和过热组织，接头冲击韧性较低，一般焊后必须进行正火和回火处理。设备：主要包括电源、机头及成形块等焊接材料：包括电极（焊丝、熔嘴、板极、管极等）焊剂及管极涂料。焊接规范选择：焊接电流；焊接电压；熔池深度和装配间隙。它们直接决定电渣焊过程的稳定性、焊接接头质量、焊接生产率及焊接成本。5.2.5窄间隙焊以往厚壁的焊接一般采用电渣焊和埋弧自动焊，而电渣焊晶粒粗大、热影响区宽，焊后必须进行热处理，周期长，成本高，质量不十分稳定；埋弧自动焊随着壁厚的增加热影响区增大，特别是对高强度钢，会严重影响接头的断裂韧性，降低抗脆断的能力等。窄间隙焊，由于其焊接坡口的截面积比其他类型有很大的缩小，故称之为“窄间隙焊”，多属于熔化极气电焊。坡口狭小，减小了焊缝截面面积，提高了焊接速度，一般常用I形坡口，宽度约为8~12mm,焊接材料的消耗比其他方法低。主要适于焊接厚壁工件，焊接热输人量小，热影响区狭小(两侧壁的熔池仅为0.5~1mm，接头冲击韧性高。由于坡口狭窄，采用惰性气体保护，电弧作热源，焊后残余应力低，焊缝中含氢量少，产生冷裂纹和热裂纹的敏感性也降低。对低合金高强度钢及可焊性较差的钢的焊接，可简化焊接工艺。可以进行全位置焊接。与电渣焊和埋弧自动焊相比，同样一台设备的总成本可降低30%~40%左右。5.2.6焊接材料的选择焊接材料选用原则（JB/T4709）相同钢号相焊的焊缝金属不同钢号相焊的焊缝金属补充：常见焊接缺陷的成因及其防止方法(1)焊缝表面缺陷

①咬边成因：金属补充不及时危害：强度减弱、应力集中防止：电流适中，运条得当

②焊瘤(1)焊缝表面缺陷成因：金属因自重下坠危害：应力集中防止：电流适中，运条快，钝边、间隙规范

③内凹(1)焊缝表面缺陷成因：金属因自重下坠危害：应力集中防止：控制熔池温度，钝边、间隙规范

④溢流(1)焊缝表面缺陷成因：焊接参数选择不当坡口清理不干净，电弧热损失在氧化皮上，使母材未熔化。危害：未熔合，未焊透；

⑤弧坑(1)焊缝表面缺陷成因：熄弧时焊条未停留，或电流过大危害：强度严重减弱，坑内常有气孔、夹渣或裂纹

①气孔(2)焊缝内部缺陷成因：焊缝中吸入了过多的气体。危害：使焊缝有效工作面积减少，降低抵抗外载能力，特别对弯曲和冲击韧性影响较大。防止：注意电弧保护、焊条焊剂烘干、坡口清理

②夹渣(2)焊缝内部缺陷成因：冷却过快，电流小等危害：引起的应力集中比气孔严重，危害更大防止：边缘清理干净、焊速适当

③未焊透(2)焊缝内部缺陷成因：坡口角度小，钝边太大；焊条偏离焊道中心。危害：工作面积减小，尖角易产生应力集中，引起裂纹防止：电流不可过小，速度不可过快（来不及熔化）

④未熔合(2)焊缝内部缺陷成因：⒈电流小、速度快、热量不足；⒉坡口或焊道有氧化皮、熔渣等，一部分热量损失在熔化杂物上，剩余热量不足以熔化坡口或焊道金属。⒊焊条或焊丝的摆动角度偏离正常位置，熔化金属流动而覆盖到电弧作用较弱的未熔化部分，容易产生未熔合。危害：因为间隙很小，可视为片状缺陷，类似于裂纹。易造成应力集中，是危险性较大的缺陷（3）裂纹热裂纹热裂纹是在熔池结晶后期发生的，因此又叫结晶裂纹。在显微镜下观察这种裂纹具有晶间破坏性质。其断口则有氧化现象，呈现蓝色并失去金属光泽，热裂纹末端带有圆角并沿晶界分布，说明这种裂纹和结晶过程、晶界状态有关；有的宏观裂纹里还充满了熔渣，说明宏观裂纹形成时温度很高。熔渣还具