壓力容器焊接常識

1、壓力容器焊接常識,焊接的定義 通過適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)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,Contents,,,,2.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(yīng)力與變形,4.焊接材料,1.電弧焊,利用電弧熱加熱并熔化金屬進行

2、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(dǎo)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。,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)

3、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(dǎo)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。,1.2 手工電弧焊,設(shè)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

4、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。,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(xué)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

5、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。,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

6、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。,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

7、。 低碳鋼用H08A，配高錳高硅型焊劑HJ431。,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,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

8、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。,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?/p>

9、手工進行，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。,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

10、加，用于焊接厚度為3mm以上的金屬。,2. 焊接接頭和坡口形式,2.1 壓力容器焊接接頭分類,GB 150-1998,,對接接頭,,搭接和角接接頭,2.1 壓力容器焊接接頭分類,2.2 對接接頭,容易焊透，受力情況好，應(yīng)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(yīng)力小。,較重要的焊接結(jié)構(gòu)可用U形坡口。,2.2 對接接頭,,2.2

11、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(yīng)進行磁粉或滲透檢測，當(dāng)無法進行磁粉或滲透檢測時，應(yīng)由切割工藝保證坡口質(zhì)量。③ 施焊前應(yīng)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(yīng)刷涂料，以防止粘附焊接飛濺。,對坡口的要求：,

12、2.2 對接接頭,對不等厚度接件的組對要求：為減小應(yīng)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(yīng)削薄厚板邊緣。,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。,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(yīng)力分布不均，焊縫根部有較大應(yīng)力集中。,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。,3. 焊接接頭的組織和性能,3.1 焊接熱循環(huán)

13、,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),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(yù)熱） ；采用后熱等措

14、施使冷卻速度改善。,3.1 焊接熱循環(huán),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,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

15、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(guān)。成形系數(shù)小，易形成中心偏析。,3.2 焊縫區(qū),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

16、一，組織不均勻，性能較差。,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。,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(xué)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

17、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,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(dǎo)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。

18、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。,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。,4.1 手工

19、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(xué)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。,⑶ 電焊條的分類① 按用途分,4.1 手工電弧焊用焊接材料,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

20、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?zé)龘p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。,4.1 手工電弧焊用焊接材料,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

21、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(yīng)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,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

22、示方法。 焊條型號依據(jù)焊縫金屬的力學(xué)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。,4. 焊接材料,4.2 埋弧焊用焊絲和焊劑,⑴ 焊絲 焊

23、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(xué)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

24、號。,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(xué)成分方面接近基體；根據(jù)焊接位置及板厚確定藥皮類型。,5. 焊接應(yīng)力與變形,5.1 焊接應(yīng)力和變形的危害,焊接應(yīng)力會增加結(jié)構(gòu)工作時的應(yīng)力，降低承載能力；在存在應(yīng)力腐蝕的場合，還會加劇應(yīng)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(yīng)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，

25、則在加熱過程中產(chǎn)生變形，不產(chǎn)生應(yīng)力；冷卻后，恢復(fù)到原來的形狀和尺寸，沒有殘余變形，也沒有殘余應(yīng)力，如圖a所示。,5.2 焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因,,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(yīng)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(yīng)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(yīng)力，并保存下來，這就是焊接殘余應(yīng)力。,5.2

26、焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因,焊接變形和應(yīng)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(yīng)力較??；如果在焊接過程中，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(yīng)力。,現(xiàn)以鋼板對焊為例說明焊接殘余應(yīng)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(yīng)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

27、因。,5.3 減少和消除焊接應(yīng)力的措施,⑴設(shè)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(yīng)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(yù)熱法；熱處理法；采用小線能量焊接。,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,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。

28、,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,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(dāng)焊接應(yīng)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?。粚?dǎo)致應(yīng)力集中。 為提高疲勞壽命，應(yīng)將焊縫的增強高鏟平。,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

29、。減少工作截面，并造成嚴重應(yīng)力集中。,焊瘤 對靜載強度無影響，會引起應(yīng)力集中，使動載強度降低。,6.1 焊接缺陷,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(yīng)力集中嚴重，降低強度，開裂根源。夾渣 減少工作截面，造成應(yīng)力集中，降低焊縫強度和沖擊韌性。,6.1 焊接缺陷,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

30、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(yīng)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,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(yīng)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。

31、 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,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（水壓與氣壓試驗），以無損檢測為主。,⑴ 外觀檢查 用肉眼或用5～20倍放大鏡觀察。可發(fā)現(xiàn)焊縫表面缺陷，如咬邊、焊瘤、表面裂紋、氣孔、夾渣及焊穿等。 焊縫的外形尺寸可采用焊口檢測器或樣板進

32、行測量。,⑵ 無損檢測 內(nèi)部夾渣、氣孔、裂紋等缺陷用X射線檢測和超聲波檢測磁力等進行檢驗。對于離焊縫表面不深的內(nèi)部缺陷和表面微裂紋，可采用磁力檢測和滲透檢測。,6.2 焊接檢驗,X射線檢測 是利用X射線對焊縫照相，根據(jù)底片影像判斷內(nèi)部缺陷。再根據(jù)技術(shù)要求評定是否合格。,超聲波檢測 是根據(jù)超聲波傳播原理來檢測內(nèi)部缺陷的。再根據(jù)技術(shù)要求評定是否合格。 超聲波探傷比X光照相簡便，廣泛應(yīng)用。但只憑經(jīng)驗判斷，而且不能留下永久的檢驗

33、根據(jù)。,中國石油大學(xué)裝控系,Than，bye-bye,金屬焊接性 Weldability of Metal,1. 金屬焊接性的概念 金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。在一定焊接條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。決定于金屬材料本身性質(zhì)和加工條件。包括二方面的內(nèi)容: 結(jié)合性能：指某種材料在給定的焊接工藝條件下，形成完整而無缺陷的焊接接頭的能力 。使用性能 ：指在給定的焊接工藝條件下，焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足使用要求的能力

34、。,2. 金屬焊接性的間接評價,碳當(dāng)量 把鋼中合金元素（包括碳）的含量按其對焊接性影響程度換算成碳的相當(dāng)含量，其總和叫碳當(dāng)量。 CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (%),經(jīng)驗表明,當(dāng)CE＜0.4％時，焊接性良好，一般不需預(yù)熱； CE=0.4～0.6％時，焊接性較差，一般需要預(yù)熱和采取其它工藝措施； CE＞0.6時，焊接性差，需采取較高的預(yù)熱溫度和其它嚴格的工藝措施。,評價金屬焊接性的二個參數(shù),冷