壓力容器焊接常識

焊接的定義通過適當?shù)奈锢砘瘜W過程使兩個分離的固體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合力而接合成一體的連接方法。

分類

化工裝置焊接的構(gòu)件量約占75％左右，且多采用電弧焊。

熔化焊壓力焊釬焊氣焊電弧焊電渣焊等離子焊電弧焊第2頁,共60頁，2024年2月25日，星期天Contents2.焊接接頭和坡口形式3.焊接接頭的組織和性能6.焊接缺陷與焊接質(zhì)量檢驗5.焊接應力與變形4.焊接材料1.電弧焊第3頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

利用電弧熱加熱并熔化金屬進行焊接的方法。

一種持續(xù)強烈的氣體放電現(xiàn)象。在電場作用下，將電弧空間的氣體介質(zhì)電離，帶電質(zhì)點分別向著電場的兩極方向運動，使局部氣體空間導電，而形成電弧。1.電弧焊1.1焊接電弧引燃電?。悍纸佑|引弧和非接觸引弧兩種。第4頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.1焊接電弧接觸引弧瞬時接觸短路使接觸點上電流密度極度增大；氧化皮電阻大產(chǎn)生熱，使金屬熔化蒸發(fā)。焊條提起拉開，空間內(nèi)充滿了金屬蒸氣和空氣，其中某些原子可能已被電離。拉開瞬間，陰極發(fā)射電子。氣體介質(zhì)被撞擊電離，電弧溫度進一步升高，開始引燃。然后維持一定電壓，連續(xù)放電，電弧連續(xù)燃燒。非接觸引弧借助于高頻或高壓脈沖引弧裝置，使陰極表面產(chǎn)生強場發(fā)射，電子流與氣體介質(zhì)撞擊，使其電離導電。陰極區(qū)溫度2400K左右，放熱量38％；陽極區(qū)溫度2600K左右，熱量占42％；弧柱區(qū)中心溫度達5000～8000K，熱量占20％左右。第5頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.2手工電弧焊

設備簡單，操作靈活，對不同位置、不同接頭焊縫均能方便焊接，目前仍廣泛使用。

短路后隨即分開（約2～4mm）引燃電弧。電弧下工件熔化構(gòu)成一個半卵形熔池。藥皮熔化，氣體隔絕空氣，免于氧、氮侵害；溶渣噴向熔池或與焊芯熔滴噴向溶池。第6頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.2手工電弧焊

在電弧及熔池中，液態(tài)金屬、熔渣和電弧氣體間發(fā)生某種物理化學變化，熔池內(nèi)氣體和熔渣上浮。電弧移去，溫度降低，金屬和熔渣凝固，結(jié)晶連接。渣殼脫落露出帶魚鱗紋狀的金屬焊縫。焊機：交流電焊機和直流電焊機。交流電焊機實質(zhì)上是一種特殊的變壓器，將工業(yè)用電的電壓降低。特點是交流電弧在瞬時熄弧、重新引弧和再次穩(wěn)定燃燒時，穩(wěn)定性較差。但因結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、造價低廉和省電等優(yōu)點，所以廣泛采用。第7頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.2手工電弧焊直流電焊機特點該機的優(yōu)點是電弧持續(xù)而穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量容易保證。直流焊機又分為旋轉(zhuǎn)式和硅整流式焊機兩種。旋轉(zhuǎn)式焊機成本高、噪音大、重量大、維護不方便。硅整流式焊機結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)已逐漸替代旋轉(zhuǎn)式焊機。電極的連接焊條接負極、工件接正極時為正接法；反之為反接法。一般堿性低氫型焊條(如J507)，為使電弧穩(wěn)定燃燒，規(guī)定采用直流反接；用酸性焊條(如J422)焊接厚鋼板時，采用正接法，因為陽極的溫度高于陰極，用正接法可得到較大的熔深；焊接薄鋼板及有色金屬宜采用反接法。第8頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.3埋弧自動焊

從引燃電弧、送絲、電弧沿焊接方向移動到焊接收尾等全過程完全由機械完成。

自動焊的焊劑呈粒狀，一般厚度為30～50mm。電弧熱量使焊絲、工件和焊劑溶化，形成金屬熔池，焊劑使它們與空氣隔絕。低碳鋼用H08A，配高錳高硅型焊劑HJ431。第9頁,共60頁，2024年2月25日，星期天主要優(yōu)點：①生產(chǎn)率高用大電流，熔深大，生產(chǎn)率較高。對于20mm以下的對接焊可不開坡口,不留間隙，填充金屬少。②焊縫質(zhì)量高保護完善，雜質(zhì)較少，易獲得穩(wěn)定高質(zhì)量的焊縫。③勞動條件好沒有弧光輻射，勞動條件較好。適于批量大，較厚較長的直線及較大直徑的環(huán)形焊縫的焊接。1.3埋弧自動焊第10頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.3埋弧自動焊不足：①不及手工焊靈活，一般只適合于水平位置或傾斜度不大的焊縫；②工件邊緣準備和裝配質(zhì)量要求較高、費工時；③由于埋弧操作，看不到熔池和焊縫形成過程，必須嚴格控制焊接規(guī)范。第11頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.4氬弧焊

氬氣的散熱能力較低，一旦引燃，能較穩(wěn)定地燃燒；但其電離勢較高，引弧較困難，需借用高頻振蕩器產(chǎn)生高頻高壓電引弧。按所用的電極不同可分為：非熔化極氬弧焊和熔化極氬弧焊兩種。(1)非熔化極氬弧焊（TIG焊）

電極只發(fā)射電子產(chǎn)生電弧，本身不熔化，常用熔點較高的釷/鈰鎢棒作為電極，又叫鎢極氬弧焊?？梢允止みM行，也可以自動進行。

為防止電極熔化和燒損，電流不能過大，常用于焊接4mm以下的薄板，管子對接、管子與管板的連接。第12頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.4氬弧焊(2)熔化極氬弧焊（MIG焊）

焊絲為電極，焊接電流可大大提高，焊接過程可采用自動或半自動方式進行。

焊接成本高。因此常用于易氧化的有色金屬、稀有金屬、高強度合金鋼及一些特殊用途的高合金鋼(不銹鋼、耐熱鋼)的焊接。

金屬熔滴沿焊絲軸向高速噴射入溶池。不短路，電弧燃燒穩(wěn)定，無飛濺，焊縫成形好，熔透深度增加，用于焊接厚度為3mm以上的金屬。第13頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.焊接接頭和坡口形式2.1壓力容器焊接接頭分類GB150-1998第14頁,共60頁，2024年2月25日，星期天適用范圍容器主要受壓部分焊接接頭分類ABCD

設計溫度＞－20℃的鋼制焊接單層容器、多層包扎容器、熱套及鍛焊容器。設計溫度≤－20℃的容器，還應符合GB150-C的規(guī)定。

圓筒部分的縱向接頭（多層包扎容器層板縱向接頭除外）、球形封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭、各類凸形封頭中的所有拼接接頭，以及嵌入式接管與殼體對接連接的接頭。

殼體部分的環(huán)向接頭、錐形封頭小端與接管連接的接頭、長頸法蘭與接管連接的接頭，但已規(guī)定為A、C、D類的接頭除外。

平蓋、管板與圓筒非對接連接的接頭，法蘭與殼體、接管連接的接頭，內(nèi)封頭與圓筒的搭接接頭以及多層包扎容器層板縱向接頭。

接管、人孔、凸緣、補強圈等與殼體連接的接頭，但已規(guī)定為A、B類的接頭除外。對接接頭搭接和角接接頭2.1壓力容器焊接接頭分類第15頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.2對接接頭

容易焊透，受力情況好，應力均勻，連接強度高，焊接接頭質(zhì)量容易保證。坡口的主要作用是保證焊透，分不開坡口、單邊和雙邊V形及U形坡口：X形坡口可減少焊條金屬量50%，且變形及內(nèi)應力小。較重要的焊接結(jié)構(gòu)可用U形坡口。第16頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.2對接接頭第17頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.2對接接頭①表面不得有裂紋、分層、夾雜等缺陷。②標準抗拉強度下限值＞540MPa的鋼材及Cr-Mo低合金鋼材，推薦采用冷加工方法加工坡口。經(jīng)火焰切割的坡口表面，應進行磁粉或滲透檢測，當無法進行磁粉或滲透檢測時，應由切割工藝保證坡口質(zhì)量。③施焊前應清除坡口及母材兩側(cè)表面20mm范圍內(nèi)的氧化物、油污、熔渣及其他有害雜質(zhì)。④奧氏體高合金鋼坡口兩側(cè)各100mm范圍內(nèi)應刷涂料，以防止粘附焊接飛濺。對坡口的要求：第18頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.2對接接頭對不等厚度接件的組對要求：為減小應力集中，厚度≤10mm，兩板厚度差≥3mm；厚度＞10mm，厚度差大于薄板30％或超過5mm時，應削薄厚板邊緣。第19頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.3角接接頭和T型接頭

分不開坡口、單邊和雙邊V形及K形坡口。第20頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.3角接接頭和T型接頭

在外載荷作用下，因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應力分布不均，焊縫根部有較大應力集中。第21頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.4搭接接頭

不需開坡口，均屬角焊縫，分端焊縫和側(cè)焊縫。第22頁,共60頁，2024年2月25日，星期天3.焊接接頭的組織和性能3.1焊接熱循環(huán)

焊接接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。由于焊接熱循環(huán)的作用，各區(qū)中的組織和性能會有很大的差異。

在焊接熱作用下接頭中各點溫度隨時間變化的過程。特點：加熱、冷卻速度快(＞100℃/s)溫度不均勻?qū)附淤|(zhì)量起重要影響的參數(shù)是：

最高加熱溫度過熱溫度(＞1100℃)的停留時間冷卻速度(t8/5)第23頁,共60頁，2024年2月25日，星期天調(diào)節(jié)焊接熱循環(huán)的措施：改變焊接線能量大小，可改變焊接熱循環(huán)的曲線形狀；改善材料焊接前的初始溫度（預熱）；采用后熱等措施使冷卻速度改善。3.1焊接熱循環(huán)第24頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

在焊接接頭橫截面上測得的焊縫金屬的區(qū)域，即焊縫表面和熔合線所包圍的區(qū)域。結(jié)晶過程特點：過熱，冷卻速度快，運動狀態(tài)下結(jié)晶，非均質(zhì)成核。偏析一次結(jié)晶二次結(jié)晶結(jié)晶從熔池底部許多半個晶粒開始垂直底部向中心生長，呈樹狀枝晶。3.2焊縫區(qū)鑄態(tài)組織，粗大柱狀晶第25頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

焊縫區(qū)組織是從液態(tài)結(jié)晶冷凝后形成的鑄態(tài)組織，因此，可能存在著各種鑄造缺陷。但由于冷卻快，且通過滲入某些合金等可以滿足使用要求。

焊縫結(jié)晶過程要產(chǎn)生偏析，宏觀偏析與焊縫成形系數(shù)（即焊道的寬度與厚度之比）有關。成形系數(shù)小，易形成中心偏析。3.2焊縫區(qū)第26頁,共60頁，2024年2月25日，星期天3.3熱影響區(qū)

焊接過程中，受焊接熱循環(huán)的影響，焊縫附近的母材組織或性能發(fā)生變化的區(qū)域為焊接熱影響區(qū)。如圖所示。過熱區(qū)

1100℃～固相線，魏氏組織，為熱影響區(qū)中機械性能最差的部位；正火區(qū)

Ac3～1100℃，正火組織，冷卻后晶粒細小，機械性能較好。部分相變區(qū)Ac1～Ac3之間，晶粒大小不一，組織不均勻，性能較差。第27頁,共60頁，2024年2月25日，星期天3.4熔合區(qū)

焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)，位于熔合線兩側(cè)，也叫半熔化區(qū)，如圖所示。特點：溫度處于固相線和液相線之間；成份不均勻，組織粗大。粗大的過熱組織和粗大的淬硬組織，是焊接接頭中性能最差的。第28頁,共60頁，2024年2月25日，星期天3.5影響焊接接頭性能的因素焊接材料焊條和焊絲等（熔化后形成焊縫金屬組成部分，影響焊縫化學成分）焊接方法不同焊接方法的熱源溫度高低不同、且機械保護也不同。焊接工藝焊接電流、電弧電壓、焊接速度和線能量等的總稱為工藝參數(shù)。工藝參數(shù)→接頭輸入熱量的大小→焊接熱循環(huán)→熱影響區(qū)大小→組織粗細→焊縫性能第29頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4.焊接材料4.1手工電弧焊用焊接材料

電焊條由內(nèi)部鋼芯和外側(cè)藥皮組成。⑴鋼芯主要作用導電，并在焊條端部形成具有一定成分的熔敷金屬。要求焊芯盡量減少有害元素的含量，限制S、P，有些焊條要求焊芯控制As(砷)、Sb(銻)、Sn(錫)等元素。⑵藥皮又稱涂料，保證熔敷金屬具有一定的成分和優(yōu)良的性能。藥皮一般由穩(wěn)弧劑、造渣劑、脫氧劑、造氣劑、合金劑、增塑潤滑劑和粘接劑等組成。第30頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4.1手工電弧焊用焊接材料藥皮中各種組分的作用：①穩(wěn)弧劑凡易電離的物質(zhì)均能穩(wěn)弧。常用堿金屬及堿土金屬化合物，如碳酸鉀、碳酸鈉、大理石等。②造渣劑形成溶渣，覆蓋熔化金屬表面，保護熔池及改善焊縫成形。③脫氧劑

降低含氧量，提高機械性能。主要脫氧劑有錳鐵、硅鐵、鈦鐵。④造氣劑

高溫下能分解出氣體，保護電弧及熔池，防止空氣中氧和氮侵入。第31頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4.1手工電弧焊用焊接材料藥皮中各種組分的作用：⑤合金劑補償合金元素的燒損及向焊縫過渡合金元素，以保證焊縫的化學成分及性能等。⑥增塑潤滑劑增加藥皮粉料在焊條壓涂過程的塑性、滑性及流動性，以提高焊條的壓涂質(zhì)量，減小偏心度。⑦粘接劑使藥皮粉料在壓涂過程中有一定粘性，與焊芯牢固粘接，并使之在烘干后具有一定的強度。第32頁,共60頁，2024年2月25日，星期天⑶電焊條的分類①按用途分4.1手工電弧焊用焊接材料第33頁,共60頁，2024年2月25日，星期天②按熔渣的堿度分4.1手工電弧焊用焊接材料

按熔渣的堿度可分為酸性焊條和堿性焊條。酸性焊條

焊接工藝性好，成形整潔,去渣容易，不易產(chǎn)生氣孔和夾渣。但藥皮氧化性強使合金元素燒損大，機械性能（沖擊韌性）比較低。酸性焊條一般均可用交直流電源。典型的酸性焊條是J422。堿性焊條焊接的焊縫機械性能良好，特別是沖擊韌性比較高，主要用于重要結(jié)構(gòu)的焊接。典型的堿性焊條有J507等。第34頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4.1手工電弧焊用焊接材料第35頁,共60頁，2024年2月25日，星期天⑷電焊條牌號與型號①焊條牌號是焊條產(chǎn)品的具體名稱，主要根據(jù)用途及性能特點命名。每種產(chǎn)品只有一個牌號，但多種牌號可同時對應于一種型號。焊條牌號通常以一個漢語拼音字母（或漢字）與三位數(shù)字表示。例如：J422中“J”表示結(jié)構(gòu)鋼焊條，第1、2位數(shù)字“42”表示焊縫金屬的抗拉強度等級（用MPa值的1/10表示），末位數(shù)字“2”表示藥皮類型及焊接電源的種類。4.1手工電弧焊用焊接材料第36頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4.1手工電弧焊用焊接材料②焊條型號是以焊條國家標準為依據(jù)、反映焊條主要特性的一種表示方法。焊條型號依據(jù)焊縫金屬的力學性能、藥皮類型、焊接位置和焊接電流種類分劃。E4315中“E”表示焊條；前兩位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強度的最小值，單位為MPa值的1/10；第3位數(shù)字表示焊條焊接位置，“0”及“1”表示用于全位置焊接（平、立、仰、橫），“2”表示適用于平焊及平角焊，“4”適用于向下立焊；第3和第4位數(shù)字組合時表示焊接電流種類及藥皮類型。第37頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4.焊接材料4.2埋弧焊用焊絲和焊劑⑴焊絲焊絲牌號與優(yōu)質(zhì)碳素鋼鋼號的表示方法類似，前面加上“H”。強度鋼用焊絲牌號，如H08、H08A、H10Mn2。若牌號最后帶有A字，表示S、P含量較少的優(yōu)質(zhì)焊絲。⑵焊劑國產(chǎn)焊劑依據(jù)化學成分分類，在牌號前面加HJ，如HJ431。第1位數(shù)字表示氧化錳的平均含量，如“４”表示含MnO＞30％；第2位數(shù)字表示二氧化硅、氟化鈣的平均含量，如“３”表示高硅低氟型（SiO2＞30%,CaF2＜10%）；末位數(shù)字表示同類焊劑的不同序號。第38頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4.焊接材料4.3焊條、焊絲及焊劑的選用焊縫機械性能與基體金屬一致；化學成分方面接近基體；根據(jù)焊接位置及板厚確定藥皮類型。第39頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5.焊接應力與變形5.1焊接應力和變形的危害

焊接應力會增加結(jié)構(gòu)工作時的應力，降低承載能力；在存在應力腐蝕的場合，還會加劇應力腐蝕開裂。焊接變形影響組裝質(zhì)量，矯正變形會增加成本，還要降低塑性。5.2焊接應力和變形產(chǎn)生的原因

金屬材料如果整體均勻加熱和冷卻，能完全自由膨脹和收縮，則在加熱過程中產(chǎn)生變形，不產(chǎn)生應力；冷卻后，恢復到原來的形狀和尺寸，沒有殘余變形，也沒有殘余應力，如圖a所示。第40頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5.2焊接應力和變形產(chǎn)生的原因第41頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

如果在加熱和冷卻過程中，完全不能膨脹和收縮，這時有焊接殘余應力而沒有殘余變形。由于焊接是局部加熱，在加熱和冷卻過程中，有一定的剛性約束，如圖b所示，加熱時金屬受壓應力，產(chǎn)生塑性壓縮變形；在冷卻過程中，由于金屬不能完全自由收縮，而受到拉應力，并保存下來，這就是焊接殘余應力。5.2焊接應力和變形產(chǎn)生的原因

焊接變形和應力在一個焊接結(jié)構(gòu)中是焊縫局部收縮的兩種表現(xiàn)。如果在焊接過程中，工件能夠自由收縮，則焊后工件變形較大，而焊接殘余應力較?。蝗绻诤附舆^程中，由于外力限制或工件自身剛性較大而不能自由收縮，則焊后工件變形較小，但內(nèi)部卻存在著較大的殘余應力。第42頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

現(xiàn)以鋼板對焊為例說明焊接殘余應力的產(chǎn)生過程，如圖所示。(a)為加熱時，(b)為冷卻時的情況。5.2焊接應力和變形產(chǎn)生的原因

以下列出了常見焊接變形種類及其產(chǎn)生的原因。第43頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5.3減少和消除焊接應力的措施⑴設計措施盡量減少焊縫數(shù)量及尺寸；避免焊縫過分集中與交叉；采用剛性較小的接頭形式；在拉應力區(qū)域，避免幾何不連續(xù)性。⑵工藝措施合理選擇焊接順序和方向(先橫后縱)；錘擊焊縫法；預熱法；熱處理法；采用小線能量焊接。第45頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5.4控制和矯正焊接變形的措施焊前組裝時采用反變形法；⑴控制措施第46頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5.4控制和矯正焊接變形的措施剛性固定法；采用能量集中的焊接方法；選擇合理的裝配焊接順序。第47頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5.4控制和矯正焊接變形的措施機械矯正法；火焰矯正法。⑵矯正第48頁,共60頁，2024年2月25日，星期天6.焊接缺陷與焊接質(zhì)量檢驗6.1焊接缺陷⑴局部變形與裂紋當焊接應力超過屈服極限時會產(chǎn)生焊接變形；超過強度極限會出現(xiàn)裂紋。⑵焊縫外部缺陷焊縫增強過高

坡口角度太小或焊接電流過小；導致應力集中。為提高疲勞壽命，應將焊縫的增強高鏟平。第49頁,共60頁，2024年2月25日，星期天焊縫過凹焊縫工作截面減小，使接頭處強度降低。咬邊

工件上沿焊縫邊緣形成凹陷。減少工作截面，并造成嚴重應力集中。焊瘤

對靜載強度無影響，會引起應力集中，使動載強度降低。6.1焊接缺陷第50頁,共60頁，2024年2月25日，星期天燒穿

部分熔化金屬從焊縫反面漏出，甚至燒穿成洞，使接頭強度下降。⑶焊縫內(nèi)部缺陷未焊透應力集中嚴重，降低強度，開裂根源。夾渣

減少工作截面，造成應力集中，降低焊縫強度和沖擊韌性。6.1焊接缺陷第51頁,共60頁，2024年2月25日，星期天氣孔減少有效工作截面，降低機械強度。裂紋按發(fā)生的時間，焊接裂紋分熱裂紋和冷裂紋兩種。熱裂紋是由液態(tài)到固態(tài)結(jié)晶過程中產(chǎn)生的。焊縫中存在低熔點物質(zhì)（如FeS），受到較大的焊接應力時，易在晶粒之間引起破裂。焊件及焊條內(nèi)含S、Cu等雜質(zhì)多時，易產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋具有沿晶界分布的特征。6.1焊接缺陷第52頁,共60頁，2024年2月25日，星期天冷裂紋是在冷卻過程中產(chǎn)生的。由于熱影響區(qū)或焊縫內(nèi)形成了淬火組織，在高應力作用下，引起晶粒內(nèi)部的破裂，焊接含碳量較高或合金元素較多的易淬火鋼材時，最易產(chǎn)生冷裂紋。焊縫中熔入過多的氫，也會引起冷裂紋。此外，還有再熱裂紋等。裂紋是最危險的一種缺陷，一般不允許存在，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，必須鏟去重焊。6.1焊接缺陷第53頁,共60頁，2024年2月25日，星期天6.2焊接檢驗

焊接檢驗包括：外觀檢查、無損檢測和機械性能試驗（水壓與氣壓試