焊接基本知識-2010~9385B

1、焊接基本知識2目 錄n承壓類特種設備常用的焊接方法n焊接接頭n焊接應力與變形n承壓類特種設備常用鋼材的焊接3第一節(jié)第一節(jié) 承壓類特種設備常用的焊接方法承壓類特種設備常用的焊接方法一、焊接的定義與特點一、焊接的定義與特點1 1、定義：、定義：焊接是利用原子之間的焊接是利用原子之間的擴散與結合擴散與結合，使分離的金屬材料牢固地，使分離的金屬材料牢固地連接起來，成為一個連接起來，成為一個整體整體的過程。的過程。GB/T 3375-94GB/T 3375-94焊接術語焊接術語：通過：通過加熱或加壓加熱或加壓，或兩者并用，或兩者并用，并且用或不用并且用或不用填充材料填充材料，使工件達到結合的一種方法。，

2、使工件達到結合的一種方法。 焊接的實質(zhì)是一個條件非常惡劣的熱處理過程。焊接的實質(zhì)是一個條件非常惡劣的熱處理過程。 焊接的應用非常廣泛，天上、地下、水里都有。焊接的應用非常廣泛，天上、地下、水里都有。 焊接工作量占整個壓力容器制造工作的焊接工作量占整個壓力容器制造工作的30%30%。42 2、焊接的優(yōu)點（、焊接的優(yōu)點（6 6點）點） 節(jié)省節(jié)省金屬材料、金屬材料、減輕減輕結構重量，且結構重量，且經(jīng)濟效益好經(jīng)濟效益好。焊接結構比鉚接結構重量可減輕焊接結構比鉚接結構重量可減輕15%-20%15%-20%，比鑄件輕，比鑄件輕30%-40%30%-40%，比鍛件輕比鍛件輕30%30%。 簡化加工與裝配工序

3、，生產(chǎn)周期短，簡化加工與裝配工序，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高。 結構強度高，接頭密封性好結構強度高，接頭密封性好。 為結構設計提供較大的為結構設計提供較大的靈活性靈活性。 用拼焊的方法可以大大突破鑄鍛能力的用拼焊的方法可以大大突破鑄鍛能力的限制限制。焊接工藝過程易實現(xiàn)焊接工藝過程易實現(xiàn)機械化和自動化機械化和自動化。53 3、焊接的局限性、焊接的局限性 用焊接方法加工的結構易產(chǎn)生較大的用焊接方法加工的結構易產(chǎn)生較大的焊接變形和焊接殘余應焊接變形和焊接殘余應力力，從而影響結構的承載能力、加工精度和尺寸穩(wěn)定性，同，從而影響結構的承載能力、加工精度和尺寸穩(wěn)定性，同時在焊縫與焊件交界處還會產(chǎn)生應力

4、集中，對結構的疲勞斷時在焊縫與焊件交界處還會產(chǎn)生應力集中，對結構的疲勞斷裂有較大的影響。裂有較大的影響。 焊接接頭中存在著一定數(shù)量的焊接接頭中存在著一定數(shù)量的缺陷缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣、，如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等。這些缺陷的存在會降低強度，引起應力未焊透、未熔合等。這些缺陷的存在會降低強度，引起應力集中，損壞焊縫致密性，這是造成焊接結構破壞的主要原因集中，損壞焊縫致密性，這是造成焊接結構破壞的主要原因之一。之一。 焊接接頭具有較大的焊接接頭具有較大的性能不均勻性性能不均勻性。由于焊縫的成分及金相。由于焊縫的成分及金相組織與母材不同，接頭各部位經(jīng)歷的熱循環(huán)不同，使接頭不組織與母材不

5、同，接頭各部位經(jīng)歷的熱循環(huán)不同，使接頭不同區(qū)域的性能不同。同區(qū)域的性能不同。焊接生產(chǎn)過程中產(chǎn)生焊接生產(chǎn)過程中產(chǎn)生高溫、強光及一些有毒氣體高溫、強光及一些有毒氣體，對人身體，對人身體有一定有一定損害損害，因此要加強焊接操作人員的勞動保護。，因此要加強焊接操作人員的勞動保護。6二、焊接方法的分類二、焊接方法的分類按工藝特點對焊接進行分類，分為三大類：熔焊、壓焊、釬焊。按工藝特點對焊接進行分類，分為三大類：熔焊、壓焊、釬焊。7對于鍋爐壓力容器行業(yè)，目前主要采用熔化焊。對于鍋爐壓力容器行業(yè)，目前主要采用熔化焊。因為它具有因為它具有強度高、氣密、水密性好，材質(zhì)和板厚選擇強度高、氣密、水密性好，材質(zhì)和板厚

6、選擇范圍大，工藝成熟，可靠性好范圍大，工藝成熟，可靠性好等優(yōu)點。等優(yōu)點。89三、集中常用的焊接方法三、集中常用的焊接方法 手工電弧焊、埋弧自動焊、氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊。手工電弧焊、埋弧自動焊、氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊。u電弧焊即在電極和焊體之間造成電弧，利用電弧產(chǎn)生的熱量，電弧焊即在電極和焊體之間造成電弧，利用電弧產(chǎn)生的熱量，將被焊金屬和焊條金屬熔化，并形成一種永久接頭的過程。將被焊金屬和焊條金屬熔化，并形成一種永久接頭的過程。u電弧的產(chǎn)生：電弧的產(chǎn)生： 是利用具有一定電壓的焊條和被焊工件之間是利用具有一定電壓的焊條和被焊工件之間瞬間接觸瞬間接觸而造而造成成短路短路，在短路時，短路電流

7、集中在兩個電極（焊條和工件），在短路時，短路電流集中在兩個電極（焊條和工件）的的幾個接觸點幾個接觸點上，這幾個接觸點上的上，這幾個接觸點上的電流密度特別高電流密度特別高，瞬時即，瞬時即把接觸點加熱到把接觸點加熱到熔化狀態(tài)熔化狀態(tài)并產(chǎn)生并產(chǎn)生金屬蒸汽金屬蒸汽。 當焊條離開金屬焊件，而保持當焊條離開金屬焊件，而保持較小的距離較小的距離時，在電壓的作時，在電壓的作用下，兩極間用下，兩極間氣體電離氣體電離，保證了電流通過兩極的空間，陰極放，保證了電流通過兩極的空間，陰極放出電子，這些電子、正負離子分別奔向兩極，即產(chǎn)生出電子，這些電子、正負離子分別奔向兩極，即產(chǎn)生焊接電弧。焊接電弧。10（一）幾種焊接方

8、法的對比（一）幾種焊接方法的對比111213（二）關于氬弧焊需要注意的問題：（二）關于氬弧焊需要注意的問題：氬弧焊根據(jù)電極是否熔化分為不熔化極氬弧焊及熔化極氬弧焊。氬弧焊根據(jù)電極是否熔化分為不熔化極氬弧焊及熔化極氬弧焊。不熔化極氬弧焊通常叫鎢極氬弧焊，它以鎢棒作電極，在氬氣保護下，靠不熔化極氬弧焊通常叫鎢極氬弧焊，它以鎢棒作電極，在氬氣保護下，靠鎢極與工件間產(chǎn)生的電弧熱，熔化基本金屬進行焊接。必要時，也可另外填鎢極與工件間產(chǎn)生的電弧熱，熔化基本金屬進行焊接。必要時，也可另外填充焊絲。在焊接過程中，鎢極不發(fā)生明顯的熔化和消耗，只起發(fā)射電子引燃充焊絲。在焊接過程中，鎢極不發(fā)生明顯的熔化和消耗，只起

9、發(fā)射電子引燃電弧及傳導電流的作用。鎢極氬弧焊電弧穩(wěn)定，可使用小電流焊接薄工件，電弧及傳導電流的作用。鎢極氬弧焊電弧穩(wěn)定，可使用小電流焊接薄工件，并可單面焊雙面成型，近年在壓力容器制造和安裝中得到廣泛應用。特別是并可單面焊雙面成型，近年在壓力容器制造和安裝中得到廣泛應用。特別是采用鎢極氬弧焊打底，然后用手工電弧焊或其它焊接方法形成焊縫，可以避采用鎢極氬弧焊打底，然后用手工電弧焊或其它焊接方法形成焊縫，可以避免根部未焊透等缺陷，提高焊接質(zhì)量。免根部未焊透等缺陷，提高焊接質(zhì)量。氬弧焊可用于各種焊接接頭形式，但不同的接頭形式下氬氣的保護效果不氬弧焊可用于各種焊接接頭形式，但不同的接頭形式下氬氣的保護效

10、果不同。對于對接接頭和同。對于對接接頭和T T字接頭，氬氣流具有良好的保護效果。但對于對角接接字接頭，氬氣流具有良好的保護效果。但對于對角接接頭的保護作用較差，空氣容易侵入焊縫區(qū)，所以應預加檔板以提高氬氣流的頭的保護作用較差，空氣容易侵入焊縫區(qū)，所以應預加檔板以提高氬氣流的保護效果。保護效果。氬弧焊的焊接規(guī)范參數(shù)主要有焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲直徑、氬弧焊的焊接規(guī)范參數(shù)主要有焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲直徑、氬氣流量、噴嘴直徑等，這些規(guī)范參數(shù)的大小又因焊接形式的不同而不同。氬氣流量、噴嘴直徑等，這些規(guī)范參數(shù)的大小又因焊接形式的不同而不同。其中氬氣流量是影響焊接質(zhì)量的重要因素，氬氣

11、流量增大，可以增大氣流的其中氬氣流量是影響焊接質(zhì)量的重要因素，氬氣流量增大，可以增大氣流的剛度，提高抗外界干擾的能力，增強保護效果。但是氬氣流量過大時，會產(chǎn)剛度，提高抗外界干擾的能力，增強保護效果。但是氬氣流量過大時，會產(chǎn)生不規(guī)則的紊流，影響電弧穩(wěn)定，并將空氣卷入電弧區(qū)，反而降低焊接質(zhì)量。生不規(guī)則的紊流，影響電弧穩(wěn)定，并將空氣卷入電弧區(qū)，反而降低焊接質(zhì)量。14（三）關于手工電弧焊的幾個問題（設備、焊條、焊接位置及特點）（三）關于手工電弧焊的幾個問題（設備、焊條、焊接位置及特點）1、設備、設備正接：工件接正極、焊條接負極；反接：工件接負極、焊條接正極；在焊接重要結構時，采用低氫型焊條以保證質(zhì)量，

12、這種焊條一般都要求用直流反接電源。 152 2、焊條、焊條涂有藥皮的供手工電弧焊用的熔化電極稱為焊條。焊芯涂有藥皮的供手工電弧焊用的熔化電極稱為焊條。焊芯+ +藥皮藥皮（1 1）焊芯和藥皮）焊芯和藥皮16（2 2）焊條的種類）焊條的種類 根據(jù)用途分：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、不銹鋼焊條、鉻和鉻鉬耐熱鋼焊條、根據(jù)用途分：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、不銹鋼焊條、鉻和鉻鉬耐熱鋼焊條、低溫鋼焊條、堆焊焊條、鋁及鋁合金焊條、鎳及鎳合金焊條、銅及銅合金焊條、低溫鋼焊條、堆焊焊條、鋁及鋁合金焊條、鎳及鎳合金焊條、銅及銅合金焊條、鑄鐵焊條和特殊用途焊條。鑄鐵焊條和特殊用途焊條。 按焊條藥皮熔化后所形成的熔渣的酸堿性

13、不同可分為：酸性焊條和堿性焊條按焊條藥皮熔化后所形成的熔渣的酸堿性不同可分為：酸性焊條和堿性焊條（熔渣堿度小于（熔渣堿度小于1.51.5） 酸性焊條和堿性焊條的對比酸性焊條和堿性焊條的對比17（3 3）手工電弧焊的焊接位置及特點）手工電弧焊的焊接位置及特點熔焊時，焊接接頭所處的空間位置稱為焊接位置。熔焊時，焊接接頭所處的空間位置稱為焊接位置。四種基本的焊接位置：平焊位置、立焊位置、橫焊位置、仰焊四種基本的焊接位置：平焊位置、立焊位置、橫焊位置、仰焊位置。位置。七種焊接位置：平焊位置、立焊位置、橫焊位置、仰焊位置、七種焊接位置：平焊位置、立焊位置、橫焊位置、仰焊位置、平角焊位置、立角焊位置、仰角

14、焊位置。平角焊位置、立角焊位置、仰角焊位置。管子環(huán)焊縫的焊接位置也有四種基本形式：水平轉動、垂直固管子環(huán)焊縫的焊接位置也有四種基本形式：水平轉動、垂直固定、水平固定、定、水平固定、45450 0位置。位置。對于不同的焊接位置，采用的焊接方法，選擇的焊接規(guī)范以及對于不同的焊接位置，采用的焊接方法，選擇的焊接規(guī)范以及焊工的操作手法都有所不同，焊縫外觀成型與內(nèi)部缺陷的發(fā)生焊工的操作手法都有所不同，焊縫外觀成型與內(nèi)部缺陷的發(fā)生也有各自的規(guī)律。也有各自的規(guī)律。1819焊接位置及特點 202122第二節(jié)第二節(jié) 焊接接頭焊接接頭一、焊接接頭形式1、分類焊接接頭形式一般由被焊接兩金屬件的相互結構位置來決定，通

15、常分為：對接接頭搭接接頭角接接頭T字接頭232、焊接坡口形式：是指被焊兩金屬件相連處預先被加工成的結構形式，一般由焊接工藝本身來決定。坡口形式的選擇原則：a.保證焊透。b.填充于焊縫部位的金屬盡量少。c.便于施焊，改善勞動條件。對圓筒形構件，筒內(nèi)焊接量應盡量少。d.減少焊接變形量，對較厚元件焊接應盡量選用沿壁厚對稱的坡口形式。243、四種焊接接頭形式對比25 對接接頭的坡口形式可分為不開坡口、V形坡口、X形坡口、單U形坡口及雙U形坡口等種類。 對手工焊來說，當構件厚度在3mm以下，對埋弧自動焊來說，構件厚度在14mm以下時，都可以不開坡口，直接施焊。 V形坡口加工方便，但對同樣厚度的焊件，采用

16、V形坡口比采用X形坡口多耗費近1倍的焊條或焊絲。另外，由于沿厚度焊縫不對稱，焊后常造成較大角變形。管子對接一般用V形坡口。 X 形坡口加工較V形坡口復雜，需從雙面施焊。由于焊縫對稱，焊后的角變形很小，焊條和焊絲消耗量也少。 U形坡口焊條或焊絲消耗量較V形為少，但在焊后同樣會產(chǎn)生較大角變形；雙U形坡口焊條或焊絲消耗量最少，焊后變形也小。與V形及X形坡口比較，U形及雙U形坡口加工比較復雜，一般在比較重要構件及厚度較大構件中采用。在高壓、超高壓鍋爐和壓力容器環(huán)縫焊接中常用雙U形坡口；低壓鍋爐和容器焊接中，多用V形及X形坡口。2627二、焊接接頭的組成焊接接頭包括：焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)三部分。1）焊

17、縫是焊件經(jīng)焊接后形成的結合部分。通常由熔化的母材和焊材組成，有時全部由熔化的母材組成。2）熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫與母材交接的過渡的區(qū)域。它是剛好加熱到熔點與凝固溫度區(qū)間的部分。3）焊接熱影響區(qū)是焊接過程中，材料因受熱的影響（但未熔化）而發(fā)生金相組織和機械性能變化的區(qū)域。熱影響區(qū)的寬度與焊接方法、線能量、板厚及焊接工藝有關。28三、焊接接頭的組織和性能 焊接接頭中，焊縫金屬是高溫液態(tài)冷卻至常溫固態(tài)的。這期間經(jīng)歷了兩次結晶過程，即從液相轉變?yōu)楣滔嗟囊淮谓Y晶過程和固相狀態(tài)下發(fā)生組織轉變的二次結晶過程。 焊縫金屬的一次結晶過程如下：結晶最先發(fā)生在熔池溫度最低的熔合線部位，隨著熔池溫度的降低，晶體逐漸長

18、大，在長大過程中，由于相鄰晶體的阻礙，晶體只能向熔池中心生長，從而形成柱狀晶，當柱狀晶長大至相互接觸時，一次結晶過程即結束。 一次結晶過程中，由于冷卻速度快，焊縫金屬元素來不及擴散，會產(chǎn)生化學成分分布不均勻現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫偏析，偏析有可能使焊縫力學性能和耐腐蝕性能不均勻，還有可能產(chǎn)生缺陷，例如熱裂紋的產(chǎn)生與偏析有關。 焊縫金屬的二次結晶的組織和性能與焊縫的化學成份、冷卻速度及焊后熱處理有關。29 低碳鋼和低合金鋼在平衡狀態(tài)下的二次結晶組織是鐵素體加少量珠光體，隨著冷卻速度的加快，珠光體含量增多、鐵素體減少、焊縫的強度和硬度有所提高，而塑性、韌性則下降。 含合金元素較少（Cr小于5%）的耐熱鋼，

19、在焊前預熱、焊后緩冷條件下得到珠光體和部分淬硬組織；高溫回火后可得到完全的珠光體組織。 含合金元素較多（Cr5%9%）的耐熱鋼，當焊接材料與母材相近時，在焊前預熱、焊后緩冷條件下，焊縫通常為貝氏體組織，也可能出現(xiàn)馬氏體組織。高溫回火后可得到回火索氏體組織。當采用奧氏體不銹鋼焊接材料的，則焊縫組織主要是奧氏體。 奧氏體不銹鋼的焊縫組織一般為奧氏體加少量鐵素體。 由于焊縫金屬的化學成分較合理，二次結晶的晶粒較細，所以焊縫部位的金屬具有較好的力學性能，加上焊縫余高使焊縫部位的受力截面增大，所以，焊接接頭的薄弱部位不在焊縫，而在熔合區(qū)和熱影響區(qū)。 焊縫余高并不能增加整個焊接接頭的強度，因為余高僅僅使焊

20、縫截面增大而未使熔合區(qū)和熱影響區(qū)截面增大，相反，由于余高的存在恰好在熔合區(qū)和熱影響區(qū)粗晶區(qū)部位造成結構的不連續(xù)，從而導致應力集中，使焊接接頭的疲勞強度下降。302、有關熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織和性能的詳細介紹如下： 焊接過程中，熱影響區(qū)沿寬度各點被加熱的溫度不同，因而焊后組織、性能也不相同。熱影響區(qū)某點被加熱達到的最高溫度，在最高溫度下停留的時間及隨后的冷卻速度，則決定了該點的組織情況。 從熱處理特性看，用于焊接的結構鋼，可分為兩類，一類是在一般焊接條件下淬火傾向較小，如低碳鋼和含合金元素很少的低合金鋼，稱為“不易淬火鋼”。另一類含碳量較高或含合金元素較多，在一般焊接條件下淬火傾向較大，稱為“易

21、淬火鋼”。 不易淬火鋼熱影響區(qū)的組織和性能：1.熔合區(qū)（不完全熔化區(qū)）此區(qū)為熔合線附近焊縫金屬到基本金屬的過渡部分，溫度處于固相線和液相線之間，金屬處于局部熔化狀態(tài)，因此晶粒十分粗大，化學成分及組織都極不均勻，冷卻后的組織屬于過熱組織。對于低碳鋼，固相線和液相線之間溫度區(qū)間很小，而電弧焊時此處溫度梯度很大，所以這段區(qū)域很窄，但對于焊接接頭的強度、塑性都有很大的影響。在很多情況下，熔合區(qū)附近是產(chǎn)生裂紋和局部脆性破壞的發(fā)源地。2.過熱區(qū)（粗晶粒區(qū)）此區(qū)段處于1100度以上，晶粒十分粗大，冷卻后可能出現(xiàn)粗大的魏氏組織，使鋼的塑性和韌性都大大降低。晶粒粗大的程度與在高溫下停留的時間有關，停留時間越長，

22、晶粒越粗大。不同的焊接方法與焊接規(guī)范，焊后過熱區(qū)的寬窄也不同。焊接速度越快，過熱區(qū)越小。過熱區(qū)的力學性能還隨焊后冷卻速度而變化，冷卻速度提高，過熱區(qū)強度、硬度增高，塑性及韌性降低。313.正火區(qū)（重結晶區(qū)）此區(qū)加熱溫度在AC3以上至1100度，低碳鋼加熱至這個溫度區(qū)間，鐵素體和珠光體全部轉變?yōu)閵W氏體，由于溫度不太高，晶粒未長大，冷卻后得到均勻細小的鐵素體加珠光體組織，既有較高強度，又有較好塑性韌性，是焊接接頭中綜合性能最好的部位。此區(qū)相當于熱處理中的正火組織，所以叫正火區(qū)，或叫細晶粒區(qū)。4.部分相變區(qū)此區(qū)加熱溫度范圍在AC1至AC3之間。對20鋼來說，溫度在750900度之間。在此溫度下，珠光

23、體和部分鐵素體轉變?yōu)榫Я＜毿〉膴W氏體，另一部分未轉變的鐵素體，在升溫中晶粒長大，形成比較粗大的鐵素體。冷卻后，既有經(jīng)過重結晶的細晶粒鐵素體加珠光體，又有未發(fā)生相變的粗大晶粒鐵素體，晶粒大小極不均勻，所以力學性能也較差。由以上分析可看到，熱影響區(qū)中組織性能差的是熔合區(qū)和過熱區(qū)，該部位在結構上是不連續(xù)的，容易形成應力集中，因而最易出問題。 323334第三節(jié)第三節(jié) 焊接變形與應力焊接變形與應力消除焊接應力的方法消除焊接應力的方法1 1、熱處理法、熱處理法 （整體熱處理和局部熱處理）一般是將被焊工件加熱到（整體熱處理和局部熱處理）一般是將被焊工件加熱到A1A1線線以下，保溫均溫，再緩慢冷卻，以達到消

24、除殘余應力的消除以下，保溫均溫，再緩慢冷卻，以達到消除殘余應力的消除2 2、機械法、機械法 用機械的方法施加外力使冷卻后的焊縫金屬產(chǎn)生延展，以達到用機械的方法施加外力使冷卻后的焊縫金屬產(chǎn)生延展，以達到消除應力的目的消除應力的目的3 3、振動法、振動法 以低頻振動整個構件以達到消除應力的目的以低頻振動整個構件以達到消除應力的目的35第四節(jié)第四節(jié) 承壓類特種設備常用鋼材的焊接承壓類特種設備常用鋼材的焊接一、鋼材的焊接性一、鋼材的焊接性36二控制焊接質(zhì)量的工藝措施低合金高強度鋼的焊接最重要的原則是：避免淬硬組織和控制冷裂紋采取的措施：合理選用焊接材料，控制焊接工藝控制焊接線能量對防止奧氏體晶粒粗化有重要作用焊接線能量和預熱溫度以及多道焊工藝措施可減少焊接接頭的冷裂傾向，避免硬化組織產(chǎn)生，有利于氫的逸出焊后消氫處理和焊后消除應力熱處理是改善接頭性能的常用方法焊條的烘烤和坡口的清潔可減少氣孔缺陷預