第二章 焊接基本知识

第二章焊接基本知识

2-1承压特种设备常用的焊接方法一、焊接方法的分类1、焊接――通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法(GB/T3375-94《焊接述语》)。2、分类手工电弧焊电弧焊埋弧焊焊熔化焊气焊气体保护焊接电渣焊等离子弧焊方电子束焊法激光焊

电阻焊压力焊摩擦焊钎焊１）熔焊——使被连接的构件接头处局部加热熔化成液体，然后在冷却结晶成一体的方法.２）压焊－－将被焊金属的接触部位加热到塑性状态或局部熔化状态，然后加一定的压力，使金属原子间相互结合形成焊接接头。（分加热压焊、不加热压焊）。３）钎焊――利用熔点比母材低的金属材料作钎料（铅、锡、银、铜、镍合金），将焊件和钎料加热至高于钎料熔点，但低于母材熔点的温度，利用毛细作用是液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散连接焊件的方法。（分软钎焊＜450℃、硬钎焊＞450℃）。2-1承压特种设备常用的焊接方法3电弧焊1）电弧焊――在电极和焊体之间造成电弧，利用电弧所产

生的热量将被焊金属和焊条金属熔化，并形成一种永久接头的过程。2）电弧产生的机理：

电弧是利用具有一定电压的焊条与被焊工件之间瞬时接触而造成短路。在短路时，短路电流集中在两个电极（焊条与工件）的几个接触点上，这几个接触点上的电流密度特别高，瞬时即把接触触点加热到熔化状态并产生金属蒸汽。当焊条离开焊件，而保持较小的距离时，在电压的作用下，两极间气体电离，保证了电流通过两极的空间，阳极放出电子，这些电子正负离子分别奔向两极即产生了焊接电弧。2-1承压特种设备常用的焊接方法3）几种常用电弧焊（1）．手工电弧焊a、接头形式与坡口

i．接头形式：对接、搭接、角接、“T”型接头

ii．坡口形式：对接接头是锅炉压力容器的制造中，采用最多的一种形式。根据工件厚度和承载荷的情况，分开坡口、不开坡口常用的坡口，V型、U型、X型，他们在接头强度上没有明显差别。2-1承压特种设备常用的焊接方法iii、锅炉压力容器受压部件选择坡口的

基本原则：Ⅰ、采用保证能焊透的焊接坡口,当无法从内部焊接时，尽量采用单面焊双面成形的手工焊操作工艺或氩弧焊打低工艺的坡口形式。Ⅱ、尽量减少筒体、容器内部焊接工作量，改善劳动条件，容器内部宜选用小坡口或加垫片。Ⅲ、尽量减少填充金属量。2-1承压特种设备常用的焊接方法焊接规范的选择

焊接规范通常指焊条类型和直径、焊接电流、焊接电压、焊接种类和极性、焊接层数和焊接速度等的总称。Ⅰ、焊条直径的选择主要取决于焊件的厚度，焊缝位置以及焊接层数等因素。常用的焊条直径为2.5~5mm

平焊对接可选用较粗焊条

立焊的焊条直径不宜超过4mm

仰横焊的焊条直径不宜超过3mm

对于多层焊的第一层焊道，焊条直径不应超过3mmⅡ、焊接电流过小，电弧不稳定，易产生未焊透、夹渣等缺陷；焊接电流过大，易产生咬边和焊穿等缺陷，电流大小应适度；（I=kd,k=30--50）2-1承压特种设备常用的焊接方法Ⅲ

、电弧电压也就是工作电压，它的大小由电弧长度来决定的。

电弧长，则电压高，电弧短，则电弧电压低。电压高，易出现电弧燃烧不稳定，增加飞溅，减少熔深，产生咬边。而且还会由于空气中氧、氮的侵入使焊缝产生气孔。

故应尽量使用短弧，弧长不要超过焊条直径。Ⅳ、焊接层数：在中厚板手工焊接时，往往采用多层焊。

对于低碳钢Q245R等普低钢，焊接层数的多少对焊接接头质量影响不大，但多曾焊缝厚度过大时，对焊缝的塑性有不利影响。因此，对于检验冷变的接头，每层厚度最好不大于4~5mm。Ⅴ、焊接速度在不影响接头质量的前提下，焊接速度尽可能快一些，以缩小热影响区，减小变形，提高生产率。2-1承压特种设备常用的焊接方法手工电弧焊特点优点：工艺灵活，适应性强，对于各种位置常用钢种，不同厚度的工件都能适用。特别对不规则的焊缝、短焊缝、仰焊缝、高空和狭窄位置的焊缝更显得机动灵活，可以通过调整工艺，如跳焊、分段焊、对称焊等方法来减少变形和改善应力分布。缺点：生产效率低、劳动强度大、焊接质量受焊工水平、情绪的影响较大。2-1承压特种设备常用的焊接方法手工电弧焊焊条Ⅰ.

焊条的构成和要求：①构成焊芯、药皮②要求

ⅰ、引弧容易，保证电弧稳定；

ⅱ、药皮熔化应稍后于焊芯，要均匀；

ⅲ、熔渣比重应小于熔化金属的比重，凝结温度应低于金属；

ⅳ、具有渗透合金和冶金处理作用；

ⅴ、适用于各种位置的焊接。2-1承压特种设备常用的焊接方法Ⅱ.焊芯与工件产生电弧并熔化为焊缝的填充金属；根据GB/T14959-94规定，焊接的主要钢丝分为碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢。Ⅲ.药皮①作用ⅰ提高焊接电弧的稳定性,稳弧作用；

ⅱ造渣、造气防止空气侵入熔滴、熔池，保护作用；

ⅲ保证焊缝金属顺利脱氧、脱P和脱S，冶金作用；

ⅳ向焊缝金属掺入合金元素，提高机械性能。②药皮对焊缝的影响按药皮的酸碱性可分为酸性焊条和碱性焊条酸性焊条有：氧化钛型、氧化钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型等，纤维素型等两种。2-1承压特种设备常用的焊接方法

酸性焊条由于氧化性强，药皮中合金元素烧损很严重，焊缝的机械性能特别是冲击值（аk）下降得很多。由于碳的氧化造成熔池沸腾，有利于气体逸出，铁锈，油垢敏感性小，抗气孔性好，稳弧性好，交直流两用，焊缝成形美观脱渣好。碱性焊条由于含有碱性氧化物及铁合金，使焊条有足够的脱氧能力。由于这类焊条在焊接时产生保护气体中含氢量少，因此叫做低氢型焊条。碱性焊条形成的焊缝，机械性能良好，抗裂性能强，但易产生气孔，因此焊前要烘干焊条，清理焊口的铁锈、油垢、水分。另外，碱性焊条因药皮中含氟化钙，焊接过程中生成氟化钙有毒气体，焊时要通风。对于中、高压锅炉的受压元件和二、三类压力容器的焊接，都应采用碱性焊条。2-1承压特种设备常用的焊接方法Ⅳ.电焊条的选用原则i.

考虑母材的机械性能与化学成分①等强性接头强度应等于或高于母材；②等成分接头和母材的化学成分应基本相同。ii.

考虑工作环境和使用情况①载荷承受动载、冲击载荷时，除强度外，对冲击韧性、延伸率有较高的要求，可以采用低氢型焊条。②温度承受低温或高温时，应选用能耐高温或低温性能的焊条。③介质承受强腐蚀介质时，应选用耐腐蚀性强的不锈钢焊条。2-1承压特种设备常用的焊接方法Ⅴ.焊条的烘烤

焊条受潮后，使焊接工艺变坏而且水分中的氢容易使焊缝产生气孔和裂纹。焊条在使用前必须烘干。特别是低氢型焊条。

碱性低氢焊条，烘干温度为380～420℃保温1-2小时，然后放在另外一个温度控制在80~100℃的烘干箱内保温随用随取。

酸性焊条，烘干温度为150~200℃保温1~2小时。

2-1承压特种设备常用的焊接方法1.焊接位置及特点:1.手工电弧焊可以在不同的位置进行操作。熔焊时，焊接接头所处的空间位置称为焊接位置。2.对接焊缝和角焊缝有七种焊接位置：3.平、立、横、仰焊、平角焊、立角焊、仰角焊4.管子环焊缝有四种焊接位置：5.水平旋转、垂直固定、水平固定、45°位置2-1承压特种设备常用的焊接方法2.埋弧自动焊--在焊剂层进行的电弧焊

a、焊缝的形成过程(见右图)1-焊件2-焊剂3-焊剂漏斗4-焊丝5-焊机头6-导电嘴7-焊缝8-渣壳9-引弧板2-1承压特种设备常用的焊接方法b.埋弧自动焊焊接工艺：ⅰ接头型式与坡口接头型式：平焊的对接焊、船形焊对接焊的厚度在14mm以下对接焊缝时，可不开坡口，采用双面焊对较厚焊件可开V、U、X型坡口。和手工焊比，只是钝边尺寸不同而已。ⅱ.焊件规范对焊缝形状和尺寸的影响埋弧自动焊接参数主要有：焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径和伸出长度。2-1承压特种设备常用的焊接方法焊接电流（In）、In↑→熔深h↑、焊缝余高e↑、焊缝宽度b变化不大。电弧电压Vn当Vn↑→h↓易造成焊缝未焊透，焊剂消耗量大，焊波粗糙，脱渣困难，产生咬边，故增加Vn的同时应相应增加In焊接速度↑→b↓，h↓，e↓当焊接速度↑↑时易产生未焊透和边缘未熔缺陷焊丝直径↑→弧拄直径↑→电弧加热范围↑→b↑→h↓→e↑否则相反2-1承压特种设备常用的焊接方法ⅲ焊接实施自动焊接准备工作很重要，焊前需要清理焊丝、焊件、被焊表面，烘干焊剂。焊件装配尺寸要求严，须做好定位焊，并应做好定位标记。在焊缝两端上应有引弧板和收弧板。c、埋弧自动焊的优、缺点ⅰ生产效率高；ⅱ焊缝质量好；ⅲ减少焊接材料和电能；ⅳ改善了焊工的劳动条件ⅴ装置复杂，投资大。VI焊接位置有限。2-1承压特种设备常用的焊接方法３.气体保护电弧焊采用气体将空气和熔化金属机械的隔开，免受空气氧化的焊接方法。a.特点：ⅰ、它是明弧焊，电弧和熔池清晰可见，便于调整焊接参数，控制焊接质量；ⅱ、由于保护气流对弧柱的压缩作用，使电弧热量集中，熔池小，结晶快，利于空间位置和薄板焊接；ⅲ、焊接过程没有熔渣金属，具有良好的焊接质量。在锅炉压力容器制造中，应用较广泛的是氩弧焊和CO2保护焊。2-1承压特种设备常用的焊接方法b、氩弧焊—以氩气作保护气体的一种电弧焊

方法ⅰ、原理ⅱ、焊接规范焊接电流电弧电压焊接速度钨极直径和形状气体流量喷嘴直径＊喷嘴直径大Q过大浪费氩气，产生紊流，易将空气掺入，降低保护效果，导致电弧不稳定，焊缝易产生气孔和氧化现象。

Q（升/分）过小空气易侵入，保护不好

一般Q＝（0.8～1.2）DD－喷嘴直径(mm)一般c、CO2保护焊——是一种先进的焊接方法,有自动（半自动）具有快、好、省的特点．ⅰ、生产效率高ⅱ、成本低ⅲ、抗裂性好2-1承压特种设备常用的焊接方法d、焊丝、焊剂及其选用i、焊丝和焊条中的焊芯同属于一个GB1300－77。如：H08MnAH－焊接用钢08－平均含碳量0.08%Mn－平均含锰量在1%左右A－高级焊丝ii、焊剂①作用和焊条中药皮的作用相同。②对焊剂的要求稳弧性能要好；保证焊缝金属得到所需的化学成分和性能；有较好的抗气孔能力，对铁锈，油污，水分敏感性小；放出有毒气体少；应有一定的粒度和强度以便于多次使用；使焊缝成形良好。2-1承压特种设备常用的焊接方法iii、焊剂分类和牌号编制—分类按制造方法分熔炼焊剂和非熔炼焊剂按化学性能分酸性焊剂和碱性焊剂按化学成分分高锰焊剂和中锰焊剂—焊剂牌号编制例：焊剂XXX

同一类型焊剂不同牌号

氧化锰的平均含量

二氧化碳和氟化钙的平均含量

焊剂在使用前必须烘干，防止产生气孔等缺陷。

酸性焊剂：如焊剂430和焊剂431。烘干温度为250℃，保温1－2小时。

碱性焊剂：如焊剂250和焊剂260。烘干温度为300℃，保温2小时。

焊剂烘干后应立即使用。2-1承压特种设备常用的焊接方法一、焊接接头的组织：

焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区三部分其组织状态如图：

熔合区――晶粒十分粗大塑性差过热区――粗晶粒区1－2级魏氏组织过热组织重结晶区――细晶粒区（F+P）

正火区

不完全重结晶区F+P+粗大F组织不均匀2－2焊接接头二、影响焊接接头的性能的主要因素焊缝金属的化学成分和固态时的冷却条件C→↑σb热裂纹较敏感要求C<0.25%Mn→↑σb改善冲击韧性Mn<2%可细化晶粒，脱S,

脆性转变温度,对αk影响不大Si→↑σbSi=0.25～0.5％脱氧S(产生热裂纹)P（产生冷裂纹）－杂质焊接热输入量焊后热处理：①加热速度不能过快600℃左右②保温时间每25mm厚保温1小时③冷却速度缓慢冷却2－2焊接接头2-3锅炉压力容器常用钢的焊接一、主要材料的可焊性1、金属材料的焊接性能：工艺可焊性：在一定的焊接条件下，焊接接头中出现各种裂纹及其他缺陷的可能性。使用可焊性：在一定的焊接条件下，一定金属的焊接头对使用要求的可靠性。这样焊头的机械性能和其它特殊性能（如耐热，耐蚀，抗疲劳，耐低温等）。如果一种材料用最普通，最简单的焊接工艺条件就可获得优质焊接接头，则说明这种材料具有良好的可焊性。反之，可焊性差。2、金属材料的可焊性试验

1）C当量法钢的可焊性主要决定于它的化学成分，其中影响最大的是含碳量。因为含碳量和合金元素的↑→淬硬倾向↑，容易产生冷裂纹。含碳量越高可焊性越差，碳钢中含碳量<0.3％。低合金钢含碳量<0.2%时都具有良好的可焊性。其他元素也有影响，综合用碳来表示。即C当量＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(国际焊接学会IIW)2-3锅炉压力容器常用钢的焊接当C当量﹤0.4%时可焊性好当C当量=0.4～0.6%时需要采用预热，控制焊接规范当C当量﹥0.6%时可焊性差2）自约束试验法Y型坡口试验法－试验热影响区和焊缝的冷裂倾向。钢性固定法。十字接头法。３）进行焊接工艺评定2-3锅炉压力容器常用钢的焊接二、低碳钢的焊接由于含C量小，可焊性能好，采用普通的工艺措施可获得优质接头。主要原因是：特点：①塑性好淬硬倾向很小，焊缝和近缝区不易产生裂缝。②镇静钢杂质少，偏析很小，对裂纹不敏感。

③一般不需焊前预热焊后热处理，只有当δ>38mm时，焊后才进行热处理。2-3锅炉压力容器常用钢的焊接三、低合金钢的焊接普通低合金钢是在低碳钢的基础上，通过添加少量多种合金元素一般总量在5％以内1m，提高其强度或改变其使用性能。在锅炉压力容器制造中，目前主要使用的屈服极限为350－700MPa级的钢材。

如Q345R15MnVR18MnNbMoR普通低合金钢的可焊性随钢的强度等级提高而变差300－400MPa级

可焊性良好500MPa级

可焊性差要预热，热处理2-3锅炉压力容器常用钢的焊接焊接特点热影响区有较大的淬硬倾向影响因素：a、材料的结构形式。钢种板厚

b、工艺因素工艺方法接头形式焊缝尺2、焊缝金属和热影响区的冷裂纹。一般发生在高强度钢的厚板中。影响因素：①含氢量↑冷裂纹的倾向↑

②淬硬程度↑产生冷裂纹的倾向↑

③残余应力↑产生冷裂纹的倾向↑2-3锅炉压力容器常用钢的焊接四、奥氏体不锈钢的焊接

1、特点：不锈钢具有优良的化学稳定性和抗腐蚀性能，韧性塑性较好，可焊性好

但由于含Cr量较高，一般大于13％，当焊接工艺掌握不好时，易出现焊接的晶间腐蚀。2、晶间腐蚀①晶间腐蚀产生的原因：焊接时，工件被加热，C和Cr都会从A晶粒内部向晶界扩散。并在晶界上生成Cr4C，致使晶界产生“贫鉻”现象。当晶界上Cr含量下降到13％以下时，就失去了防腐作用。在腐蚀介质作用下晶界全被迅速腐蚀。2-3锅炉压力容器常用钢的焊接②影响晶间腐蚀的因素化学成分温度t↓（<450℃时），C无能力扩散不会产生Cr4C，无“贫鉻”；t↑（>850℃）Cr4C不稳定，碳析出后又会重新回到A中，不会形成“贫鉻”时间T↓C来不及析出T↑A内的Cr已经充分扩散到晶界进行补充不会形成“贫鉻”2-3锅炉压力容器常用钢的焊接③预防晶间腐蚀的措施调整焊缝的化学成分，加入稳定化元素钛、铌等减少焊缝中的含碳量控制C<0.04%快焊快冷（改善工艺措施）2-3锅炉压力容器常用钢的焊接五、异种钢焊接时存在的主要问题熔合区生成M组织易产生裂纹应选多镍合金焊头熔合区的碳扩散，C从P→A形成Cr4C出现组织和性能不均异种钢接头的热应力，热膨胀系数不同。不锈钢热胀系数比低合金钢热胀系数大30－55％。2-3锅炉压力容器常用钢的焊接2-4锅炉压力容器的焊接缺陷及防止措施一、焊接接头的缺陷即防止措施⒈外部缺陷1）咬边电流过大焊接速度不均电流强度与焊速不适当2）烧穿电流过大坡口角度小间隙大钝边小3）表面裂纹工作温度低焊条质量差强制装配应力过大母材含碳量不符合要求4）弧坑电弧过大收弧断弧快焊工操作疏忽5）表面气孔焊条潮湿冷却速度太快气体来不及逸出电弧太短⒉内部缺陷1）气孔焊件表面有污垢，油漆，铁锈或有机物，焊条太潮或成分不当，焊速太快，电弧太长2）未焊透坡口钝边间隙太小，电流电压不够，焊条直径太大或种类不对，焊速太快，运条角度不对以及电弧偏析3）未熔合坡口不干净，焊速太快，电流过小或过大，焊条角度不对，电弧偏析4）夹渣焊条药皮成分不当，含S、P过高，多次焊道表面清理不干净，电流小，焊速大3.其他缺陷1）焊缝化学成分或组织成分不符合要求2）过热或过烧3）白点（由于氢的聚集而造成的