焊接基本知识.pptx

承压类特种设备常用焊接方法承压类特种设备常用焊接方法 焊接接头焊接接头 焊接应力和变形焊接应力和变形 承压类特种设备常用钢材的焊接承压类特种设备常用钢材的焊接第1页/共81页 焊接焊接：通过：通过加热或加压加热或加压，或两者并用或两者并用，并且，并且用或不用填充材料用或不用填充材料，使得工件结合在，使得工件结合在一起的方法。焊接的一起的方法。焊接的分类：熔化焊、压力焊、钎焊分类：熔化焊、压力焊、钎焊。熔化焊熔化焊：利用热源，使连接部位局部熔化为液体，再结晶成一体。微观上：利用热源，使连接部位局部熔化为液体，再结晶成一体。微观上形成共形成共同晶粒同晶粒。压力焊：利用摩擦、扩散和加压等物理作用，使连接表面的原子相互接近晶格距压力焊：利用摩擦、扩散和加压等物理作用，使连接表面的原子相互接近晶格距离，在固态下实现连接。微观上形成共同晶粒。离，在固态下实现连接。微观上形成共同晶粒。钎焊：将焊件和钎料加热到低于焊件温度而高于钎料温度，使液态钎料润湿焊件钎焊：将焊件和钎料加热到低于焊件温度而高于钎料温度，使液态钎料润湿焊件表面，冷却后结晶形成一体。微观上不形成共同晶粒。表面，冷却后结晶形成一体。微观上不形成共同晶粒。一、承压类特种设备常用的焊接方法一、承压类特种设备常用的焊接方法 承承压类特种设备焊接压类特种设备焊接大多采用熔化焊，方法有焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、大多采用熔化焊，方法有焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、等离子弧焊等。电渣焊、等离子弧焊等。最常用为焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊最常用为焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊。（一）（一）焊条电弧焊（焊条电弧焊（SMAW）：）：1 原理原理：利用：利用焊条和焊件之间的电弧热焊条和焊件之间的电弧热，将，将焊条及部分焊件熔化形成焊缝焊条及部分焊件熔化形成焊缝的连的连接方法。焊接过程中焊条药皮熔化分解成气体和熔渣，在接方法。焊接过程中焊条药皮熔化分解成气体和熔渣，在气体和熔渣共同保护气体和熔渣共同保护第2页/共81页下，有效地排除了周围空气对熔化金属的有害影响。通过高温下熔化金属与熔渣下，有效地排除了周围空气对熔化金属的有害影响。通过高温下熔化金属与熔渣之间的冶金反映，还原并净化焊缝金属，从而得到优质的焊缝。之间的冶金反映，还原并净化焊缝金属，从而得到优质的焊缝。焊条电弧焊原理图焊条电弧焊原理图 实操图实操图第3页/共81页 焊条电弧焊设备简单，便于操作，焊条电弧焊设备简单，便于操作，适用于适用于室内外室内外各种位置的焊接各种位置的焊接，可以焊接可以焊接碳钢、碳钢、低合金钢、不锈钢等低合金钢、不锈钢等各种材料各种材料，在承压类特种设备制造与安装中使用广泛，比如，在承压类特种设备制造与安装中使用广泛，比如钢板对接，接管与筒体、封头的焊接，管子之间的焊接等。钢板对接，接管与筒体、封头的焊接，管子之间的焊接等。缺点是生产效率低、劳动强度大、对焊工的技术水平要求较高等。缺点是生产效率低、劳动强度大、对焊工的技术水平要求较高等。2、焊条电弧焊设备焊条电弧焊设备 a、交流电焊机交流电焊机：也叫：也叫交流弧焊变压器交流弧焊变压器，在焊条电弧焊中应用广泛。其，在焊条电弧焊中应用广泛。其空载电空载电压为压为6080V，具有结构简单、成本低、效率高、节省电能和使用维护方便等特，具有结构简单、成本低、效率高、节省电能和使用维护方便等特点。点。b、旋转式直流电焊机：由发电机和电动机机组组成，焊接电流可在较大范围、旋转式直流电焊机：由发电机和电动机机组组成，焊接电流可在较大范围内均匀调节以满足焊接工艺要求，电弧燃烧稳定。内均匀调节以满足焊接工艺要求，电弧燃烧稳定。c、硅整流式直流电焊机硅整流式直流电焊机：将工频交流电整流变为直流电的焊条电弧焊设备。：将工频交流电整流变为直流电的焊条电弧焊设备。与旋转式直流电焊机相比，具有噪声小、效率高、用料少，成本低等优点。近些与旋转式直流电焊机相比，具有噪声小、效率高、用料少，成本低等优点。近些年来，这种电焊机年来，这种电焊机正逐步替代了旋转式直流电焊机正逐步替代了旋转式直流电焊机。直流电源的特点是直流电源的特点是电弧燃烧稳定电弧燃烧稳定。直流电源。直流电源分为正接、反接两种分为正接、反接两种接法。接法。正接正接是指工件接正极、焊条接负极是指工件接正极、焊条接负极；否则就是反接。在焊接承压类特种设备受压部件；否则就是反接。在焊接承压类特种设备受压部件等重要结构时，常选用低氢型焊条以保证质量，这种焊条一般都要求采用直流反等重要结构时，常选用低氢型焊条以保证质量，这种焊条一般都要求采用直流反接电源。接电源。第4页/共81页 交流电焊机交流电焊机 硅整流式直流电焊机硅整流式直流电焊机3、焊条电弧焊焊条焊条电弧焊焊条 由焊芯和药皮组成。由焊芯和药皮组成。第5页/共81页 电焊条电焊条焊芯焊芯：焊条中被药皮包覆的金属芯。作用为：焊条中被药皮包覆的金属芯。作用为：a)作为电极产生电弧作为电极产生电弧；b)在电弧作用下熔化后，在电弧作用下熔化后，作为填充金属与熔化了的母材混合形成焊缝作为填充金属与熔化了的母材混合形成焊缝。B 药皮药皮：涂敷在焊芯表面的有效成分。作用为：涂敷在焊芯表面的有效成分。作用为：a)稳弧稳弧作用作用 药皮中含有稳弧物质，可保证电弧稳定燃烧。药皮中含有稳弧物质，可保证电弧稳定燃烧。b)保护保护作用作用 药皮熔化后产生大量气体笼罩着电弧区和熔池，把熔化金属与空气隔绝开，药皮熔化后产生大量气体笼罩着电弧区和熔池，把熔化金属与空气隔绝开，熔渣冷却后，在高温焊缝表面上形成渣壳，可防止焊缝金属表面金属不被氧化并减缓冷却熔渣冷却后，在高温焊缝表面上形成渣壳，可防止焊缝金属表面金属不被氧化并减缓冷却速度，改善焊缝成形。速度，改善焊缝成形。c)冶金冶金作用作用 药皮中含有脱氧剂和合金剂，通过熔渣与熔化金属的化学反应，可减少有害药皮中含有脱氧剂和合金剂，通过熔渣与熔化金属的化学反应，可减少有害物质对焊缝金属的危害，改善焊缝金属的力学性能。物质对焊缝金属的危害，改善焊缝金属的力学性能。d)掺合金掺合金 由于电弧的高温作用，焊缝金属中所含的某些合金元素被烧损，这样会使得焊由于电弧的高温作用，焊缝金属中所含的某些合金元素被烧损，这样会使得焊缝的力学性能降低。通过在药皮中加入铁合金或纯合金元素，使之随药皮的熔化而过渡到缝的力学性能降低。通过在药皮中加入铁合金或纯合金元素，使之随药皮的熔化而过渡到焊缝金属中去，以弥补合金元素烧损，提高焊缝金属力学性能。焊缝金属中去，以弥补合金元素烧损，提高焊缝金属力学性能。第6页/共81页 e)改善焊接工艺性能改善焊接工艺性能：调整药皮成分，可改变药皮的熔点和凝固温：调整药皮成分，可改变药皮的熔点和凝固温度，可适应各种焊接位置需要。度，可适应各种焊接位置需要。C 焊条的种类焊条的种类 按照用途按照用途分为：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、耐热钢焊分为：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、耐热钢焊条、堆焊焊条、铜及铜合金焊条等；条、堆焊焊条、铜及铜合金焊条等；按照按照药皮熔化后所形成的药皮熔化后所形成的熔渣的酸碱度熔渣的酸碱度不同分为：不同分为：酸性焊条（熔渣酸性焊条（熔渣碱度碱度1.5）两大类。两大类。酸性焊条酸性焊条药皮中主要含有药皮中主要含有SiO2、MnO2等酸性氧化物及少量有机等酸性氧化物及少量有机物，氧化性较强，施焊时合金元素烧损大，焊缝金属氧氮含量高，物，氧化性较强，施焊时合金元素烧损大，焊缝金属氧氮含量高，焊缝力学性能差，尤其是冲击韧性较低。焊缝力学性能差，尤其是冲击韧性较低。难于脱硫脱磷，焊条抗裂性较差。酸性渣较粘难于脱硫脱磷，焊条抗裂性较差。酸性渣较粘，在冷却过程中渣，在冷却过程中渣的粘度逐渐增加（的粘度逐渐增加（长渣长渣）。）。但但焊条工艺性能良好，成形美观，对锈、油、水分等敏感性不大，焊条工艺性能良好，成形美观，对锈、油、水分等敏感性不大，抗气孔能力强抗气孔能力强。常用于一般构件的焊接。常用于一般构件的焊接。典型酸性焊条牌号典型酸性焊条牌号J422（E4303）。）。第7页/共81页碱性焊条碱性焊条药皮中主要含有药皮中主要含有CaCO3、CaF2等碱性氧化物，并含有较多铁合金等碱性氧化物，并含有较多铁合金作为脱氧剂和渗合金剂，使焊条有足够的脱氧能力。作为脱氧剂和渗合金剂，使焊条有足够的脱氧能力。碱性渣流动性好碱性渣流动性好，在冷却过程中渣的粘度增加很快（，在冷却过程中渣的粘度增加很快（短渣短渣），焊），焊缝金属中含氢量低，也叫缝金属中含氢量低，也叫“低氢焊条低氢焊条”。抗裂性好，焊缝金属力学性能尤其是冲击韧性较高抗裂性好，焊缝金属力学性能尤其是冲击韧性较高。缺点是对锈、油污、水分等较敏感，容易产生气孔缺陷；电弧稳缺点是对锈、油污、水分等较敏感，容易产生气孔缺陷；电弧稳定性差，一般只适用于直流电定性差，一般只适用于直流电。多用于焊接多用于焊接重要结构，高压锅炉和容器、压力管道重要结构，高压锅炉和容器、压力管道焊接中常用。焊接中常用。典型牌号为典型牌号为J507（E5015）。）。第8页/共81页4、焊条电弧焊的焊接位置焊条电弧焊的焊接位置 基本焊接位置有平焊、立焊、横焊、仰焊四种基本焊接位置有平焊、立焊、横焊、仰焊四种。见下图。见下图。第9页/共81页管子环焊缝的焊接位置管子环焊缝的焊接位置也有四种基本形式，即也有四种基本形式，即水平转动（水平转动（1G）、垂直固定（）、垂直固定（2G）、水）、水平固定（平固定（5G）、）、45位置（位置（6G）。）。见下图。见下图。管子对缝焊接位置图5、焊条电弧焊焊接规范焊条电弧焊焊接规范焊接规范是影响焊接质量和焊接生产率的各个焊接工艺参数的总称。焊接规范是影响焊接质量和焊接生产率的各个焊接工艺参数的总称。包括焊接电流、电包括焊接电流、电弧电压、焊条种类和直径、焊接速度、焊层数、焊道数弧电压、焊条种类和直径、焊接速度、焊层数、焊道数等。等。第10页/共81页1)焊接电流焊接电流增大电流增大电流，会，会增大增大焊接焊接熔深熔深，提高效率。，提高效率。但但电流过大电流过大，会使焊条芯过热，药皮脱落，会使焊条芯过热，药皮脱落，会造成咬边、烧穿会造成咬边、烧穿等等缺陷。缺陷。但但电流过小电流过小，会造成未焊透、夹渣会造成未焊透、夹渣等缺陷。等缺陷。电流和熔深关系图电流和熔深关系图第11页/共81页2)电弧电压电弧电压电压越高电压越高。熔熔化化宽宽度度越大越大。由电弧长度决定，由电弧长度决定，电弧越长，电压越高电弧越长，电压越高。焊条电弧焊时电压不宜过高。焊条电弧焊时电压不宜过高。第12页/共81页3)焊条直径焊条直径根据焊件厚度来选择，根据焊件厚度来选择，工件越薄所用焊条越细工件越薄所用焊条越细。一般选一般选3.2、4.0、5.0mm。多层焊时第一层应使用直径不超过多层焊时第一层应使用直径不超过3.2mm的焊条。的焊条。d)焊接速度焊接速度通常，焊速不超过通常，焊速不超过10m/h，工件愈薄，焊速应愈大。，工件愈薄，焊速应愈大。e)焊接层数焊接层数中厚度板（中厚度板（625mm）应使用多层焊。）应使用多层焊。根据实践经验，层数大约是焊件厚度与焊条直径之比。根据实践经验，层数大约是焊件厚度与焊条直径之比。第13页/共81页6、焊条编号举例、焊条编号举例a)GB/T5117-2012非合金钢及细晶粒钢焊条非合金钢及细晶粒钢焊条 E 5 0 1 5前两位，表示熔敷金属抗拉前两位，表示熔敷金属抗拉强度的最小值为强度的最小值为490MPa。第三和四位，表示焊接电流第三和四位，表示焊接电流种类和药皮类型，种类和药皮类型，15表示低表示低氢型药皮，直流反氢型药皮，直流反接接第三位，表示焊接位置。第三位，表示焊接位置。0和和1表示全位置焊接；表示全位置焊接；2表示适用于平焊和平角表示适用于平焊和平角焊；焊；4表示适于向下立焊。表示适于向下立焊。E表示焊条表示焊条第14页/共81页b)GB/T5118-2012热强钢焊条热强钢焊条 E 5 0 1 8-A1前两位，表示熔敷金属前两位，表示熔敷金属抗拉强度的最小值为抗拉强度的最小值为490MPa。18表示低氢型药皮，表示低氢型药皮，交流或直流反交流或直流反接接1表示全位置焊接表示全位置焊接E表示焊条表示焊条A1表示熔敷金属化学表示熔敷金属化学成分分类代号成分分类代号第15页/共81页6）焊条编号举例）焊条编号举例a)GB/T983-2012不锈钢焊条不锈钢焊条 E 3 0 8-16308表示熔敷金属表示熔敷金属化学成分分类代号。化学成分分类代号。16表示金红石型药皮，表示金红石型药皮，直流反直流反接接1表示全位置焊接表示全位置焊接E表示焊条表示焊条第16页/共81页（二）、（二）、埋弧焊（埋弧焊（SAW）1)特点特点焊接过程中，主要的焊接操作如引燃及熄灭电弧、送进焊丝、移动工件等工作都焊接过程中，主要的焊接操作如引燃及熄灭电弧、送进焊丝、移动工件等工作都由机械自动完成。由机械自动完成。电弧掩埋在焊剂层下面燃烧，电弧掩埋在焊剂层下面燃烧，弧光不可见弧光不可见。焊接材料通常为焊丝和焊剂焊接材料通常为焊丝和焊剂。埋弧焊原理图2)、埋弧焊与焊条电弧焊相比、埋弧焊与焊条电弧焊相比优点优点如下：如下：采用采用电流大，熔深大电流大，熔深大，生产效率高。，生产效率高。可以实现可以实现高焊速高焊速，高焊速大大，高焊速大大减少热影响区范围减少热影响区范围；热量集中，工件厚度热量集中，工件厚度小时可以不开坡口小时可以不开坡口。弧光不可见，焊接烟雾少，劳动条件改善明显弧光不可见，焊接烟雾少，劳动条件改善明显。实操图第17页/共81页局限性局限性：设备昂贵，弧光不可见，对接头加工与装配要求严格；焊接位置：设备昂贵，弧光不可见，对接头加工与装配要求严格；焊接位置一般处于一般处于平焊平焊位置。位置。常用于焊接长的直线焊缝及大直径（常用于焊接长的直线焊缝及大直径（500mm）圆筒容器环焊缝。）圆筒容器环焊缝。3)埋弧焊用焊丝与焊剂埋弧焊用焊丝与焊剂焊丝焊丝焊丝直径焊丝直径1.65mm。前面加上前面加上“H”。如焊丝牌号。如焊丝牌号H08，H08A，H10Mn2SiA等。等。碳素钢、低合金钢碳素钢、低合金钢，主要是为，主要是为保证力学性能保证力学性能；CrMo钢、不锈钢钢、不锈钢，主要是，主要是保证化学成分与焊件相当保证化学成分与焊件相当；异种钢异种钢一般一般按强度级别较低的钢种选择焊丝按强度级别较低的钢种选择焊丝。焊剂焊剂焊接时形成熔渣和气体，作用如同焊条中的药皮焊接时形成熔渣和气体，作用如同焊条中的药皮。如焊剂如焊剂431，计为，计为HJ431。第一位数字表示氧化锰的平均含量，如第一位数字表示氧化锰的平均含量，如“4”表示含表示含MnO30%。第二位数字表示二氧化硅、氟化钙的平均含量，如第二位数字表示二氧化硅、氟化钙的平均含量，如“3”表示高硅低氟型表示高硅低氟型（SiO230%,CaF210%）。）。末位数字表示同类焊剂的不同序号。末位数字表示同类焊剂的不同序号。第18页/共81页承压设备用焊接材料订货技术条件承压设备用焊接材料订货技术条件第第4部分：埋弧焊钢焊丝和焊剂部分：埋弧焊钢焊丝和焊剂第19页/共81页4）埋弧焊其他概念）埋弧焊其他概念成形系数成形系数：熔宽与熔深之比熔宽与熔深之比。成形系数较小时，焊缝形貌深而窄，杂质不易浮出，易产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷。成形系数较小时，焊缝形貌深而窄，杂质不易浮出，易产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷。一般将成形系数一般将成形系数控制在控制在1.32.0。熔合比熔合比：母材在焊缝中所占的截面百分比母材在焊缝中所占的截面百分比。熔合比影响焊缝化学成分、力学性能和金相组织。熔合比影响焊缝化学成分、力学性能和金相组织。焊条电弧焊熔合比在焊条电弧焊熔合比在10%100%；埋弧焊熔合比在；埋弧焊熔合比在60%70%。焊丝直径及伸出长度：焊丝直径及伸出长度：直径增大直径增大，弧柱直径增大，加热范围增大，弧柱直径增大，加热范围增大，熔宽增大而熔深减小熔宽增大而熔深减小。焊丝伸出长度增大，熔深变小，余高增大焊丝伸出长度增大，熔深变小，余高增大。埋弧焊焊丝伸出长度一般为埋弧焊焊丝伸出长度一般为3040mm。第20页/共81页（三）（三）气体保护焊气体保护焊1）分类）分类根据焊接时电极是否熔化根据焊接时电极是否熔化，分为熔化极气体保护焊（分为熔化极气体保护焊（GMAW）和不熔化极气体保护焊）和不熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊如二氧化碳气体保护焊、熔化极氩弧焊等。熔化极气体保护焊如二氧化碳气体保护焊、熔化极氩弧焊等。不熔化极气体保护焊不熔化极气体保护焊如如钨极氩弧焊钨极氩弧焊（GTAW）、钨极惰性气体保护焊（）、钨极惰性气体保护焊（TIG）等。等。GTAW焊接GMAW设备第21页/共81页2）特点特点明弧明弧焊接，工件焊接，工件变形小变形小，熔池可控熔池可控；用用惰性气体作保护气体惰性气体作保护气体时，时，可焊接各种活泼金属可焊接各种活泼金属或有色金属及其合金；或有色金属及其合金；因因二氧化碳是氧化性气体二氧化碳是氧化性气体，高温下氧化作用剧烈，不能焊接活泼金属，一般，高温下氧化作用剧烈，不能焊接活泼金属，一般用用来焊接碳钢、低合金钢来焊接碳钢、低合金钢；3）钨极氩弧焊（钨极氩弧焊（GTAW）电极只发射电子产生电弧，本身不熔化电极只发射电子产生电弧，本身不熔化，通常采用熔点较高的钍钨极等；，通常采用熔点较高的钍钨极等；为防止钨烧损，一般采用直流正接法为防止钨烧损，一般采用直流正接法；在薄板、管子打底焊中多采用钨极氩弧焊在薄板、管子打底焊中多采用钨极氩弧焊。工件(接正)钨极（接负）第22页/共81页钨极氩弧焊优点钨极氩弧焊优点：适合于各种钢材焊接，明弧，全位置，焊缝成形致密，美观适合于各种钢材焊接，明弧，全位置，焊缝成形致密，美观；缺点是氩气成本高，控制系统复杂，只能焊薄壁工件缺点是氩气成本高，控制系统复杂，只能焊薄壁工件；4）熔化极气体保护焊（熔化极气体保护焊（GMAW）（以二氧化碳气保焊为例）（以二氧化碳气保焊为例）以焊丝作为熔化电极，靠焊丝和工件之间的电弧热熔化焊丝和部分工件实现焊接。以焊丝作为熔化电极，靠焊丝和工件之间的电弧热熔化焊丝和部分工件实现焊接。特点：特点：成本低，接头质量好，生产率高，操作性能好成本低，接头质量好，生产率高，操作性能好等；等；飞溅大飞溅大，焊接，焊接烟雾大烟雾大，弧光强弧光强；二氧化碳为氧化性气体，一般二氧化碳为氧化性气体，一般只用来焊接碳钢、低合金钢只用来焊接碳钢、低合金钢。二保焊原理图第23页/共81页（四）（四）等离子弧焊（等离子弧焊（PAW）为压缩电弧，为压缩电弧，电弧挺直，能量密度大电弧挺直，能量密度大，电弧穿透能力强。，电弧穿透能力强。焊接质量高。焊接质量高。可焊接各种金属可焊接各种金属。焊接设备复杂，焊接参数控制难度较大。焊接设备复杂，焊接参数控制难度较大。第24页/共81页(五五)、电渣焊（电渣焊（ESW）利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热实现焊接。利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热实现焊接。一般于垂直位置焊接。一般于垂直位置焊接。适合大厚度工件，因焊接时热量大，无需开坡口。适合大厚度工件，因焊接时热量大，无需开坡口。因焊接热输入大，高温停留时间长，接头处易产生粗大组织，因焊接热输入大，高温停留时间长，接头处易产生粗大组织，焊后一般进行细化晶粒焊后一般进行细化晶粒处理，如正火处理，如正火等等。电渣焊原理示意图第25页/共81页第26页/共81页二、焊接接头二、焊接接头（一）、焊接接头及坡口形式（一）、焊接接头及坡口形式一般分为对接接头、角接接头、一般分为对接接头、角接接头、T型接头、搭接接头型接头、搭接接头。常见接头形式每种接头形式，又有不同的坡口形式。每种接头形式，又有不同的坡口形式。坡口形式有坡口形式有V型、型、U型型、I型（不开坡口）、型（不开坡口）、X型型（双（双V型）、型）、双双U型型、K型、型、J型等。型等。常见坡口形式第27页/共81页1、接头形式特点接头形式特点对接接头形式最常见，对接接头形式最常见，对接接头处结构基本是连续的，承载后应力分布较对接接头处结构基本是连续的，承载后应力分布较为均匀为均匀。搭接接头焊缝属于角焊缝，接头处结构明显不连续，承载后接头受力复杂，搭接接头焊缝属于角焊缝，接头处结构明显不连续，承载后接头受力复杂，应力集中较对接接头严重得多，承压设备一般不允许采用搭接接头。应力集中较对接接头严重得多，承压设备一般不允许采用搭接接头。角接接头和角接接头和T型接头，在接头处的构件结构是不连续的，应力集中较对接型接头，在接头处的构件结构是不连续的，应力集中较对接接头严重得多，承载后应力分布复杂，但承压设备很多时候避免不了该类接接头严重得多，承载后应力分布复杂，但承压设备很多时候避免不了该类接头，一般来讲承压设备用角接接头和头，一般来讲承压设备用角接接头和T型接头都应该开双面坡口施焊。型接头都应该开双面坡口施焊。第28页/共81页2、坡口形式选择的原则坡口形式选择的原则保证焊透。保证焊透。填充金属尽可能的少。填充金属尽可能的少。方便施焊。方便施焊。尽量减少焊接变形量。尽量减少焊接变形量。以V型坡口为例，a:坡口角度，保证焊透和清渣；b:间隙，保证焊透；p:钝边，防止烧穿和焊瘤；：焊件板厚。超高压、高压锅炉和压力容器环缝焊接中常采用双超高压、高压锅炉和压力容器环缝焊接中常采用双U型坡口型坡口。低压锅炉和容器焊接多采用型和低压锅炉和容器焊接多采用型和X型坡口型坡口。压力管道焊接多采用压力管道焊接多采用V型坡口型坡口。第29页/共81页（二）、焊接接头组成（二）、焊接接头组成接头组成：焊缝、熔合区和热影响区接头组成：焊缝、熔合区和热影响区三部分。三部分。焊缝：构件经焊接后形成的结合部分，通常是由熔化的母材和焊材组成。焊缝：构件经焊接后形成的结合部分，通常是由熔化的母材和焊材组成。熔合区：焊缝焊材金属与母材金属交界的结合区域，又称不完全熔化区。熔合区：焊缝焊材金属与母材金属交界的结合区域，又称不完全熔化区。热影响区热影响区：焊接过程中，：焊接过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域和力学性能变化的区域。该区域的宽度与焊接方法、焊接工艺、焊件厚度等。该区域的宽度与焊接方法、焊接工艺、焊件厚度等有关。有关。与焊条电弧焊相比，埋弧焊采用大的焊接电流，电弧热量集中，熔深大，但焊接热与焊条电弧焊相比，埋弧焊采用大的焊接电流，电弧热量集中，熔深大，但焊接热影响区却比焊条电弧焊小。影响区却比焊条电弧焊小。第30页/共81页（三）焊接接头的组织和性能（三）焊接接头的组织和性能焊接接头中，焊接接头中，焊缝金属焊缝金属是是由液态冷却至常温固态由液态冷却至常温固态的，期间的，期间经历了二次结晶过经历了二次结晶过程程，即从液相转变为固相的，即从液相转变为固相的一次结晶过程一次结晶过程和在固相状态下发生相变的和在固相状态下发生相变的二次结晶二次结晶过程过程。一次结晶由于冷却速度快，焊缝金属元素来不及扩散，会产生化学成分不均的一次结晶由于冷却速度快，焊缝金属元素来不及扩散，会产生化学成分不均的现象，称为偏析。现象，称为偏析。碳钢和低合金钢的二次结晶组织是铁素体加少量珠光体碳钢和低合金钢的二次结晶组织是铁素体加少量珠光体。随冷却速度加快，珠。随冷却速度加快，珠光体含量增多、铁素体含量减少，强度硬度增大，塑性韧性下降。光体含量增多、铁素体含量减少，强度硬度增大，塑性韧性下降。耐热钢（耐热钢（Me5%Me5%）在焊前预热焊后缓冷条件下，二次结晶组织为珠光体和部分淬）在焊前预热焊后缓冷条件下，二次结晶组织为珠光体和部分淬硬组织。硬组织。耐热钢（耐热钢（MeMe：5 59%9%）在焊前预热焊后缓冷条件下，二次结晶组织为贝氏体，也）在焊前预热焊后缓冷条件下，二次结晶组织为贝氏体，也可能会出现马氏体。可能会出现马氏体。耐热钢（耐热钢（MeMe：5 59%9%）在焊前预热焊后缓冷条件下，二次结晶组织为贝氏体，也）在焊前预热焊后缓冷条件下，二次结晶组织为贝氏体，也可能会出现马氏体。可能会出现马氏体。奥氏体不锈钢二次结晶组织为奥氏体加少量铁素体奥氏体不锈钢二次结晶组织为奥氏体加少量铁素体。第31页/共81页由于焊缝金属的化学成分较合理，二次结晶晶粒较细，因此焊缝部位的金由于焊缝金属的化学成分较合理，二次结晶晶粒较细，因此焊缝部位的金属具有较好的力学性能，再加上余高使得焊缝部位受力截面增大，故焊接接属具有较好的力学性能，再加上余高使得焊缝部位受力截面增大，故焊接接头薄弱部位不在焊缝，而在熔合区及热影响区。头薄弱部位不在焊缝，而在熔合区及热影响区。余高并不能增加整个接头的强度余高并不能增加整个接头的强度。余高的存在恰好落在熔合区和热影响区余高的存在恰好落在熔合区和热影响区粗晶区的交界不连续处，从而导致应力集中使接头的疲劳强度下降粗晶区的交界不连续处，从而导致应力集中使接头的疲劳强度下降。1、不易淬火钢（低碳钢和低合金钢）热影响区的组织和性能、不易淬火钢（低碳钢和低合金钢）热影响区的组织和性能第32页/共81页第33页/共81页1）熔合区熔合区：熔合线附近金属到母材基体金属的过渡部分，温度处于固相线与液相线之间，熔合线附近金属到母材基体金属的过渡部分，温度处于固相线与液相线之间，该区金属处于局部熔化状态，晶粒粗大，冷却后的组织和成分不均匀，属于过热该区金属处于局部熔化状态，晶粒粗大，冷却后的组织和成分不均匀，属于过热组织。组织。区域很窄，是裂纹和其他局部脆性破坏的区域很窄，是裂纹和其他局部脆性破坏的“发源地发源地”。2）过热区过热区：位于位于1100以上，晶粒粗大，冷却后可能出现魏氏组织（铁素体呈针状不规则以上，晶粒粗大，冷却后可能出现魏氏组织（铁素体呈针状不规则交叉。交叉。晶粒粗大程度与高温停留时间一般呈正相关。晶粒粗大程度与高温停留时间一般呈正相关。焊接速度越快，过热区越小。焊接速度越快，过热区越小。焊后冷却速度越快，强度硬度越高，塑性韧性越低。焊后冷却速度越快，强度硬度越高，塑性韧性越低。3）正火区正火区：位于位于AC31100 之间。之间。热影响区中综合性能最好的区域。低碳钢加热到这个区域后，铁素体和珠光体热影响区中综合性能最好的区域。低碳钢加热到这个区域后，铁素体和珠光体全部转化为奥氏体，由于温度不高，晶粒未长大，冷却后得到细小的组织。全部转化为奥氏体，由于温度不高，晶粒未长大，冷却后得到细小的组织。又叫细晶区又叫细晶区。第34页/共81页 4）部分相变区部分相变区：位于位于AC1AC3之间。之间。对于低碳钢来说，珠光体和部分铁素体转变为细小奥氏体，另一部分未发生转对于低碳钢来说，珠光体和部分铁素体转变为细小奥氏体，另一部分未发生转变的铁素体，在升温中晶粒变得更加粗大，冷却后既有奥氏体转变成的细小铁素变的铁素体，在升温中晶粒变得更加粗大，冷却后既有奥氏体转变成的细小铁素体和珠光体，也有未发生转变的铁素体，综合性能较差。体和珠光体，也有未发生转变的铁素体，综合性能较差。综上，综上，接头中最薄弱部位位于熔合区和热影响区粗晶区接头中最薄弱部位位于熔合区和热影响区粗晶区，该部位在结构上也常是该部位在结构上也常是不连续的，容易造成应力集中，产生破坏不连续的，容易造成应力集中，产生破坏，所以应给予重点关注。，所以应给予重点关注。第35页/共81页2 2、易淬火钢易淬火钢（含合金较多的高强钢、（含合金较多的高强钢、耐热钢）热影响区的组织与性能耐热钢）热影响区的组织与性能1)1)熔合区熔合区：同不易淬火钢的熔合区。同不易淬火钢的熔合区。2)2)淬火区淬火区（55）：）：相当不易淬火钢的过热区相当不易淬火钢的过热区+正火区。正火区。3 3)部分淬火区部分淬火区（66）：）：加热温度在加热温度在AC1AC1AC3AC3之间。加热时铁之间。加热时铁素体几乎不变，珠光体转变为奥氏体；素体几乎不变，珠光体转变为奥氏体；快冷过程中，奥氏体转变为马氏体或索快冷过程中，奥氏体转变为马氏体或索氏体或珠光体，组织呈现不均匀性。氏体或珠光体，组织呈现不均匀性。4 4)回火区回火区（77）：）：加热温度低于加热温度低于AC1AC1，一般不产生组织，一般不产生组织变化。变化。第36页/共81页三、焊接应力与变形三、焊接应力与变形焊接应力的存在容易诱发裂纹的出现。焊接应力的存在容易诱发裂纹的出现。焊接残余应力会影响设备的使用性能，可能产生疲劳破坏或应力腐蚀破坏。焊接残余应力会影响设备的使用性能，可能产生疲劳破坏或应力腐蚀破坏。（一）焊接应力和变形的概念（一）焊接应力和变形的概念焊接过程中，工件受电弧的不均匀加热而产生的应力与变形是暂时的。焊接过程中，工件受电弧的不均匀加热而产生的应力与变形是暂时的。当工件当工件冷却后，仍然保留在工件上的应力和变形叫焊接残余应力和焊接残余变形冷却后，仍然保留在工件上的应力和变形叫焊接残余应力和焊接残余变形。1 1、焊接应力分类、焊接应力分类按引起原因：热应力和组织应力。按引起原因：热应力和组织应力。按存在时间：瞬时应力和残余应力。按存在时间：瞬时应力和残余应力。按作用方向：轴向应力、环向应力、径向应力。按作用方向：轴向应力、环向应力、径向应力。按空间方向：单向应力、两向应力、三向应力。按空间方向：单向应力、两向应力、三向应力。第37页/共81页2 2、焊接变形分类、焊接变形分类第38页/共81页（二）（二）焊接应力与变形的形成焊接应力与变形的形成1 1、焊件上温度分布的不均匀焊件上温度分布的不均匀由于电弧作用，焊件局部被加热，形成很大温度梯度，温度高的区域要求由于电弧作用，焊件局部被加热，形成很大温度梯度，温度高的区域要求伸长量增大而受到约束形成压应力，温度低的区域则形成拉应力。伸长量增大而受到约束形成压应力，温度低的区域则形成拉应力。焊缝及近缝区在高温时产生塑性变形，冷却时便形成了残余应力。焊缝及近缝区在高温时产生塑性变形，冷却时便形成了残余应力。2 2、熔敷金属的收缩熔敷金属的收缩冷却过程中，熔敷金属要收缩，接头金属以外的区域则限制了它的收缩，冷却过程中，熔敷金属要收缩，接头金属以外的区域则限制了它的收缩，便在焊缝区形成了拉伸应力，临近焊缝的母材区则形成压应力。便在焊缝区形成了拉伸应力，临近焊缝的母材区则形成压应力。3、金相组织的转变金相组织的转变金相组织转变伴随着体积的转变，造成了内应力的不同，便对相邻组织产生应力作金相组织转变伴随着体积的转变，造成了内应力的不同，便对相邻组织产生应力作用。用。4、焊件的刚性拘束焊件的刚性拘束板越厚，变形越小，焊后应力越大板越厚，变形越小，焊后应力越大。板越薄，变形越大，焊后应力越小。板越薄，变形越大，焊后应力越小。第39页/共81页（三）、（三）、焊接应力的控制措施焊接应力的控制措施1、合理的焊接和装配顺序合理的焊接和装配顺序尽量使焊缝横、纵向都能够自由尽量使焊缝横、纵向都能够自由的收缩。的收缩。对称焊。对称焊。长焊缝采用跳焊法或分段退焊法。长焊缝采用跳焊法或分段退焊法。2 2、反变形法反变形法实验或计算确定焊后变形的大小实验或计算确定焊后变形的大小和方向。和方向。焊前讲工件预先斜直或弯曲成等焊前讲工件预先斜直或弯曲成等值反向角度。值反向角度。第40页/共81页3、加热减应区法、加热减应区法焊前选择焊件的合理部位适焊前选择焊件的合理部位适当加热，使得焊后冷却时与焊当加热，使得焊后冷却时与焊缝同时收缩。缝同时收缩。4 4、焊前预热焊前预热目的是减缓焊后冷却速度。目的是减缓焊后冷却速度。预热温度通常为预热温度通常为400400以下。以下。5 5、刚性固定法、刚性固定法采用工装夹具或定位焊固定。采用工装夹具或定位焊固定。可显著减小但不能完全消除焊后残余变形。可显著减小但不能完全消除焊后残余变形。第41页/共81页（四）（四）消除焊接应力的方法消除焊接应力的方法1、焊后热处理（、焊后热处理（PWHT）采取消应力退火的方法将焊件整体或局部加热到采取消应力退火的方法将焊件整体或局部加热到A1线以下，保温至少线以下，保温至少1h以以上再缓慢冷却，以达到消除残余应力目的。上再缓慢冷却，以达到消除残余应力目的。如如Q345R,PWHT温度温度62525，可消残，可消残8090%。金属材料焊后理论最大残余应力为屈服点金属材料焊后理论最大残余应力为屈服点Re。2、机械法机械法锤击法。锤击法。卷板机碾压。卷板机碾压。过载使产生塑变。过载使产生塑变。强度试验能一定程度上消除焊后残余应力。强度试验能一定程度上消除焊后残余应力。3、振动法振动法第42页/共81页（五）焊接变形的矫正五）焊接变形的矫正1、机械矫正（冷加工）、机械矫正（冷加工）利用压力机、矫直机、辊床进行矫正等。利用压力机、矫直机、辊床进行矫正等。薄板波浪变形一般用锤击矫正。薄板波浪变形一般用锤击矫正。2、火焰矫正（热加工）、火焰矫正（热加工）局部加热焊件某些部位，使其受热膨胀，受周围冷态金属制约引起长度方向被局部加热焊件某些部位，使其受热膨胀，受周围冷态金属制约引起长度方向被压缩，冷却时收缩而实现矫正。压缩，冷却时收缩而实现矫正。第43页/共81页四、承压特种设备常用钢材的焊接四、承压特种设备常用钢材的焊接（一）钢材的焊接性（一）钢材的焊接性1 1、焊接性的含义焊接性的含义指指被焊钢材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接规范参数及焊接被焊钢材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接规范参数及焊接结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。1 1）工艺焊接性工艺焊接性；接头出现各种裂纹的可能性，也称抗裂性。；接头出现各种裂纹的可能性，也称抗裂性。2 2）使用焊接性使用焊接性；接头在使用中的可靠性，包括力学性能和化学特性（如；接头在使用中的可靠性，包括力学性能和化学特性（如耐腐蚀性、耐热性）等。耐腐蚀性、耐热性）等。了解及评价材料的焊接性，是构件设计及正确拟定合格焊接工艺的前了解及评价材料的焊接性，是构件设计及正确拟定合格焊接工艺的前提，尤其是对于新材料而言更是如此。提，尤其是对于新材料而言更是如此。第44页/共81页2 2、焊接性的估算焊接性的估算钢材的焊接性主要取决于碳和其他合金元素的含量，即主要取决于钢材钢材的焊接性主要取决于碳和其他合金元素的含量，即主要取决于钢材的化学成分。的化学成分。碳元素含量增大，钢材淬硬倾向增大。碳元素含量增大，钢材淬硬倾向增大。工程上常用工程上常用碳当量碳当量CeqCeq估算钢材焊接性估算钢材焊接性，即以碳的百分含量为基础，将其，即以碳的百分含量为基础，将其他合金元素的含量折合成碳的含量，总和即为钢的碳当量。他合金元素的含量折合成碳的含量，总和即为钢的碳当量。IIWIIW（国际焊接学会）（国际焊接学会）Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)一般经验认为，碳当量一般经验认为，碳当量0.4%,0.6%,0.6%,钢材淬硬倾向明显，钢材可焊性差，需采钢材淬硬倾向明显，钢材可焊性差，需采取较高的预热温度和更严格的工艺措施。取较高的预热温度和更严格的工艺措施。但碳当量计算的缺点是未考虑钢材的含氢量和接头拘束度（板厚、焊后但碳当量计算的缺点是未考虑钢材的含氢量和接头拘束度（板厚、焊后应力条件），因此除碳当量估计之外，还应进行焊接性试验，作为制定焊应力条件），因此除碳当量估计之外，还应进行焊接性试验，作为制定焊接工艺的依据。接工艺的依据。第45页/共81页钢材碳当量与最低预热温度之间的关系钢材碳当量与最低预热温度之间的关系第46页/共81页3 3、焊接性试验、焊接性试验1 1）焊接性试验的主要内容焊接性试验的主要内容焊接接头的抗热裂纹能力。焊接接头的抗热裂纹能力。焊接接头的抗冷裂纹能力。焊接接头的抗冷裂纹能力。焊接接头的抗脆性转变能力。焊接接头的抗脆性转变能力。焊接接头的使用性能能力焊接接头的使用性能能力。2 2）常见）常见刚性固体对接焊抗裂试验。刚性固体对接焊抗裂试验。斜斜Y Y坡口焊接抗裂纹试验（小铁研试验）。坡口焊接抗裂纹试验（小铁研试验）。十字接头裂纹试