压力容器焊接常识

第1页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三焊接的定义通过适当的物理化学过程使两个分离的固体产生原子（分子）间结合力而接合成一体的连接方法。

分类

化工装置焊接的构件量约占75％左右，且多采用电弧焊。

熔化焊压力焊钎焊气焊电弧焊电渣焊等离子焊电弧焊第2页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三Contents2.焊接接头和坡口形式3.焊接接头的组织和性能6.焊接缺陷与焊接质量检验5.焊接应力与变形4.焊接材料1.电弧焊第3页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三

利用电弧热加热并熔化金属进行焊接的方法。

一种持续强烈的气体放电现象。在电场作用下，将电弧空间的气体介质电离，带电质点分别向着电场的两极方向运动，使局部气体空间导电，而形成电弧。1.电弧焊1.1焊接电弧引燃电弧：分接触引弧和非接触引弧两种。第4页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三1.1焊接电弧接触引弧瞬时接触短路使接触点上电流密度极度增大；氧化皮电阻大产生热，使金属熔化蒸发。焊条提起拉开，空间内充满了金属蒸气和空气，其中某些原子可能已被电离。拉开瞬间，阴极发射电子。气体介质被撞击电离，电弧温度进一步升高，开始引燃。然后维持一定电压，连续放电，电弧连续燃烧。非接触引弧借助于高频或高压脉冲引弧装置，使阴极表面产生强场发射，电子流与气体介质撞击，使其电离导电。阴极区温度2400K左右，放热量38％；阳极区温度2600K左右，热量占42％；弧柱区中心温度达5000～8000K，热量占20％左右。第5页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三1.2手工电弧焊

设备简单，操作灵活，对不同位置、不同接头焊缝均能方便焊接，目前仍广泛使用。

短路后随即分开（约2～4mm）引燃电弧。电弧下工件熔化构成一个半卵形熔池。药皮熔化，气体隔绝空气，免于氧、氮侵害；溶渣喷向熔池或与焊芯熔滴喷向溶池。第6页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三1.2手工电弧焊

在电弧及熔池中，液态金属、熔渣和电弧气体间发生某种物理化学变化，熔池内气体和熔渣上浮。电弧移去，温度降低，金属和熔渣凝固，结晶连接。渣壳脱落露出带鱼鳞纹状的金属焊缝。焊机：交流电焊机和直流电焊机。交流电焊机实质上是一种特殊的变压器，将工业用电的电压降低。特点是交流电弧在瞬时熄弧、重新引弧和再次稳定燃烧时，稳定性较差。但因结构简单、维修方便、造价低廉和省电等优点，所以广泛采用。第7页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三1.2手工电弧焊直流电焊机特点该机的优点是电弧持续而稳定，焊缝质量容易保证。直流焊机又分为旋转式和硅整流式焊机两种。旋转式焊机成本高、噪音大、重量大、维护不方便。硅整流式焊机结构简单，现已逐渐替代旋转式焊机。电极的连接焊条接负极、工件接正极时为正接法；反之为反接法。一般碱性低氢型焊条(如J507)，为使电弧稳定燃烧，规定采用直流反接；用酸性焊条(如J422)焊接厚钢板时，采用正接法，因为阳极的温度高于阴极，用正接法可得到较大的熔深；焊接薄钢板及有色金属宜采用反接法。第8页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三1.3埋弧自动焊

从引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向移动到焊接收尾等全过程完全由机械完成。

自动焊的焊剂呈粒状，一般厚度为30～50mm。电弧热量使焊丝、工件和焊剂溶化，形成金属熔池，焊剂使它们与空气隔绝。低碳钢用H08A，配高锰高硅型焊剂HJ431。第9页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三主要优点：①生产率高用大电流，熔深大，生产率较高。对于20mm以下的对接焊可不开坡口,不留间隙，填充金属少。②焊缝质量高保护完善，杂质较少，易获得稳定高质量的焊缝。③劳动条件好没有弧光辐射，劳动条件较好。适于批量大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。1.3埋弧自动焊第10页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三1.3埋弧自动焊不足：①不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊缝；②工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时；③由于埋弧操作，看不到熔池和焊缝形成过程，必须严格控制焊接规范。第11页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三1.4氩弧焊

氩气的散热能力较低，一旦引燃，能较稳定地燃烧；但其电离势较高，引弧较困难，需借用高频振荡器产生高频高压电引弧。按所用的电极不同可分为：非熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。(1)非熔化极氩弧焊（TIG焊）

电极只发射电子产生电弧，本身不熔化，常用熔点较高的钍/铈钨棒作为电极，又叫钨极氩弧焊。可以手工进行，也可以自动进行。

为防止电极熔化和烧损，电流不能过大，常用于焊接4mm以下的薄板，管子对接、管子与管板的连接。第12页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三1.4氩弧焊(2)熔化极氩弧焊（MIG焊）

焊丝为电极，焊接电流可大大提高，焊接过程可采用自动或半自动方式进行。

焊接成本高。因此常用于易氧化的有色金属、稀有金属、高强度合金钢及一些特殊用途的高合金钢(不锈钢、耐热钢)的焊接。

金属熔滴沿焊丝轴向高速喷射入溶池。不短路，电弧燃烧稳定，无飞溅，焊缝成形好，熔透深度增加，用于焊接厚度为3mm以上的金属。第13页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.焊接接头和坡口形式2.1压力容器焊接接头分类GB150-1998第14页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三适用范围容器主要受压部分焊接接头分类ABCD

设计温度＞－20℃的钢制焊接单层容器、多层包扎容器、热套及锻焊容器。设计温度≤－20℃的容器，还应符合GB150-C的规定。

圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板纵向接头除外）、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接接头，以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头。

壳体部分的环向接头、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，但已规定为A、C、D类的接头除外。

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纵向接头。

接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，但已规定为A、B类的接头除外。对接接头搭接和角接接头2.1压力容器焊接接头分类第15页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.2对接接头

容易焊透，受力情况好，应力均匀，连接强度高，焊接接头质量容易保证。坡口的主要作用是保证焊透，分不开坡口、单边和双边V形及U形坡口：X形坡口可减少焊条金属量50%，且变形及内应力小。较重要的焊接结构可用U形坡口。第16页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.2对接接头第17页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.2对接接头①表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷。②标准抗拉强度下限值＞540MPa的钢材及Cr-Mo低合金钢材，推荐采用冷加工方法加工坡口。经火焰切割的坡口表面，应进行磁粉或渗透检测，当无法进行磁粉或渗透检测时，应由切割工艺保证坡口质量。③施焊前应清除坡口及母材两侧表面20mm范围内的氧化物、油污、熔渣及其他有害杂质。④奥氏体高合金钢坡口两侧各100mm范围内应刷涂料，以防止粘附焊接飞溅。对坡口的要求：第18页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.2对接接头对不等厚度接件的组对要求：为减小应力集中，厚度≤10mm，两板厚度差≥3mm；厚度＞10mm，厚度差大于薄板30％或超过5mm时，应削薄厚板边缘。第19页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.3角接接头和T型接头

分不开坡口、单边和双边V形及K形坡口。第20页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.3角接接头和T型接头

在外载荷作用下，因结构不连续，应力分布不均，焊缝根部有较大应力集中。第21页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.4搭接接头

不需开坡口，均属角焊缝，分端焊缝和侧焊缝。第22页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三3.焊接接头的组织和性能3.1焊接热循环

焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。由于焊接热循环的作用，各区中的组织和性能会有很大的差异。

在焊接热作用下接头中各点温度随时间变化的过程。特点：加热、冷却速度快(＞100℃/s)温度不均匀对焊接质量起重要影响的参数是：

最高加热温度过热温度(＞1100℃)的停留时间冷却速度(t8/5)第23页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三调节焊接热循环的措施：改变焊接线能量大小，可改变焊接热循环的曲线形状；改善材料焊接前的初始温度（预热）；采用后热等措施使冷却速度改善。3.1焊接热循环第24页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三

在焊接接头横截面上测得的焊缝金属的区域，即焊缝表面和熔合线所包围的区域。结晶过程特点：过热，冷却速度快，运动状态下结晶，非均质成核。偏析一次结晶二次结晶结晶从熔池底部许多半个晶粒开始垂直底部向中心生长，呈树状枝晶。3.2焊缝区铸态组织，粗大柱状晶第25页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三

焊缝区组织是从液态结晶冷凝后形成的铸态组织，因此，可能存在着各种铸造缺陷。但由于冷却快，且通过渗入某些合金等可以满足使用要求。

焊缝结晶过程要产生偏析，宏观偏析与焊缝成形系数（即焊道的宽度与厚度之比）有关。成形系数小，易形成中心偏析。3.2焊缝区第26页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三3.3热影响区

焊接过程中，受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域为焊接热影响区。如图所示。过热区

1100℃～固相线，魏氏组织，为热影响区中机械性能最差的部位；正火区

Ac3～1100℃，正火组织，冷却后晶粒细小，机械性能较好。部分相变区Ac1～Ac3之间，晶粒大小不一，组织不均匀，性能较差。第27页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三3.4熔合区

焊缝与热影响区的过渡区，位于熔合线两侧，也叫半熔化区，如图所示。特点：温度处于固相线和液相线之间；成份不均匀，组织粗大。粗大的过热组织和粗大的淬硬组织，是焊接接头中性能最差的。第28页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三3.5影响焊接接头性能的因素焊接材料焊条和焊丝等（熔化后形成焊缝金属组成部分，影响焊缝化学成分）焊接方法不同焊接方法的热源温度高低不同、且机械保护也不同。焊接工艺焊接电流、电弧电压、焊接速度和线能量等的总称为工艺参数。工艺参数→接头输入热量的大小→焊接热循环→热影响区大小→组织粗细→焊缝性能第29页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三4.焊接材料4.1手工电弧焊用焊接材料

电焊条由内部钢芯和外侧药皮组成。⑴钢芯主要作用导电，并在焊条端部形成具有一定成分的熔敷金属。要求焊芯尽量减少有害元素的含量，限制S、P，有些焊条要求焊芯控制As(砷)、Sb(锑)、Sn(锡)等元素。⑵药皮又称涂料，保证熔敷金属具有一定的成分和优良的性能。药皮一般由稳弧剂、造渣剂、脱氧剂、造气剂、合金剂、增塑润滑剂和粘接剂等组成。第30页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三4.1手工电弧焊用焊接材料药皮中各种组分的作用：①稳弧剂凡易电离的物质均能稳弧。常用碱金属及碱土金属化合物，如碳酸钾、碳酸钠、大理石等。②造渣剂形成溶渣，覆盖熔化金属表面，保护熔池及改善焊缝成形。③脱氧剂

降低含氧量，提高机械性能。主要脱氧剂有锰铁、硅铁、钛铁。④造气剂

高温下能分解出气体，保护电弧及熔池，防止空气中氧和氮侵入。第31页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三4.1手工电弧焊用焊接材料药皮中各种组分的作用：⑤合金剂补偿合金元素的烧损及向焊缝过渡合金元素，以保证焊缝的化学成分及性能等。⑥增塑润滑剂增加药皮粉料在焊条压涂过程的塑性、滑性及流动性，以提高焊条的压涂质量，减小偏心度。⑦粘接剂使药皮粉料在压涂过程中有一定粘性，与焊芯牢固粘接，并使之在烘干后具有一定的强度。第32页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三⑶电焊条的分类①按用途分4.1手工电弧焊用焊接材料第33页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三②按熔渣的碱度分4.1手工电弧焊用焊接材料

按熔渣的碱度可分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条

焊接工艺性好，成形整洁,去渣容易，不易产生气孔和夹渣。但药皮氧化性强使合金元素烧损大，机械性能（冲击韧性）比较低。酸性焊条一般均可用交直流电源。典型的酸性焊条是J422。碱性焊条焊接的焊缝机械性能良好，特别是冲击韧性比较高，主要用于重要结构的焊接。典型的碱性焊条有J507等。第34页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三4.1手工电弧焊用焊接材料第35页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三⑷电焊条牌号与型号①焊条牌号是焊条产品的具体名称，主要根据用途及性能特点命名。每种产品只有一个牌号，但多种牌号可同时对应于一种型号。焊条牌号通常以一个汉语拼音字母（或汉字）与三位数字表示。例如：J422中“J”表示结构钢焊条，第1、2位数字“42”表示焊缝金属的抗拉强度等级（用MPa值的1/10表示），末位数字“2”表示药皮类型及焊接电源的种类。4.1手工电弧焊用焊接材料第36页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三4.1手工电弧焊用焊接材料②焊条型号是以焊条国家标准为依据、反映焊条主要特性的一种表示方法。焊条型号依据焊缝金属的力学性能、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类分划。E4315中“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为MPa值的1/10；第3位数字表示焊条焊接位置，“0”及“1”表示用于全位置焊接（平、立、仰、横），“2”表示适用于平焊及平角焊，“4”适用于向下立焊；第3和第4位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。第37页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三4.焊接材料4.2埋弧焊用焊丝和焊剂⑴焊丝焊丝牌号与优质碳素钢钢号的表示方法类似，前面加上“H”。强度钢用焊丝牌号，如H08、H08A、H10Mn2。若牌号最后带有A字，表示S、P含量较少的优质焊丝。⑵焊剂国产焊剂依据化学成分分类，在牌号前面加HJ，如HJ431。第1位数字表示氧化锰的平均含量，如“４”表示含MnO＞30％；第2位数字表示二氧化硅、氟化钙的平均含量，如“３”表示高硅低氟型（SiO2＞30%,CaF2＜10%）；末位数字表示同类焊剂的不同序号。第38页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三4.焊接材料4.3焊条、焊丝及焊剂的选用焊缝机械性能与基体金属一致；化学成分方面接近基体；根据焊接位置及板厚确定药皮类型。第39页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三5.焊接应力与变形5.1焊接应力和变形的危害

焊接应力会增加结构工作时的应力，降低承载能力；在存在应力腐蚀的场合，还会加剧应力腐蚀开裂。焊接变形影响组装质量，矫正变形会增加成本，还要降低塑性。5.2焊接应力和变形产生的原因

金属材料如果整体均匀加热和冷却，能完全自由膨胀和收缩，则在加热过程中产生变形，不产生应力；冷却后，恢复到原来的形状和尺寸，没有残余变形，也没有残余应力，如图a所示。第40页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三5.2焊接应力和变形产生的原因第41页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三

如果在加热和冷却过程中，完全不能膨胀和收缩，这时有焊接残余应力而没有残余变形。由于焊接是局部加热，在加热和冷却过程中，有一定的刚性约束，如图b所示，加热时金属受压应力，产生塑性压缩变形；在冷却过程中，由于金属不能完全自由收缩，而受到拉应力，并保存下来，这就是焊接残余应力。5.2焊接应力和变形产生的原因

焊接变形和应力在一个焊接结构中是焊缝局部收缩的两种表现。如果在焊接过程中，工件能够自由收缩，则焊后工件变形较大，而焊接残余应力较小；如果在焊接过程中，由于外力限制或工件自身刚性较大而不能自由收缩，则焊后工件变形较小，但内部却存在着较大的残余应力。第42页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三

现以钢板对焊为例说明焊接残余应力的产生过程，如图所示。(a)为加热时，(b)为冷却时的情况。5.2焊接应力和变形产生的原因

以下列出了常见焊接变形种类及其产生的原因。第43页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第44页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三5.3减少和消除焊接应力的措施⑴设计措施尽量减少焊缝数量及尺寸；避免焊缝过分集中与交叉；采用刚性较小的接头形式；在拉应力区域，避免几何不连续性。⑵工艺措施合理选择焊接顺序和方向(先横后纵)；锤击焊缝法；预热法；热处理法；采用小线能量焊接。第45页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三5.4控制和矫正焊接变形的措施焊前组装时采用反变形法；⑴控制措施第46页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三5.4控制和矫正焊接变形的措施刚性固定法；采用能量集中的焊接方法；选择合理的装配焊接顺序。第47页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三5.4控制和矫正焊接变形的措施机械矫正法；火焰矫正法。⑵矫正第48页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三6.焊接缺陷与焊接质量检验6.1焊接缺陷⑴局部变形与裂纹当焊接应力超过屈服极限时会产生焊接变形；超过强度极限会出现裂纹。⑵焊缝外部缺陷焊缝增强过高

坡口角度太小或焊接电流过小；导致应力集中。为提高疲劳寿命，应将焊缝的增强高铲平。第49页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三焊缝过凹焊缝工作截面减小，使接头处强度降低。咬边

工件上沿焊缝边缘形成凹陷。减少工作截面，并造成严重应力集中。焊瘤

对静载强度无影响，会引起应力集中，使动载强度降低。6.1焊接缺陷第50页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三烧穿

部分熔化金属从焊缝反面漏出，甚至烧穿成洞，使接头强度下降。⑶焊缝内部缺陷未焊透应力集中严重，降低强度，开裂根源。夹渣

减少工作截面，造成应力集中，降低焊缝强度和冲击韧性。6.1焊接缺陷第51页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三气孔减少有效工作截面，降低机械强度。裂纹按发生的时间，焊接裂纹分热裂纹和冷裂纹两种。热裂纹是由液态到固态结晶过程中产生的。焊缝中存在低熔点物质（如FeS），受到较大的焊接应力时，易在晶粒之间引起破裂。焊件及焊条内含S、Cu等杂质多时，易产生热裂纹。热裂纹具有沿晶界分布的特征。6.1焊接缺陷第52页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三冷裂纹是在冷却过程中产生的。由于热影响区或焊缝内形成了淬火组织，在高应力作用下，引起晶粒内部的破裂，焊接含碳量较高或合金元素较多的易淬火钢材时，最易产生冷裂纹。焊缝中熔入过多的氢，也会引起冷裂纹。此外，还有再热裂纹等。裂纹是最危险的一种缺陷，一般不允许存在，一经发现，必须铲去重焊。6.1焊接缺陷第53页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三6.2焊接检验

焊接检验包括：外观检查、无损检测