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压力容器焊接基础压力容器焊接基础21、焊接方法及原理简介 9l气体保护电弧焊简称气保焊或者气电焊，它也是一种以电弧为热源的熔化焊方法。焊接时从焊枪喷嘴连续喷出保护气体排除焊接区的空气，保护电弧及焊接熔池不受大气污染， 防止有害气体对熔滴和熔池的侵害，保证焊接过程的稳定，从而获得高质量的焊接接头。10l按照电极的性质，气体保护电弧焊可分为非熔化极气体保护焊与熔化极气体保护焊两大类。前者实际是指钨极氩弧焊，后者主要有熔化极氩弧焊和二氧化碳气体保护焊等。过程设备焊接中使用的主要也是这几种方法。11l通常又称作“TIG”焊，为非熔化极气体保护焊。以燃烧于非熔化电极（钨棒）与焊件间的电弧作为热源，电极和电弧区及熔化金属 都用一层氩 气保护，使 之与空气隔 绝。12l钨极氩弧焊的电极通常是用钨或钨合金棒，用于保护的气体通常是氩气，有时也采用氦气或氩气与氦气的混合气体。焊接时，填充金属（焊丝）从钨极的前方添加。当焊件厚度小于3mm时，一般不需开坡口和填充金属，焊接过程可用手工进行，也可以自动化。13l钨极氩弧焊具有下列独特的优点：惰性气体与任何金属不起化学反应，熔池金属不发生冶金变化，只是填充金属和母材在惰性气体保护下的重熔。氩弧具有相当好的稳定性。氩弧热量集中，熔透能力强，熔化金属因无氧化还原反应，表面张力较大。14l钨极氩弧焊的缺点：钨极承受电流的能力较差，过大的电流将引起钨极的熔化和蒸发；氩气和钨极的价格较贵，与其它常用的焊接方法相比，成本较高。因此，只有在对焊缝质量要求特别高的场合才用。15l在锅炉和压力容器制造中，钨极氩弧焊主要用于要求全焊透的薄壁管焊接，厚壁管和接管封底焊缝和不锈钢管件及薄板成型件的焊接。换热器管子与管板焊接和容器封底焊也采用钨极氩弧焊。容器和管道的环缝封底焊采用钨极氩弧焊代替焊条电弧焊，可以单面焊双面成形，质量好、工作效率高。16l根据保护气体的种类，熔化极气体保护焊包括熔化极惰性气体保护电弧焊（简称MIG）、熔化极氧化性混合气体保护电弧焊（简称MAG）和二氧化碳气体保护电弧焊（简称CO2焊）等。l熔化极气体保护焊的热源是在可熔化的焊丝与被焊工件之间并在保护气氛中产生的电弧。它利用电弧热效应产生的热来加热和熔化焊丝和工件金属，形成焊缝，达到连接工件的目的。17 181.3.2.1 熔化极惰性气体保护焊l熔化极惰性气体保护焊中采用的保护气体主要有氩气，氦气和氮气，其中熔化极氩弧焊应用最广。l熔化极氩弧焊以焊丝作为电极，不断送进和熔化熔滴进入熔池与母材形成焊缝。惰性气体在焊接过程中不与液态金属反应，只起严密包围焊接区（电弧、焊丝端头、熔滴、熔池金属和邻近熔池的母材金属），使之与空气隔离的作用。 19l由于电弧是在惰性气氛中燃烧，焊丝端头的金属也是在惰性气氛中熔化、过渡，所以电弧燃烧稳定，熔滴过渡平稳、安定、无激烈飞溅。在整个电弧燃烧过程中，焊丝连续等速送进。由于焊丝外表没有涂层，电流可大大提高，故母材熔深大，焊丝熔化速度快，熔敷效率高。与钨极氩弧焊相比，可大大提高生产效率，尤其适用于中厚和大厚度板材的焊接。201.3.2.2 熔化极氧化性混合气体保护焊l熔化极氧化性气体保护电弧焊是采用在惰性气体中加入一定量的氧化性气体（活性气体），如氩气加二氧化碳气体，氩气加氧气，氩气加氧气加二氧化碳气体等作为保护气体的一种熔化极气体保护电弧焊方法，可用于平焊、立焊、横焊和仰焊以及全位置焊接，尤其适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接， 21 采用氧化性混合气体作为保护气体可具有下列作用：l提高熔滴过渡的稳定性；l稳定阴极斑点，提高电弧燃烧的稳定性；l改善焊缝熔深形状及外观成形；l增大电弧的热功率；l控制焊缝的冶金质量，减少焊接缺陷；l降低焊接成本。 221.3.2.3 二氧化碳气体保护电弧焊二氧化碳气体保护电弧焊l二氧化碳气体保护电弧焊与其它气体保护焊相比，具有以下特点：CO2气体价廉、焊接成本低、抗氢能力强，目前广泛应用于碳钢和低合金钢的焊接；具有飞溅与合金元素的氧化烧损。CO2气体在高温下会分解为CO和O2。CO不溶于钢液，但能在钢液中形成气泡。气泡在高温下因急剧膨胀而发生剧烈爆炸，从而导致飞溅严重，使电弧燃烧不稳。氧气在高温下会使合金元素发生氧化烧损。故CO2气体保护焊不适用有色金属与高合金钢的焊接。 23l既可焊厚板也可焊薄板。高温下CO2气体分解时要消耗大量热量，同时由于分解出来CO气体和O2体积增加1倍，故电弧的冷却压缩作用增强，电弧电压增高，熔深增大，有利于厚板焊接，但在采用短路过渡细焊丝时亦可焊接薄板。 24l电渣焊是利用电流通过液态熔渣产生的电阻热熔化焊丝与母材形成焊接熔池的一种焊接方法。它能在垂直位置从一次行程完成全厚度焊缝的焊接。因此电渣焊是锅炉、压力容器制造中效率最高的焊接方法，和其它焊接方法比较，电渣焊有以下特点： 大厚度工件可一次焊成。生产效率高，焊接材料消耗少。电渣焊热循环的最大特点是线能量大。几乎没有渗锰、渗硅反应。25 26 27l由于电渣焊的特点，在锅炉和压力容器制造中，电渣焊主要用于厚板的拼接及厚壁筒体纵、环缝的焊接。但由于环缝电渣焊过程比纵缝电渣焊复杂得多，且工件接长后整体正火处理受炉膛尺寸限制，因此，目前环缝电渣焊应用的还比较少。丝极电渣焊可焊接厚度为30500mm的板材，板厚小于30mm不宜采用。碳钢和低合金钢均可采用电渣焊。28 292. 焊接应力及变形(焊接残余变形与残余应力)30l焊接是一种局部加热过程。熔池冷却凝固成为焊缝后将继续冷却到环境温度。随着温度的变化，体积相应发生变化，即局部的膨胀和收缩。焊件局部膨胀和收缩，会引起焊件的变形，当上述局部体积变化受到限制，就造成焊件内的应力。在焊后残留在工件上的变形和应力称为残余变形和残余应力。312.1.1 焊接变形的种类焊接变形的种类2.1.1.1变形种类 常见的焊接变形有：l纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直于焊缝 方向）变形，是焊接变形的最基本形式。l角变形，亦称转角变形。l弯曲变形。l波浪变形。l扭曲变形，亦称螺旋变形。322.1.1.2 影响变形量的因素影响变形量的因素l影响变形量的因素包括结构因素和工艺因素等多方面。焊接材料的物理性质、板材厚度、接头型式、结构刚性等都影响收缩量的大小。l一般情况下，线膨胀系数大的材料，焊缝 收缩量也大。l焊件刚性越小则变形量越大。l焊接接头型式对角变形的影响符合下述规 律：角变形随坡口角度增大而增加。l单层自动弧焊的熔深大，焊缝上、下宽度 相差不大，故其角变形较手弧焊为小。33 2.1.2.1 设计方面设计方面l尽量减少焊缝数量、焊缝长度和焊缝截面积；使结构中所有焊缝尽量对称于中性轴布置；结构上便于施焊时采用胎模夹具固定；合理设计角焊缝焊角尺寸。342.1.2.2 工艺方面工艺方面l（1）反变形法 l（2）刚性夹持进行焊接 方法有： 利用夹具刚性固定焊件进行焊接； 设置临时拉杆提高焊件刚性； 两个相同焊件相互点固后再行焊接。l（3）选用合适的焊接方法和焊接顺序，以减少 焊件受热。35l当采用上述措施后焊接变形仍较大时，则应根据焊件设计要求考虑进行焊后矫形。矫形的方法有机械法和火焰法，机械法可用校平机、压力机、卷板机、锤击等。l在选用矫形方法时，要特别注意钢种。对耐腐蚀设备不宜用锤击以防止应力腐蚀；对具有晶间腐蚀倾向的18-8不锈钢和淬硬倾向较大的钢材不宜用火焰矫形；对冷裂倾向较大的高强钢要少用机械法矫形，因此法属冷塑性变形，易产生硬化。36l2.2.1 产生原因产生原因l总的来说，焊接应力是焊接过程中焊件体积变化受阻而产生。在焊接过程中引起体积变化的主要原因是：由于温度降低体积收缩和低温时组织转变而引起的体积变化。l2.2.1.1 热收缩对焊接残余应力的影响热收缩对焊接残余应力的影响l2.2.1.2 组织转变对焊接残余应力的影响组织转变对焊接残余应力的影响37l焊接应力既是焊缝金属体积变化受阻所产生，故应力为三向应力。但鉴于化工设备焊接中是以厚度不大的板材为主要对象，故焊接应力主要为双向应力（纵向、横向）。对于薄板对接焊，尚可认为只有单向应力（纵向）；但若板材厚度大于2530mm，则厚度方向对焊接收缩的阻力不可忽略，此时产生三向应力，并且根部应力峰值常达到材料的屈服极限，且多属拉应力，危害很大。38l多数情况下，焊缝及近缝区易产生焊接拉应力。拉应力会降低材料塑性，成为焊接接头产生裂纹或脆断的主要根源。对承受动载的零件危害很大。l若焊接应力为压应力，则主要降低受外压薄壁圆筒或其它受压构件的稳定性，是使薄壁壳体焊后产生波浪变形的主要原因之一。39l焊件中存在残余应力，会降低焊件的承载能力，同时易导致焊后甚至使用期间的变形。l由于焊接时焊件仅产生局部的体积变化，故焊接应力也仅是一个局部效应。通过应力测定表明，在焊缝两侧200300mm以外就基本上不存在焊接应力。因此，只要母材塑性很好，这种局部效应对刚性不太大的焊件就不会带来多大危害。但焊接应力的存在总归是不理想的，故应尽量降低其峰值甚至完全消除之。402.2.4.1 设计方面设计方面l中心问题是正确布置焊缝，以免应力叠加，降低应力峰值。l（1）焊缝彼此尽量分散并避免交叉。l（2）避免在断面剧烈过渡区设置焊缝。l（3）焊缝应尽量分布在结构应力最简单、最小处。l（4）对卧式容器环缝应尽量位于支座以外，纵缝 则尽量位于壳体下部140范围以外。l（5）改进结构设计，局部降低焊件刚性，减小焊 接应力。 412.2.4.2 工艺措施工艺措施l（1）采用合理的焊接顺序。l（2）缩小焊接区与结构整体之间的温差， 办法有：整体预热，采用低线能量， 间歇施焊等。l（3）锤击焊缝。42l对于有应力腐蚀和要求尺寸稳定的结构，承受交变载荷要求有较大抗疲劳强度的焊接结构，以及低温下使用的结构，为了防止低温应力脆性破坏，焊后一般都须消除焊接应力。只有当材料的塑性、韧性都很好时才可以不考虑消除焊接应力的措施。433. 焊接缺陷及防止 443.1.1 焊接缺陷类型焊接缺陷类型l常见的焊接缺陷有咬边、凹陷、焊瘤、气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等。通常按缺陷在焊缝中的位置不同，分为外部缺陷和内部缺陷两大类。45l外部缺陷有表面裂纹、表面气孔、咬边、凹陷、满溢、焊瘤、弧坑等，这些缺陷主要与焊接工艺和操作技术水平有关。还有些是外观形状和尺寸不合要求的外部缺陷，如错边、角变形和余高过高等。46l内部缺陷有气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等。473.1.2 焊接缺陷的危害焊接缺陷的危害l焊接缺陷对设备的影响，主要是在缺陷周围产生应力集中。严重时使原缺陷不断扩展，直至破裂。同时，焊接缺陷对疲劳强度，脆性断裂以及抗应力腐蚀开裂都有重大影响，由于各类缺陷的形态不同，所产生的应力集中程度也不同，因而对结构的危害程度也各不一样。48l3.1.2.1 焊接缺陷引起的应力集中焊接缺陷引起的应力集中l3.1.2.2 焊接缺陷对脆性断裂的影响焊接缺陷对脆性断裂的影响l3.1.2.3 焊接缺陷对疲劳强度的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响l3.1.2.4 焊接缺陷对应力腐蚀开裂的影响焊接缺陷对应力腐蚀开裂的影响49l裂纹是焊接结构中比较普遍而又十分严重的一种缺陷。严重的裂纹明显地削弱容器的承载能力和耐腐蚀性能。即使开始不很严重的裂纹，由于在裂纹尖端处存在应力集中，低温、交变或冲击载荷的作用会使裂纹扩展，从而有造成突然脆断的可能。由于裂纹而造成的事故在国内、外都为数不少。 50l焊接裂纹可能产生在焊缝区，也可能产生在热影响区或熔合处；有时出现纵向裂纹，有时出现横向裂纹；在断弧处还会出现火口裂纹亦称弧坑裂纹。从形成裂纹的本质来看，大体上可分为热裂纹和冷裂纹两大类。51l热裂纹又称结晶裂纹，是在焊缝凝固或高温时形成的。其外形特征具有晶间破坏的性质，在多数情况下裂纹面上有强烈氧化的彩色（深兰色或黑色）。多出现在焊缝上，个别情况下也出现于热影响区。热裂纹分微观裂纹和宏观裂纹两种，微观裂纹沿晶界分布，火口裂纹属热裂纹。523.2.1.2 影响因素l热裂纹的形成主要与两个因素有关： 一是冶金因素：主要决定于化学成分，杂质的分布情况，晶粒的大小及方向性以及变形速度等。 二是力学因素：主要决定于金属的膨胀系数，焊接接头刚性，焊缝位置以及焊接温度分布情况等。 533.2.1.3 预防裂纹措施l预防热裂纹的基本措施是：严格控制焊缝化学成分，限制碳、硫、磷含量，当上述措施还无法避免热裂纹时，就必须采取工艺措施，如焊前预热、伴热，用大线能量施焊（但要保证焊缝形状系数不过小）以及尽量降低焊件刚性等。543.2.2.1 冷裂纹的特点冷裂纹的特点l冷裂纹是焊接高强钢、中合金钢和中碳钢等易淬火钢材最易产生的焊接缺陷。它与热裂纹有本质区别。其特点是：产生于焊缝金属凝固之后，一般产生于马氏体转变温度以下或常温。主要产生于热影响区，个别情况下产生于焊缝区。 55l常具有延迟性。有的钢材不是焊后立即产生冷裂纹，而是在焊后几小时、几十小时甚至更长时间才产生。这类不是在焊后立即产生的冷裂纹又称延迟裂纹，它是冷裂纹中比较普遍的形态。由于它不能在制造过程中被检测出来，故更具有危险性能。裂纹表面无明显氧化色彩，属脆口断裂。563.2.2.2 产生原因产生原因l冷裂纹的产生就其本质而言，是焊件热影响区的低塑性组织，焊接接头中的氢气和焊接应力综合作用的结果。l（1）淬硬作用 l（2）氢的作用 l（3）焊接应力的作用 57l综上所述，冷裂纹是上述三个因素综合作用的结果，排除或消弱其中任何一个因素都对防冷裂有利。若仅存在某一因素的作用，冷裂纹也不致产生，这也是防冷裂的基本出发点。583.2.2.3 预防冷裂纹措施预防冷裂纹措施l（1）最大限度地降低焊缝氢含量 l（2）采用预热、伴热和焊后热处理以及采用大线能量施焊均利于氢的逸出和降低淬火倾向。l（3）严格控制母材含磷量，以防冷脆。l（4）采取有利于降低焊接残余应力的措施。59l对某些低合金高强度钢焊件，在进行消除应力热处理或在高温度下使用时，热影响区的粗晶部位往往产生裂纹，这种裂纹是在构件焊后重新加热的过程中产生的，故称为“再热裂纹”。60l再热裂纹在许多钢种中被发现过，其中包括奥氏体不锈钢、低合金结构钢和镍基合金，尤其是低合金高强钢和含铬、钼元素较多的大截面焊缝中更突出。大截面焊缝（厚壁容器焊缝等）在进行多道多层焊时，为适应焊接过程中多次无损探伤的需要，必须进行多次热处理。每次热处理时间甚至长达20小时或更多，累计热处理总时间甚至超过100小时，故这种再热裂纹更多见于厚壁容器焊缝中。613.2.3.1 形成机理形成机理l再热裂纹的形成机理至今尚无明确定论。从现有资料来看，可以认为，再热裂纹的形成与其它焊接裂纹的形成原因和机理是不同的。再热裂纹的产生与高温应力松驰有关。当焊接接头被加热到消除应力的温度范围内，材料的屈服强度降低，由弹性应变转变为塑性应变，使应力释放，从而消除了焊接残余应力。62l热影响区中粗晶区的残余应力最高，相应地就要产生较大的塑性应变才能使应力降低。但有些钢种，该处的塑性在消除应力热处理前后有较大变化。热处理后晶界的塑性比晶界内低，晶界成为薄弱环节，容易在此引起开裂。63l热处理前后粗晶区塑性的变化主要与合金所处状态有关。在焊接时，该区被加热到1100以上，合金碳化物溶于奥氏体内并发生晶粒粗化。在焊后的快速冷却过程中，一般合金碳化物都来不及析出，对该区塑性无多大影响。但在随后的消除应力热处理中，受到550700的加热并经过一定的保温，这时合金碳化物会弥散析出在位错线上，强化了晶内。与此同时，也有片状、条状碳化物析出于晶界，本来粗晶区的晶界上，低熔点杂质和某些微量元素相对含量就高，塑性较差，再加下硬脆碳化物的析集，故加重了晶界脆化。643.2.3.2 影响因素影响因素l影响再热裂纹的因素很多，主要有以下两个因素：l1、合金元素：钢中的合金元素对再热裂纹 的敏感性起决定性因素，尤其是Cr、Mo、 V、Nb、Ti等元素，故钢均属再热裂纹 敏感钢种。l2、焊接残余应力：再热裂纹往往发生在高的 焊接残余应力部位。653.2.3.3 再热裂纹预防措施再热裂纹预防措施l（1）选用再热裂纹敏感性小的母材，这是最根本的措施。l（2）采取一切有利于降低残余应力的措施。l（3）避免焊接残余应力与其它应力（结构应力、再热过程中的热应力等）的复合。 66l（4）注意再热时热源气氛的选择。当使用重油加热时，须用钒含量低的重油以防由于氧化钒使晶界脆弱化。此外，要防止焊缝表面被碳化、氧化。l（5）在确保消除应力效果的前提下，尽量采用较低的再热温度和较短的保温时间。674. 压力容器焊接结构设计68l锅炉锅筒、管道和各种压力容器均为受压壳体，其焊接接头的结构和要求具有同类性。设备上的焊接接头按受力状态及所处的部位可分为A、B、C、D、E、F六类，其中A、B、C、D四类均为受压壳体上直接承受压力载荷的接头；E类是非受压元件与受压壳体间的接头，不承受压力载荷；F类是受压元件表面上的堆焊接头，起耐磨或防腐蚀作用，一般不计入承压厚度。6970l压力容器上的A、B类焊接接头，主要是壳体上的纵、环向对接接头，是受压壳体上的主承力焊接接头，这类接头要求采用全焊透结构，应尽量采用双面焊的全焊透对接接头。如因结构尺寸限制，只能从单面焊接时，也可采用单面坡口的接头，但必须保证能形成相当于双面焊的全焊透对接接头。为此，采用氩弧焊之类的焊接工艺完成全熔透的打底焊道，或在焊缝背面加衬板来确保焊缝根部完全熔透或成形良好。71l当对接接头两侧壁厚不等且厚度差大于较薄壳壁厚度的1/4或3mm时，则应将较厚壳壁接头边缘削薄，其斜度至少为1：3。 72l为避免相邻焊接接头焊接残余应力的叠加和热影响区的重叠，压力容器上的A类或B类接头之间的距离至少应为壁厚的3倍，且不小于100mm。同时不应采用十字焊缝，且A、B类接头及其附近不得开设管孔。若因管子密集必须开在A、B类接头上时，则要求开孔部位焊缝作100%射线或超声波探伤，对超标缺陷妥善处理后再焊接接管。容器筒身和封头上的A、B类接头均应布置在不直接受局部弯曲应力作用的部位。若受压部件在载荷作用下发生弯曲而使焊缝根部受到弯曲应力作用，则不应采用单面对接接头或直角填充焊缝。73lA、B类对接接头均应按GB150的有关规定进行局部或全部射线或超声波探伤检查。其中A类接头中的圆筒纵焊缝还应按GB150的要求作焊接试板，作为焊接质量的实际见证，而B类接头则一般不作焊接试板。74lC类接头以用于法兰与筒身或接管的连接为最多。法兰的厚度是按所加弯矩进行刚度和强度计算确定的，因此比壳体或接管的壁厚大得多。对于这类接头不必要求采用全焊透结构形式，而允许采用局部焊透的T形接头，低压容器中的小直径法兰甚至可采用不开坡口的角焊缝连接，但必须在法兰内外两面进行封焊，这样既可防止法兰的焊接变形，又可保证法兰所要求的刚度。75l对于平封头，管板与筒身相接的C类接头，因工作应力较高，应力状态较复杂，应采用全焊透角接接头或对接接头，并提出探伤要求，搭接、角接焊缝不采用。l为减小角焊缝趾部位的应力集中，角焊缝表面可按要求加工成圆角、圆角半径最小为0.25倍圆筒壳或接管壁厚，且不小于4.5mm。76l在压力容器和锅炉等过程设备中，D类接头主要是接管与壳体和补强圈与壳体间的连接焊缝，其受力状况差，且较A、B类接头复杂，在载荷作用下会产生较大的应力集中。在壁厚较大时，D类接头的拘束度相当大，故焊接残余应力亦较大，易产生裂纹之类的缺陷，对于承受交变载荷的压力容器、低温压力容器、厚壁压力容器和高强钢制压力容器的不利影响更为显著。一般情况下，开孔直径越大，对容器安全性的不利影响也越大，而且接管与壳体的连接结构不同，其不利影响程度也不同。77l压力容器中常见的D类接头形式有插入式接管T形接头，安放式接管和凸缘的角接接头等。其中插入式接管T形接头又分为带补强圈和不常补强圈T形接头等形式。78l长期的使用经验证明，在各种插入的接管接头中，全焊透的插入式接管T形接头工作可靠性最好，使用寿命最长。这种结构便于进行超声波探伤，可以对接头的焊接质量进行有效控制，设计时若恰当地采用厚壁接管，使接头在满足强度要求的同时具有一定的柔性，减小拘束度，则接头的应力集中系数会进一步降低，从而使其工作可靠性更好。 79l温度和压力较高容器、低温压力容器和承受交变载荷与具有急剧温度梯度的压力容器，以及低合金高强度钢制容器上直径大于100mm的接管，通常均采用这种全焊透T 形接头。对于承受疲劳载荷、低温和抗拉强度b540MPa的钢制压力容器，应将接管端部内棱角和外表面角焊缝加工成圆角，以便进一步降低应力集中系数。80l压力容器和锅炉等设备中的焊接接头焊缝，当壁厚较大时均应开设坡口。其目的是为了使焊缝全部焊透和减小或避免焊接缺陷，保证焊接质量，常用对接接头坡口型式有：不开坡口、V形坡口、U型坡口、X型坡口、双U形坡口。坡口主要结构参数有坡口角度，钝边高度p和根部间隙b等。 81l其中的作用是使焊条或焊丝便于伸到坡口底部并作必要的摆动和偏移，以便获得良好的熔合，便于脱渣和清渣；钝边p的作用是防止烧穿和熔化金属流失；间隙b是为了保证焊透。坡口的形状和尺寸与焊接方法、焊接位置、焊件厚度、焊透要求、焊接变形的大小以及生产效率和经济等因素有关。设计时应全面考虑这些因素，设计或选择适宜的坡口形状和尺寸。824.3.1 坡口形状和尺寸的主要影响因素坡口形状和尺寸的主要影响因素l（1）单就操作而言，坡口越小，耗用焊接材料越小，生产效率和经济效益越高。l（2）焊接方法首先决定是否需要开坡口。l（3）在焊接方法一定时，坡口的形状和尺寸主要决定于板厚的大小。l（4）焊件的材料不同，对坡口的形状和尺寸要求也有差异。834.3.2 坡口形状与尺寸的设计坡口形状与尺寸的设计l焊接接头坡口的设计或选择，主要考虑的原则是：保证焊透；坡口易于加工；尽量节省填充金属，提高焊接生产效率；焊件产生的变形和残余应力尽可能地小。对于低碳钢和低合金钢制压力容器等过程设备的各种焊接接头，其手工电弧焊、气体保护焊和埋弧自动焊的坡口形式及尺寸，可详见GB985、GB986、GB150附录J。 84 尽管不同条件时的坡口形状和尺寸有所差异，但选用所遵循的原则是一致的。l（1）I形坡口。l（2）单面V形坡口。l（3）X形坡口。l（4）U形坡口。l（5）双U形坡口。855. 焊接材料及选择86l（1）限制空气侵入焊接区。l（2）保证焊缝合理的化学成分。875.2.1.1 碳钢与低合金钢焊条型号碳钢与低合金钢焊条型号l这类型号包括碳钢、低合金高强度钢和铬钼耐热钢用焊条。碳钢焊条型号的基本形式为E。 5.2.1 焊条的型号焊条的型号88 其中：lE表示焊条，第1、2位数字表示熔敷金属最低抗拉强度（kgf/mm2）第三位数字表示焊接位置，“0”或“1”表示适用于全位置焊接，第3、4位组合表示药皮类型与电源要求。89 90l5.2.1.2 不锈钢焊条型号不锈钢焊条型号l不锈钢包括铬不锈钢和铬镍奥氏体不锈钢等。其焊条型号基本形式为E-，其中E为化学成分类别编号，大多为三位数，首位为“3”者代表铬镍奥氏体不锈钢，首位为“4”者代表铬不锈钢；第4位数字为特殊要求代号字母或元素符号，最后两位数字表示药皮类型与电源要求，“15”表示碱性药皮，限用直流反接，“16”表示药皮为碱性或酸性，交、直流均可。91 92l焊条牌条的基本形式是“”，首位是一个汉语拼音字母或汉字，其后三位是数字。在后三位数字中，前两位表示各大类中的若干小类，其含义依大类而不同；第三位数字表示各种焊条牌号的药皮类型及焊接电源。对于具有特殊性能要求和用途的焊条，牌号数字末尾还附有起主要作用的元素符号或字母，祥见表。 93 94 955.2.2.1 结构钢焊条结构钢焊条l结构钢焊条牌号是指用于碳钢及低合金高强度钢的焊条，其基本表示形式为J(结)，字母“J”表示结构钢焊条，中间两位数字有示熔敷金属的最低抗拉强度。965.2.2.2 铬钼耐热钢焊条铬钼耐热钢焊条975.2.2.3 不锈钢焊条不锈钢焊条98 99l焊剂是具有一定粒度的颗粒状物质，焊接时能够熔化形成熔渣和气体，是埋弧焊和电渣焊不可缺少的焊接材料。在焊接过程中，焊剂的作用相当于焊条药皮，熔化形成熔渣，对焊接熔池起保护、冶金处理和改善焊接工艺性能的作用，烧结焊剂还具有渗合金作用，焊剂与焊丝相组合，即为埋弧焊和电渣焊所需的焊接材料。100l焊剂的焊接工艺性能和化学冶金性能是决定焊缝金属化学成分和性能的主要因素之一，采用同样的焊丝和同样的焊接参数，而配用的焊剂不同，所得焊缝的性能将有很大的差别。一种焊丝可与多种焊剂合理组合，无论是在低碳钢还是在低合金钢上都有这种合理的组合。1015.3.1.1 按制造方法分类按制造方法分类:l（1）熔炼焊剂 l（2）非熔炼焊剂 1025.3.1.2 按化学成分分类按化学成分分类l（1）按SiO2含量分为：高硅焊剂，SiO230%；中硅焊剂，SiO2=1030%；低硅焊剂，SiO230%，中锰焊剂，MnO=1530%；低锰焊剂，MnO=215%；无锰焊剂，MnO30%，高氟焊剂，CaF230%，中氟剂,CaF2=1030%；低氟焊剂；CaF210%。1035.3.1.3 根据焊剂氧化性的强弱分类根据焊剂氧化性的强弱分类l（1）氧化性焊剂l（2）弱氧化性焊剂l（3）惰性焊剂（或称中性焊剂）l5.3.1.4 按熔渣的碱度分类按熔渣的碱度分类l（1）酸性焊剂（B1.5) 1045.3.2.1 熔炼焊剂牌号熔炼焊剂牌号l牌号表示形式为“HJ”，其中“HJ”表示埋弧焊和电渣焊用熔炼焊剂；其后的第一位数字表示焊剂中MnO的含量，共4个数字（即1、2、3、4）。第二位数字表示焊剂中SiO，CaF2的含量（用18数字分别表示）。9表示其他。l第三位数字表示同一类型熔炼焊剂的不同牌号序列号。若在第三位数字后加有“x”，则表示是颗粒焊剂。105l如：HJ4311065.3.2.2 烧结焊剂牌号烧结焊剂牌号l其表示形式为“SJ”，其中“SJ”表示埋弧焊用烧结焊剂，其中后第一位数字表示熔渣的渣系组成（用16数字分别表示）。第二、三位数字表示该渣系焊剂的牌号序，按0109编排。如：SJ402107l熔练焊剂是我国生产和应用最多的焊剂，近年烧结焊剂也得到发展和应用，与熔炼焊剂比较，烧结焊剂有许多优点。l（1）在烧结焊剂里可以加脱氧剂，脱氧充分，而熔炼焊剂不能加脱氧剂。l（2）烧结焊剂可以加合金剂，合金化作用强。用普通的低碳钢焊丝配合适当的焊剂可以方便地对焊缝金属合金化。而熔炼焊剂只能配一定成分的焊丝才能对焊缝金属合金化。108（3）烧结焊剂的碱度调节范围较大，当焊剂碱度大于3时，仍可具有较好的焊接工艺性能，采用高碱度的焊剂有利于获得高韧性的焊缝。l烧结焊剂比熔炼焊剂具有更好的抗锈、抗气孔能力。l但烧结焊剂与熔炼焊剂相比还存在以下缺点，焊接工艺参数变化会影响到焊剂的熔化量，致使焊缝金属的成分因此而出现波动；烧结焊剂的吸潮性较大，容易增加焊缝的含氢量，其存放条件及焊前烘干的要求此熔炼焊剂严格。1095.4.1 保护气体的类别与特性保护气体的类别与特性常用的保护气体有以下几类：l（1）惰性气体l（2）强氧化性气体l（3）弱氧化性气体l（4）混合气体110 5.4.2 保护气体的适用范围保护气体的适用范围111 112l焊丝与焊剂或保护气体配用，起导电和填充焊缝金属的作用，对焊缝金属的成分有决定性影响。按照适用的焊接方法，焊丝可分为埋弧自动焊焊丝、电渣焊焊丝、CO2焊焊丝和气焊焊丝等；按被焊材料的不同，可分为碳钢焊丝、低合金钢焊丝、不锈钢焊丝、铸铁焊丝和有色金属焊丝等；按制造方法与焊丝的形状，可分为实心焊丝和药心焊丝。113l实心焊丝是目前最常用的焊丝，系热轧线材经拉拔加工而成。为了防止生锈，须对焊丝（除不锈钢焊丝外）表面进行特殊处理。目前主要是镀铜处理，包括电镀、浸铜及化学镀铜处理等。l实心焊丝主要有碳钢、低合金钢、耐热钢和不锈钢焊丝，广泛用于埋弧焊、电渣焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、气焊等。 114l实心焊丝的牌号以“H”表示。其中“H”表示焊接用实心焊丝；其后的一位或两位数字表示含碳量；再后是合金元素及其含量，含量以百分数整数标注，不足1%时省略。末尾标有“A”时表示优质，其S.、P0.03%；标有“E”时为高级优质，其S.、P含量更低。例如：1155.6.1 焊接材料选用要点焊接材料选用要点5.6.1.1 焊条的选用原则焊条的选用原则l（1）对于用低碳钢及普通低合金钢焊接的承压过程设备，一般按等强度原则，使焊缝金属的强度与母材相等或相近。l（2）对于低碳钢与普通低合金钢，或普通低合金钢与普通低合金钢之间的异种钢焊接接头，一般选用与强度等级较低的钢相应的焊条。116l（3）对同一强度等级的酸性焊条或碱性焊条的选用，主要取决于焊接件的结构形状（简单或复杂）、钢板厚度（刚性小或大）、工作条件（静载荷或动载荷）和钢材的抗裂性能等方面。l（4）对于承受高温或腐蚀的耐热钢和不锈钢，钢中合金元素对其耐热和腐蚀性起决定性作用。故这类钢在选择焊条时，应以等成分原则为主，使焊缝金属的主要合金成分与母材相近或相同，以保证焊接接头的特殊性能。l由于工艺因素的考虑，奥氏体不锈钢多选用酸性药皮焊条。 1175.6.1.2 埋弧焊与电渣焊与焊剂的选配原则埋弧焊与电渣焊与焊剂的选配原则l在埋弧焊中，应注意焊丝与焊剂中Mn、Si含量的适当配合。若焊丝中Mn、Si含量较高，则应选配Mn、Si含量低的焊剂；反之应配用Mn、Si含量高的焊剂。l（1）低碳钢与低合金钢选配l（2）不锈钢用焊丝与焊剂选配1185.6.1.3 气体保护焊对焊丝的要求气体保护焊对焊丝的要求l（1）钨极氩弧焊（TIG） TIG焊接有时不加填充焊丝，被焊母材熔化后直接连接起来，有时加填充焊丝。由于保护气体为纯Ar，无氧化性，焊丝熔化后成分基本不发生变化，所以焊丝成分即为焊缝成分。也有的采用母材成分作为焊丝成分，使焊缝成分与母材一致。TIG焊时焊接线能量小，焊接强度和塑、韧性良好，容易满足使用性能要求。 119l（2）熔化极氩弧焊（MIG）和活性气体保护焊（MAG） MIG方法主要用于焊接不锈钢等高合金钢。为了改善电弧特性，在Ar气中加入适量O2或CO2，即成为MAG方法。焊接低合金钢时，采用Ar+5% CO2可提高焊缝的抗气孔能力。但焊接超低碳不锈钢时不能采用Ar+5%CO2混合气体，只能采用Ar+%CO2混合气体，以防止焊缝增碳。目前低合金钢的MIG焊接正在逐步被Ar+2%CO2的MAG焊接所取代。 120 MAG焊接时由于保护气体有一定的氧化性，应适当提高焊丝中Si、Mn等脱氧元素的含量，其它成分可以与母材一致，也可以有所差别，焊接高强钢时，焊缝中C的含量通常低于母材，Mn的含量则应高于母材，这不仅为了脱氧也是焊缝合金成分的要求。为了改善低温韧度，焊缝中Si的含量不宜过高。 121 （3）CO2焊焊丝 CO2是活性气体，主要用于焊低碳钢与低合金钢。由于具有较强的氧化性，因此CO2焊所用焊丝必须含有较高的Mn、Si等脱氧元素。CO2焊通常采用C-Mn-Si系焊丝，如H08MnSiA、H08Mn2SiA、H04Mn2SiA等。CO2焊焊丝直径一般是0.8、1.0、1.2、1.6、2.0mm等。焊丝直径1.2mm属于细丝CO2焊，焊丝直径1.6mm属于粗丝CO2焊。122 H08Mn2SiA焊丝是一种广泛应用的CO2焊焊丝，它有较好的工艺性能，适合于焊接500MPa级以下的低合金钢。对于强度级别要求更高的钢种，应采用焊丝成分中含有Mo元素的H10MnSiMo等牌号的焊丝。123 5.6.2 常用钢焊接材料选用常用钢焊接材料选用124 序号适用钢种手工焊条自动埋弧焊电渣焊气体保护焊气焊焊丝国际型号统一牌号焊丝焊剂焊丝焊剂焊丝保护气体1Q235-A,FQ235-A1020E4303E4315J422J427H08AHJ431H10MnH10MnSiHJ431H08Mn2SiH10MnSiH05MnSiAlTiZrCO2Ar+ CO2ArH08MnA220R20gE4303E4315J422J427H08MnA316MnR16MngE5015J507H10Mn2HJ431H08Mn2SiH10MnMoH08Mn2SiH05MnSiAlTiZrCO2Ar+ CO2ArH10MnSiH08MnMoHJ250H10MnMo415MnVR15MnVNR20MnMoE5515-GJ557H08MnMoHJ350H10MnMoH08Mn2SiH05MnSiAlTiZrCO2Ar+ CO2ArH08Mn2Si513MnNiMoNbR18MnMoNbRE7015-D1J607H08Mn2MoHJ350H10Mn2NiMoH10Mn2MoHJ431H08Mn2SiMoCO2Ar+ CO2614MnMoVE7015-D2J707H08Mn2MoHJ350H10Mn2NiMoHJ431H08Mn2SiMoCO2Ar+ CO2714MnMoVN（调质处理）E8015J807H08Mn2NiMoHJ250H10Mn2NiMoVHJ431H08MnNiSiMoAr+ CO2812CrMoE5515-B1R207H10CrMoHJ350H08CrMnSiMoAr+ CO2ArH10CrMo915CrMoRE5515-B2R307H12CrMoHJ350H12CrMoHJ431H08CrMnSiMoH05Cr1MoTiREAr+ CO2ArH12CrMo1020CrMo12CrMoVE5515-B2-VR317H08CrMoVHJ350H05Cr1MoVTiREArH08CrMoVH08CrMnSiMoVAr+ CO2112 1/4Cr1Mo(12Cr2Mo1)E6015-B3R407H10Cr3MoMnAHJ250+350（1：1）H10Cr3MoMnAH05Cr2Mo1TiREAr125 序号适用钢种手工焊条自动埋弧焊电渣焊气体保护焊气焊焊丝国际型号统一牌号焊丝焊剂焊丝焊剂焊丝保护气体1212CrMoWBV（钢102）E5515-B3-WVBR347H08Cr2MoWVNiTiBHJ250H08Cr2MoWVTiBH10Cr2MnMoWVTiBArH08Cr2MoVTi13Cr5MoCr6SiMoE309Mo-16A312HCr5MoHJ250140Cr131Cr132Cr13E410-15G207H0Cr14H0Cr18HJ260H0Cr14H0Cr18Ar15Cr17(Cr17Ti)Cr17Mo2E430-16E430-15G302G307H0Cr18Mn2HJ260H0Cr18Mo2Ar160Cr18Ni9E308-16A102H0Cr21Ni10HJ260H0Cr21Ni10Ar1700Cr19Ni10E3081-16A002H00Cr21Ni10HJ260H00Cr21Ni10Ar180Cr18Ni12Mo2TiE318-16A212H0Cr19Ni12Mo2HJ260H0Cr19Ni9Mo2Ar190Cr18Ni10TiE347-16A132H0Cr20Ni10NbHJ260H0Cr20Ni10NbAr200Cr19Ni13Mo3E317-16A242H0Cr19Ni12Mo2HJ260H0Cr19Ni12Mo2Ar21Cr25Ni13Cr20Ni14Si2E309Mo-16A31222Cr25Ni20E310-16A402126 127 1、埋弧自动焊特别适用于厚度20mm以上受压壳体纵、环缝的焊接。 2、钨极氩弧焊主要用于要求全焊透的厚壁管焊接。 （ ） 3. CO2气体保护焊，因CO2气体价廉、焊接成本低、抗氢能力强，目前广泛应用于碳钢、低合金钢的焊接。4. 为下列焊缝选择适宜、经济的焊接方法。 直径500mm，壁厚10mm，长400mm的圆筒纵缝，材料为Q235-A。 材料为16MnR，直径2000mm，壁厚20mm的塔壳。 材料为16MnR，直径1200mm，壁厚80mm的纵缝。 材料为1Cr18Ni9Ti，1085的管道对接环焊缝。128 5. 常见的焊接变形有纵向、横向变形 、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形。6. 对于