幻灯片1
焊 接
幻灯片2
焊接概述
焊接在现代工业生产中具有十分重要地作用，在制造大型结构或复杂地机器部件时，更显优越，因为它可以用化大为小，化复杂为简单地方法准备坯料，然后用逐次装配焊接地方法拼小成大，这是其他工艺方法难以做到的。
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幻灯片3
水冷壁焊接
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幻灯片4
汽车制造
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幻灯片5
动车组制造现场
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幻灯片6
造船行业的自动化焊接
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幻灯片7
水下焊接
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幻灯片8
国家体育场鸟巢的焊接结构
幻灯片9
国家体育场鸟巢的焊接结构
l 鸟巢结构用钢总量约53000吨，涉及Q345C、Q345D、Q345GJC、Q345GJD、Q460E、GS-20Mn5V6个钢种。
l 采用的钢板规格厚度大于42mm的占总用钢量的24％，达12800吨，其中110mm厚钢板为国内建筑用钢中首次采用的Q460E。
l 设计要求几乎全部焊缝为全熔透一级焊缝，焊缝的总长超过了31万米。现场焊缝超过6万米（不含角焊缝），100%超声波探伤。
l 据不完全统计，整个“鸟巢”所消耗的焊材2100吨以上
幻灯片10
焊接特点和应用
焊接的主要特点是：
（1）节省材料，减轻质量；
（2）简化复杂零件和大型零件的制造；
（3）适应性好；可实现特殊结构的生产；
（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连
接成型；
（5）降低劳动强度，改善劳动条件。
焊接方法的应用：
（1）制造金属结构件，承压设备；
（2）制造机器零件和工具；
（3）修复。
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幻灯片11
焊接概述
焊接在承压类特种设备制造中也占有重要的地位。焊接质量对承压类特种设备的产品质量和使用安全可靠性有直接影响。许多承压类特种设备事故源于焊接缺陷，因此，对承压类特种设备无损检测人员来说，掌握焊接知识是非常必要的。
总重量达千吨级、壁厚280mm的大型热壁加氢反应器
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幻灯片12
l 承压类特种设备常用焊接方法
l 焊接接头
l 焊接应力与变形
l 承压类特种设备常用钢材的焊接
l 焊接缺陷及其特征
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幻灯片13
焊接定义
1 焊接定义
焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子间结合的一种方法。
（1）熔化焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。
（2）压力焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或加热），以完成焊接的方法称为压焊。
（3）钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。
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幻灯片14
焊接分类
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幻灯片15
2. 熔焊原理及过程
l 熔焊的本质及特点
l 加热 ― 熔化 ― 冶金反应 ― 结晶凝固 ― 固态相变 ― 形成接头
l 熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。
l 熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。
冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。
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幻灯片16
熔化焊的三要素
l 热源
l 能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。
l 熔池的保护
l 可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。
l 填充金属
保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。
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幻灯片17
承压类特种设备常用的焊接方法
l 手工电弧焊（SMAW）
l 埋弧自动焊(SAW)
l 氩弧焊(非熔化极TIG,熔化极MIG)
l 二氧化碳气体保护焊(GMAW)
l 等离子弧焊(PAW)
电渣焊(ESW)
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幻灯片18
手工电弧焊
手工电弧焊是利用焊条与工件之间的电弧热，将焊条和部分工件熔化而形成焊缝的焊接方法
电弧区域热量分布：阳极区 43％，弧柱区21％，阴极区36％
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幻灯片19
手工电弧焊的特点
手工电弧焊具有设备简单，操作灵活，成本低等优点，且焊接性好，对焊接接头的装配尺寸无特殊要求，可在各种条件下进行各种位置的焊接，适于多种钢材和有色金属等是生产中应用最广的焊接方法。
手工电弧焊时有强烈弧光和烟尘污染，焊接质量不够稳定，焊缝短而不连续，焊缝宽度不均，劳动条件差，劳动强度大，生产率低，对工人技术水平要求较高。
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幻灯片20
手工电弧焊设备
一、 焊条电弧焊电源
1.手工电弧焊电源基本要求
手工电弧焊电源应具有适当的空载电压和较高的引弧电压，以利于引弧，保证安全；当电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电弧电压应急剧下降；还应保证焊条与焊件短路时，短路电流不应太大；同时焊接电流应能灵活调节，以适应不同的焊件及焊条的要求。
2.电源的种类
常用的手工弧焊电源根据输出电流类型分为直流电焊机和交流电焊机
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幻灯片21
手工电弧焊
2.电源种类
（1）交流弧焊机
它是一种特殊的降压变压器，具有结构简单、噪声小、成本低，效率高，使用和维护方便等优点，是手工电弧焊中应用最广泛的一种供电设备。但是需注意：交流弧焊机电弧稳定性较差。
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幻灯片22
手工电弧焊
（2）直流弧焊机
1）旋转式直流电焊机：由一台三相感应电动机和一台直流弧焊发电机组成。焊接电流可在较大范围内均匀调节以满足焊接工艺的要求。
2）硅整流式直流电焊机:多采用硅整流元件，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，正逐步代替旋转式直流电焊机
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幻灯片23
手工电弧焊
直流电焊机的特点是直流电弧燃烧稳定，所以用小电流焊接时常选用。在焊接合金钢、不锈钢等材质工件时，也常选用直流电源。
直流电源根据接工件电极的不同，分为正接和反接两种接法。直流正接是指工件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）。直流反接是指工件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金）。
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幻灯片24
三.焊条
1.定义
焊条是涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。
2.焊芯：焊条中被药皮包覆的金属芯
作用（1）作为焊接过程的电极，产生电弧
（2）熔化作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属
3.药皮：压涂在焊芯表面的涂料层
作用：在焊接过程中造气，起保护作用，防止空气进入焊缝；同时具有冶金作用，如脱氧、脱硫、脱磷和渗合金等；并具有稳弧、脱渣等作用，以保证焊条具有良好的工艺性能，形成美观的焊缝。
；
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幻灯片25
手工电弧焊
l 4. 焊条的分类
l (1)焊条按熔渣的化学性质分为两大类
l 酸性焊条 溶渣呈酸性(熔渣碱度<1.5)，药皮中含大量SiO2、TiO2、FeO 、MnO等酸性氧化物。
l 优点：焊条工艺性能良好，成形美观，特别是对锈、油、水分等的敏感度不大，抗气孔能力强。
l 缺点:焊缝金属的力学性能，特别是冲击韧性较低，抗裂性较差。
l 碱性焊条 熔渣呈碱性(熔渣碱度>1.5) ，药皮的主要成分为CaCO3、CaF2、CaSiO3和MgCO3等碱性氧化物。
l 优点：抗裂性能好，特别是冲击韧度较高。承压类特种设备制造中广泛使用碱性焊条
缺点：对锈、油、水分较敏感，容易产生气孔缺陷，电弧稳定性差，脱渣性不好，发尘量大。
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幻灯片26
手工电弧焊
(2)焊条按用途可分为十一大类
碳钢焊条、低合金钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。
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幻灯片27
手工电弧焊
5.焊条型号
由国家标准分别规定各类焊条的型号编制方法。如标准规定碳钢焊条型号为“E××××”，
其中，字母“E”表示焊条；
前二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值；
第三位数字表示焊接位置，“0”及“1”表示焊条适用于全位置（平焊、立焊、横焊、仰焊）焊接，“2”为平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；
第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。
在第四位数字后附加"R"表示耐吸潮焊条；附加"M"表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条；附加"-1"表示冲击性能有特殊规定的焊条。
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幻灯片28
手工电弧焊
l 6.焊条的选用
l （1）按强度等级和化学成分选用
l 焊接一般结构，如低碳钢、低合金钢结构件时，一般选与焊件强度等级相同的焊条，而不考虑化学成分相同或相近。
l 焊接异种结构钢时，按强度等级低的钢种选用焊条。
l 焊接特殊性能钢种，如不锈钢、耐热钢时，应选用与焊件化学成分相同或相近的特种焊条。
l 焊件碳、硫、磷质量分数较大时，应选用碱性焊条。
焊接铸造碳钢或合金钢时，因为碳和合金元素的质量分数较高，而且多数铸件厚度、刚度较大，形状复杂，故一般选用碱性焊条。
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幻灯片29
手工电弧焊
l （2）按焊件的工况条件选用焊条
l 焊接承受动载、交变载荷及冲击载荷的结构件时，应选用碱性焊条。
l 焊接承受静载的结构件时，应选用酸性焊条。
l 焊接表面带有油、锈、污等难以清理的结构件时，应选用酸性焊条。
焊接在特殊条件，如在腐蚀介质、高温等条件下工作的结构件时，应选用特殊用途焊条。
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幻灯片30
手工电弧焊
l （3）按焊件形状、刚度及焊接位置选用焊条
l 厚度、刚度大、形状复杂的结构件，应选用碱性焊条。
l 厚度、刚度不大，形状一般，尤其是均可采用平焊结构件，应选用适当的酸性焊条。
除平焊外，立焊、横焊、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位置焊条。
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幻灯片31
手工电弧焊
四、手工电弧焊焊接工艺规范
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。手工电弧焊时，焊接规范主要包括焊接电流、电弧电压、焊条种类和直径、焊机种类和极性、焊接速度、焊接层数等。
其中焊接电流主要影响焊缝的熔深，电弧电压主要影响焊缝的熔化宽度。
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幻灯片32
埋弧焊
1.定义
埋弧自动焊是利用专门的机械设备自动完成手工电弧焊中的引燃电弧、送进焊条以及移动电弧等焊接动作，并使电弧在较厚焊剂下燃烧的熔化焊。
2.焊接过程
如下图所示，埋弧焊的焊接过程可概括为：自动送丝；引弧；焊剂自动下料；焊机匀速运动；电弧在焊剂下燃烧。
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幻灯片33
埋弧焊
埋弧自动焊接过程（焊缝剖面图）
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幻灯片34
焊丝与焊剂
熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均匀，适于大量生产；
陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。
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幻灯片35
埋弧焊
埋弧自动焊的特点
1、焊接质量高且稳定；
2、熔深大，节省焊接材料；
3、无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少；
4、自动化操作，生产效率高。
5、设备昂贵，工艺复杂，适于长的直线焊缝和圆筒形
工件的纵、环焊缝的批量生产。
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幻灯片36
埋弧焊
埋弧焊的焊前准备
板厚小于14mm时，可不开坡口；
板厚为14～22mm时，应开Y型坡口；
板厚为22～50mm时，可开双Y型或U型坡口。
Y型和双Y型坡口的角度为50°～60°。
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幻灯片37
埋弧焊
焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和熄弧板，以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中
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幻灯片38
埋弧焊
l 平板对接焊
一般采用双面焊，可不留间隙直接进行双面焊接，也可采用打底焊或焊剂垫或垫板。为提高生产率，也可采用水冷铜成型底板进行单面焊双面成型。
l 环焊缝
焊接环焊缝时，焊丝起弧点应与环的中心线偏离一距离e，以防止熔池金属的流淌。一般偏离距离为20~ 40mm，直径小于250mm的环缝一般不采用埋弧自动焊。
l 多丝埋弧焊
同时有两个以上焊丝起焊接，焊接速度高，焊缝成型好。前一电弧保证熔深，后续电弧调节熔宽，使熔池形状及焊缝成型较为合理。
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幻灯片39
埋弧焊
埋弧焊的应用
埋弧焊主要用于压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接，船舶和潜艇壳体的焊接，起重机械（行车）和冶金机械（高炉炉身）的焊接。
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幻灯片40
三、气体保护电弧焊
l 用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。
l （一） 氩弧焊
l 定义：氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊。
l 根据电极是否熔化分为不熔化极氩弧焊（钨极氩弧焊）和熔化极氩弧焊
l 注：氩气
l 氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。
l 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。
l 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。
氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会影响焊缝质量。
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幻灯片41
气体保护电弧焊
钨极氩弧焊
以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长的特点，形成不熔化极氩弧焊。
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幻灯片42
气体保护电弧焊
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幻灯片43
气体保护电弧焊
l 熔化极氩弧焊
l 以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入熔池，所用电流比较大，生产率高。
板厚8mm以上的铝容器。为使电弧稳定，熔化极氩弧焊通常采用直流反接，这对于焊铝工件正好有“阴极破碎”作用。
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幻灯片44
气体保护电弧焊
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幻灯片45
气体保护电弧焊
l 氩弧焊的特点及应用
l 可焊接各种钢材、有色金属和合金，焊接质量优良。
l 可全位置自动焊接。
l 焊接热影响区小，焊件不易变形
l 电弧稳定，焊缝致密，成型美观。
l 氩气贵，设备复杂，焊接成本高。
氩弧焊主要用于易氧化的有色金属和合金钢的焊接,如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。适用于单面焊双面成形，如打底焊和管子焊接；钨极氩弧焊还适用于薄板焊接。
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幻灯片46
(二)CO2气体保护焊
1.定义：利用CO2作为保护气体的气体保护焊，简称CO2焊。
CO2气体
CO2气体密度大，高温体积膨胀大，保护效果好。但CO2在高温下易分解为CO和O，导致合金元素的氧化，熔池金属的飞溅和CO气孔。焊接用CO2纯度要大于99.8%。
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幻灯片47
(二)CO2气体保护焊
CO2气体保护焊示意图
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幻灯片48
气体保护电弧焊
CO2焊时的飞溅
CO2+Fe = FeO+CO↑
FeO进入熔池和熔滴，与熔池和熔滴中的碳反应：
FeO+C = Fe+CO
生成的CO在熔池和熔滴内体积急剧膨胀而爆破，导致飞溅。
防止飞溅的措施
l CO2焊常用H08Mn2SiA焊丝来进行脱氧，合金化。
l 采用短路过渡和细颗粒过渡。
l 为使电弧稳定，飞溅少，CO2焊采用直流反接。
l 采用含硅、锰、钛、铝的焊丝，防止铁的氧化。
l 采用药芯焊丝。
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幻灯片49
气体保护电弧焊
l 2.二氧化碳焊特点
l 焊接成本低。
l 焊接热影响区小，焊件不易变形，焊接质量好。
l 电流密度大，生产效率高；
l 操作性能好，适于全位置焊接
l 采用大电流时，飞溅大，烟雾多。
l CO2焊成本低，生产率高，焊缝质量较好，主要用于低碳钢和低合金结构钢焊接，适用于各种厚度。
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幻灯片50
四、等离子弧焊
1. 定义：借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，利用机械压缩效应（电弧通过喷嘴细小孔道时的被迫收缩）、热压缩效应（在冷气流的强迫冷却下，带电粒子流〈离子和电子〉往弧柱中心集中）和电磁收缩效应（弧柱带电粒子的电流线为平行电流线，相互磁场作用使电流线产生相互吸引而收缩）将电弧压缩为细小的等离子体，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法称为等离子弧焊。
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幻灯片51
等离子弧特点和应用
l 等离子弧能量密度大（105～106W/cm2），弧柱温度高（24000K以上），穿透能力强。10～ 12mm厚钢材可不开坡口，一次焊透双面成型，焊接速度快，生产率高，应力变形小。
l 电流小到0.1A时，电弧仍能稳定燃烧，能保持良好的挺直度与方向性，所以可焊接很薄的箔材。
l 等离子弧焊接在生产中已广泛应用，特别是国防工业及尖端技术所用的铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如钛合金导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封焊以及飞机上一些薄壁容器均可用等离子弧焊接。
但等离子弧焊接设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。
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幻灯片52
等离子弧焊
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幻灯片53
五 、电渣焊
1.定义：利用电流通过熔渣时产生的电阻热加热和熔化焊丝和母材来进行焊接的一种熔化焊方法。分为丝极、板极、熔嘴和熔管电渣焊。
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幻灯片54
五 、电渣焊
l 2.电渣焊特点
l 宜在垂直位置焊接
l 适于大厚度件焊接，生产率高，焊接材料消耗少
l 渣池对被焊件有较好预热作用，不易出现淬硬组织
l 高温停留时间长，组织粗大，焊后必须进行正火和回火热处理
焊缝成形系数调节范围大，有利于防止热裂纹的产生
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幻灯片55
五 、电渣焊
3.应用
电渣焊适用于板厚40mm以上结构的焊接。一般用于直焊缝焊接。目前电渣焊已在我国水轮机、水压机、轧钢机、重型机械、锅炉制造、石油化工等大型设备制造中得到广泛使用。
电渣焊除焊接碳钢、低合金、中合金钢和高合金钢以及铸铁外，也可用来焊接铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金和铜。
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幻灯片56
l 承压类特种设备常用焊接方法
l 焊接接头
l 焊接应力与变形
l 承压类特种设备常用钢材的焊接
l 焊接缺陷及其特征
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幻灯片57
焊接接头
一、焊接接头形式
焊接接头形式一般由被焊接两金属件的相互结构位置来决定，通常分为对接接头、搭接接头、角接接头及T字接头等。这四种接头形式中，对接接头节省材料，容易保证质量，应力分布均匀，应用最为广泛，但焊前准备及装配质量要求较高；搭接接头两焊件不在同一平面上，浪费金属且受力时将产生附加应力，适于薄板焊件焊件；角接接头在构成直角连接时采用，一般只起连接作用而不承受工作载荷；T形接头是结构非直线连接中应用最广泛的连接形式。在结构焊接时具体采用哪种形式焊接接头，主要根据焊件结构形状、使用要求、焊件厚度进行选择；另外还应考虑坡口加工难易程度，焊接方法的种类等其它因素的要求。
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幻灯片58
焊接接头
l 每种接头形式下又有不同的坡口形式。根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽称为坡口。(各种坡口沟槽的形式参见GB／T3375-94《焊接术语》)
l 坡口形式的选择主要考虑以下因素：
l 保证焊透
l 填充于焊缝部位的金属尽量少
l 便于施焊，改善劳动条件，如圆筒件，筒内焊接量应尽量少
l 减少焊接变形量
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幻灯片59
1.对接接头
将两金属件放置于同一平面（或曲面内），使其边缘相对，沿边缘直线（或曲线）进行焊接的接头叫对接接头。
对接接头是最常见，最合理接头形式。承压类特种设备多采用对接接头。
l I形，一般用于薄板
l V形，加工方便，耗焊材，角 变形大，单面施焊
l X形，加工复杂，双面施焊，角变形小，焊材损耗少
l U形，加工复杂，焊材损耗少，角变形较大
l 双U形，加工复杂，焊材损耗少，角变形小
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幻灯片60
1.对接接头
用焊条电弧焊焊接板厚在6mm以下的对接焊缝时，一般可用I型坡口直接焊接，但当焊接厚度大于3mm的构件时，需开坡口；板厚在6mm－26mm时，常开单面坡口；板厚在12mm－60mm时，常开双面坡口。单面坡口的可焊性较好，但焊条消耗量大，且焊后易产生角变形；双面坡口受热均匀，变形较小，焊条消耗量也小，但必须两面施焊，有时受构件结构限制，不易实施。
埋弧焊的接头形式与焊条电弧焊基本相同，但由于埋弧焊选用的电流大、熔深大，所以在板厚小于12mm时可直接采用I形坡口单面施焊，板厚小于24mm时可直接采用I形坡口双面施焊，焊更厚构件时需开坡口。
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幻灯片61
2.搭接接头
两块板料相叠，而在端部或侧面角焊的接头称搭接接头。
搭接接头不需开坡口，装配要求较松，受力情况复杂，接头应力集中严重，承压类特种设备一般不允许用搭接结构。
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幻灯片62
2.搭接接头
大型立式储罐的罐底板等一般采用搭接结构
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幻灯片63
3.角接接头及T字接头
两构件成直角或一定角度，而在其连接边缘焊接的接头称角接接头。
两构件成T字形焊接在一起的接头，叫T字接头。
角接接头和T字接头，常用于特种设备接管、法兰、夹套、管板、管子和凸缘等焊接。
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幻灯片64
二.焊接接头的组成
l 熔焊热源的高温集中熔化焊缝区金属，并向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变化。
l 焊缝区——在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。
l 熔合区——熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区。
热影响区---受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域。
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幻灯片65
焊接接头
二.特点
l 焊接热源特点：
l 加热温度高（热处理加热温度以上100-200℃）
l 加热速度快(是热处理加热速度的几十倍甚至几百倍)
l 高温停留时间短(手工焊停留时间最大20秒,埋弧自动焊时30-100秒)
l 自然冷却（热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温)
局部加热(随热源的移动,局部加热地区的范围也移动)
焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类:淬火钢,不易淬火钢,分别讲述淬火钢和不易淬火钢的组织分布。
1.不易淬火钢:如低碳钢,某些不易淬硬的低合金钢,如16Mn.15MoV.15MnTi等
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幻灯片66
1.不易淬火钢热影响区
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幻灯片67
1.不易淬火钢热影响区
l 焊缝区：结晶从熔池壁向中心推进，形成柱状的铸态组织。与基体金属性能接近，但熔池中心易出现杂质、疏松等。
l 熔合区(不完全熔化区)：未熔化的过热组织和部分熔化的结晶铸态组织。虽然此区只有0.1mm-0.4mm，但它是焊接接头的危险区域之一。
l 过热区（粗晶粒区）：高温影响，晶粒粗大。塑性和韧性下降，显著影响焊件接头性能。
l 正火区（重结晶区）：最高加热温度比Ac3稍高，晶粒重结晶细化，获得正火组织。机械性能改善。
l 部分相变区：最高加热温度比Ac1～Ac3稍高，珠光体和部分铁素体重结晶细化。晶粒大小不均，机械性能稍差。
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幻灯片68
2.易淬火钢热影响区
l 易淬火钢，如高强钢，耐热钢，此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热处理有关焊前热处理.退火,正火,调质(淬火+高回火)
l 熔合区：同不易淬火钢
l （完全）淬火区：加热温度AC3至熔点间，相当于不易淬火钢过热区加正火区，组织从粗大马氏体过渡到细小马氏体
l 不完全淬火区：AC1-AC3，马氏体+铁素体组织
回火区：焊前退火，不发生组织变化；焊前调质处理，获得回火组织
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幻灯片69
焊接接头
一般，低碳钢焊件的热影响区较窄，危害性较小，焊后可直接使用；对于碳素钢和低合金钢焊件，焊后可进行正火处理，细化晶粒，改善机械性能；对于无法进行热处理的焊件，则需正确选择焊接方法和工艺条件，来减小热影响区的范围。
焊接过程中因工艺不当等因素可能会产生气孔（H、N、CO、H2O）、裂纹(热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂、SCC)、未焊透、夹渣、夹杂（O、N、S化物）、未熔合、偏析、显微缺陷（位错、空穴、微裂等）的焊接缺陷，影响焊接接头性能
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幻灯片70
l 承压类特种设备常用焊接方法
l 焊接接头
l 焊接应力与变形
l 承压类特种设备常用钢材的焊接
l 焊接缺陷及其特征
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幻灯片71
焊接变形和焊接应力
焊接应力与变形产生的原因：
焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。
焊接时，焊件各部分冷热不均，受热部位产生拉应力，未受热部位则产生压应力。当应力达到一定程度，焊件出现变形。
对焊焊缝的应力分布
边缘焊的变形
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幻灯片72
焊接变形和焊接应力
平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图
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幻灯片73
焊接变形和焊接应力
焊件焊后的变形形式主要有：
尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。
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幻灯片74
焊接变形和焊接应力
l 焊接变形与应力的危害
l 工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。
l 产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。
l 焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。
残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊接变形和应力是十分必要的。
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幻灯片75
焊接应力的防止
l 采取合理的装配和焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力。而图b因先焊焊缝1导致对焊缝2的拘束度增加，而增大残余应力。
l 焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。
l 采用小能量，多层焊，也可减少焊缝应力。
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幻灯片76
焊接应力的消除
l 热处理法：焊后进行消除应力的退火可消除残余应力。
l 机械法：当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸长，也能减少焊接残余应力。
l 振动法：低频振动消应力
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幻灯片77
焊接变形的防止及消除
l 焊缝对称布置
l 采用反变形方法
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幻灯片78
焊接变形的防止及消除
l 采用对称焊和分段倒退焊
l 采用多层多道焊，能减少焊接变形
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幻灯片79
焊接变形的防止及消除
l 采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。
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幻灯片80
焊接变形的防止及消除
l 严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常
只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。
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幻灯片81
焊接变形的防止及消除
l 火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，一
般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。
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幻灯片82
l 承压类特种设备常用焊接方法
l 焊接接头
l 焊接应力与变形
l 承压类特种设备常用钢材的焊接
l 焊接缺陷及其特征
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幻灯片83
承压类特种设备常用钢材的焊接
一、钢材的焊接性
二、碳素钢的焊接
三、低合金钢的焊接
四、不锈钢的焊接
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幻灯片84
钢材的焊接性
l 焊接性：采用一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即其对焊接加工的适应性。
l 焊接性一般包括两个方面：
1. 工艺焊接性：主要指在给定的焊接工艺条件下，形成完好焊接接头的能力，特别是接头对产生裂纹的敏感性，也称抗裂性；
l 使用焊接性：在给定的焊接工艺条件下，焊接接头在使用条件下安全运行的能力，包括焊接接头的力学性能和其它特殊性能（如耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等）。
焊接性是金属的工艺性能在焊接过程中的反映，了解及评价金属材料的焊接性，是焊接结构设计、确定焊接方法、制定焊接工艺的重要依据。
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幻灯片85
钢材的焊接性
（二）钢的焊接性评定方法
钢是焊接结构中最常用的金属材料，因而评定钢的焊接性显得尤为重要。由于钢的裂纹倾向与其化学成分有密切关系，因此，可以根据钢的化学成分评定其焊接性的好坏。通常将影响最大的碳作为基础元素，把其它合金元素的质量分数对焊接性的影响折合成碳的相当质量分数，碳的质量分数和其它合金元素的相当质量分数之和称为碳当量，它是评定钢的焊接性的一个参考指标。
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幻灯片86
碳当量（Carbon Equivalent)公式
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幻灯片87
钢材的焊接性
1. 式中，各元素的质量分数都取其成分范围的上限。
1. 碳当量越高，裂纹倾向越大，钢的焊接性越差。一般认为，
l Ceq<0.4%时，钢的淬硬和冷裂倾向不大,焊接性良好
l Ceq=0.4%～0.6%时，钢的淬硬和冷裂倾向逐渐增加,焊接性较差,焊接时需要采取一定的预热、缓冷等工艺措施，以防止产生裂纹；
l Ceq>0.6%时，钢的淬硬和冷裂倾向严重，焊接性很差，一般不用于生产焊接结构。
碳当量公式仅用于对材料焊接性的粗略估算，在实际生产中，应通过直接试验（焊接性试验），模拟实际情况下的结构、应力状况和施焊条件，在试件上焊接，观察试件的开裂情况，并配合必要的接头使用性能试验进行评定(焊接工艺评定)。
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幻灯片88
焊接工艺评定
钢材焊接性影响因素很复杂，所以有一系列评定焊接性的试验，如刚性固定对接焊抗裂试验、斜Y型坡口焊接裂纹试验、十字接头裂纹试验等。为了验证焊接工艺性，在焊接试验的基础上需进行焊接工艺评定。
焊接工艺评定的目的（功能）
★验证施焊单位拟定的焊接工艺的正确性，
★评定施焊单位焊制焊接接头的使用性能符合设计要求的
能力。
焊接工艺评定的目的在于评定出合格的工艺，焊接接头的使用性能要符合要求。
幻灯片89
焊接工艺评定程序
幻灯片90
焊接工艺评定的判定规则（替代准则）
l 1、焊接工艺因素
l 重要因素：影响焊接接头抗拉强度和弯曲性能。当变更任何一个重要因素是都需要重新评定焊接工艺。
l 补加因素：影响焊接接头冲击韧性。当变更时，可按增加或变更的补加因素增焊冲击韧性试件进行试验。
次要因素：对要求测定的力学性能无明显影响。当变更时，不需要重新评定焊接工艺，但需重新编制焊接工艺指导书。
幻灯片91
焊接工艺评定的判定规则（替代准则）
2、母材
★同组母材可以替代
★Ⅵ-2适用于Ⅱ-1母材
★同类别中，高组别适用于该组别与低组别组成的异种接头
★不同类别组成的异种接头，即使已分别评定，也需重新评定但类（组）别为Ⅱ或Ⅵ-1、 Ⅵ-2适用于该类别与类别Ⅰ的母材组成的异种接头
幻灯片92
焊接工艺评定的判定规则（替代准则）
l 3、焊缝试件分类及替代
l 板材对接适用于管材对接，反之亦然；
l 管板角接适用于板材角接，反之亦然；
对接适用于角接。
幻灯片93
焊接工艺评定的判定规则（替代准则）
4、焊接方法
5、焊接因素
6、热处理
7、试件厚度
幻灯片94
二、碳素钢的焊接
l Q235、10、15、20等低碳钢是应用最广泛的焊接结构材料，由于其含碳量低于0.25%，塑性很好，淬硬倾向小，不易产生裂纹，所以焊接性最好。焊接时，任何焊接方法和最普通的焊接工艺即可获得优质的焊接接头。但由于施焊条件、结构形式不同，焊接时还需注意以下问题：
l （1）在低温环境下焊接厚度大、刚性大的结构时，应该进行预热，否则容易产生裂纹。
l （2）重要结构焊后要进行去应力退火以消除焊接应力。
低碳钢对焊接方法几乎没有限制，应用最多的是手工电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊和电阻焊。采用电弧焊时，焊接材料的选择参见表。
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幻灯片95
二、碳素钢的焊接
低碳钢焊接材料的选择
|
焊接方法 |
焊接材料 |
应用情况 |
|
手工电弧焊 |
J421、J422、J423等 |
一般结构 |
|
J426、J427、J506、J507等 |
承受动载荷、结构复杂或厚板重要结构 |
|
埋弧焊 |
H08 配HJ430、H08A 配HJ431 |
一般结构 |
|
H08MnA 配HJ431 |
重要结构 |
|
CO2气体保护焊 |
H08Mn2SiA |
一般结构 |
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幻灯片96
中碳钢的焊接
l 含碳量在0.25%～0.60%之间的中碳钢，有一定的淬硬倾向，焊接接头容易产生低塑性的淬硬组织和冷裂纹，焊接性较差。中碳钢的焊接结构多为锻件和铸钢件，或进行补焊。
l 焊接方法：手工电弧焊。
l 焊条选用：抗裂性好的低氢型焊条（如J426、J427、J506、J507等），焊缝有等强度要求时，选择相当强度级别的焊条。对于补焊或不要求等强度的接头，可选择强度级别低、塑性好的焊条，以防止裂纹的产生。
焊接时，应采取焊前预热、焊后缓冷等措施以减小淬硬倾向，减小焊接应力。接头处开坡口进行多层焊，采用细焊条小电流，可以减少母材金属的熔入量,降低裂纹倾向。
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幻灯片97
高碳钢的焊接
高碳钢的含碳量大于0.60%，其焊接特点与中碳钢基本相同，但淬硬和裂纹倾向更大，焊接性更差。一般这类钢不用于制造焊接结构，大多是用手工电弧焊或气焊来补焊修理一些损坏件。焊接时，应注意焊前预热和焊后缓冷。
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幻灯片98
低合金钢的焊接
低合金钢焊接经常出现的问题
（1） 热裂纹 热裂纹指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。其原因在于低合金钢的焊接过程中铜、硼、氮等元素成为形成裂纹的敏感元素。
（2） 冷裂纹 焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。冷裂纹常发生在高强度钢的厚板结构中。其原因是接头的刚度大，造成的局部应力大，或在冷却过程中氢析出后聚集造成局部应力超过了钢的强度极限。
冷裂纹三要素：扩散氢，淬硬组织，拉伸应力
（3） 白点 在焊缝金属拉断面上，出现的如鱼目状的一种白色圆形斑点称为白点。其产生原因是焊接过程中吸收了过量的氢，故又称氢白点。
低合金钢焊接主要根据不同钢号的屈服点等级选择焊接材料，应遵守等强度（某些钢号应考虑成分相同或相近）原则。对于厚度大、刚度大的构件或在低温下焊接时应考虑使用低氢型焊条，焊前进行预热等，严格按照焊接工艺规范施焊。
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幻灯片99
低合金结构钢的焊接
l 低合金结构钢按其屈服强度可以分为九级：300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。
l 强度级别≤400MPa的低合金结构钢，Ceq<0.4%，焊接性良好，其焊接工艺和焊接材料的选择与低碳钢基本相同，一般不需采取特殊的工艺措施。只有焊件较厚、结构刚度较大和环境温度较低时，才进行焊前预热，以免产生裂纹。
强度级别≥450MPa的低合金结构钢，Ceq>0.4%，存在淬硬和冷裂问题，其焊接性与中碳钢相当，焊接时需要采取一些工艺措施，如焊前预热（预热温度150℃左右）可以降低冷却速度，避免出现淬硬组织；适当调节焊接工艺参数，可以控制热影响区的冷却速度，保证焊接接头获得优良性能；焊后热处理能消除残余应力，避免冷裂。
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幻灯片100
低合金结构钢的焊接
低合金结构钢含碳量较低，对硫、磷控制较严，手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊均可用于此类钢的焊接，以手工电弧焊和埋弧焊较常用；选择焊接材料时，通常从等强度原则出发，为了提高抗裂性，尽量选用碱性焊条和碱性焊剂，对于不要求焊缝和母材等强度的焊件，亦可选择强度级别略低的焊接材料，以提高塑性，避免冷裂。
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幻灯片101
不锈钢的焊接
不锈钢中都含有不少于12%的铬，还含有镍、锰、钼等合金元素，以保证其耐热性和耐腐蚀性。按组织状态，不锈钢可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢等，其中以奥氏体不锈钢的焊接性最好，广泛用于石油、化工、动力、航空、医药、仪表等部门的焊接结构中，常见牌号有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9等。
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幻灯片102
不锈钢的焊接
l （一）奥氏体不锈钢的焊接性
奥氏体不锈钢焊接件容易在焊接接头处发生晶间腐蚀，其原因是焊接时，在450～850℃温度范围停留一定时间的接头部位，在晶界处析出高铬碳化物（Cr23C6），引起晶粒表层含铬量降低，形成贫铬区，在腐蚀介质的作用下，晶粒表层的贫铬区受到腐蚀而形成晶间腐蚀。这时被腐蚀的焊接接头表面无明显变化，受力时则会沿晶界断裂，几乎完全失去强度。为防止和减少焊接接头处的晶间腐蚀，应严格控制焊缝金属的含碳量，采用超低碳的焊接材料和母材。采用含有能优先与碳形成稳定化合物的元素如Ti、Nb等，也可防止贫铬现象的产生。
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幻灯片103
不锈钢的焊接
l 奥氏体不锈钢焊接的另一个问题是热裂纹。产生的主要原因是焊缝中的树枝晶方向性强，有利于S、P等元素的低熔点共晶产物的形成和聚集。
l 另外，此类钢的导热系数小（约为低碳钢的1/3），线胀系数大（比低碳钢大50%），所以焊接应力也大。防止的办法是选用含碳量很低的母材和焊接材料，采用含适量Mo、Si等铁素体形成元素的焊接材料，使焊缝形成奥氏体加铁素体的双相组织，减少偏析。
注：马氏体、铁素体不锈钢：冷裂纹，脆化
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幻灯片104
不锈钢的焊接
（二）奥氏体不锈钢的焊接工艺
一般熔焊方法均能用于奥氏体不锈钢的焊接，目前生产上常用的方法是手工电弧焊、氩弧焊和埋弧焊。在焊接工艺上，主要应注意以下问题：
（1）采用小电流、快速焊，可有效地防止晶间腐蚀和热裂纹等缺陷的产生。一般焊接电流应比焊接低碳钢时低20%；
（2）焊接电弧要短，且不作横向摆动，以减少加热范围。避免随处引弧，焊缝尽量一次焊完，以保证耐腐蚀性。
（3）多层焊时，应等前面一层冷至60℃以下，再焊后一层。双面焊时先焊非工作面，后焊与腐蚀介质接触的工作面。
（4）对于晶间腐蚀，在条件许可时，可采用强制冷却。必要时可进行稳定化处理，消除产生晶间腐蚀的可能性。
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幻灯片105
l 承压类特种设备常用焊接方法
l 焊接接头
l 焊接应力与变形
l 承压类特种设备常用钢材的焊接
l 焊接缺陷及其特征
特种设备工程技术中心
幻灯片106
焊接缺陷及其特征
l 一. 焊接缺陷的危害性：
l 焊接缺陷对承压设备安全的影响主要表现在三个方面：
l 由于缺陷的存在，减少了焊缝的承载截面积，削弱了拉伸强度。
l 由于缺陷形成缺口，缺口尖端会发生应力集中和脆化现像，容易产生裂绞并扩展。
缺陷可能穿透筒壁，发生泄漏，影响致密性。
幻灯片107
焊接缺陷及其特征
l 2. 焊接缺陷分类：
l 从宏观上看，可分为裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔、及形状缺陷，又称焊缝金属表面缺陷或叫接头的几何尺寸缺陷，如咬边，焊瘤等。在底片上还常见如机械损伤（磨痕），飞溅、腐蚀麻点等其他非焊接缺陷。
l 从微观上看，可分为晶体空间和间隙原子的点缺陷，位错性的线缺陷，以及晶界的面缺陷。微观缺陷是发展为宏观缺陷的隐患因素。
对于焊缝内部缺陷，如裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和气孔等，可由检测人员采用无损检测手段来检查评定。
幻灯片108
焊接缺陷及其特征
l 在焊接过程中，焊接接头区域产生各种缺陷是不可避免的，但我们应该想方设法将缺陷控制到最低限度。焊接外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷、未焊满等。在此主要介绍内部缺陷。
l 1.裂纹（焊接裂纹）：
l 在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面而产生缝隙，称为焊接裂纹。
l 它具有尖锐的缺口和大的长宽比特征
l 按其方向可分为纵向裂纹、横向裂纹，辐射状（星状）裂纹
l 按发生的部位可分为根部裂纹、弧坑裂纹，熔合区裂纹、焊趾裂纹及热响裂纹。
l 按产生的温度可分为热裂纹（如结晶裂纹、液化裂纹等）、冷裂纹（如氢致裂纹、层状撕裂等）以及再热裂纹。
幻灯片109
焊接缺陷及其特征
幻灯片110
焊接缺陷(裂纹)在底片上形貌
l 裂纹在底片上的形貌：
l 1) 黑细线条，略带曲齿及有波状细纹，两端尖细，黑度逐渐淡漠消失。有时，端头前方有丝状阴影延伸。
l 2) 裂纹呈一条直线细纹，轮廓分明，两端常较尖细；中部稍宽不大含有分枝，边缘没有松状现象。
l 3) 放射性裂纹，黑度较浅。
l 裂纹的检验和定量，单靠射线是不够的，必要时，要用其它检测手段；如在超声波探伤和磁力探伤配合下验证。
幻灯片111
焊接缺陷及其特征
l 2.未 熔 合
l 是指熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分。
l 点焊时母材与母材之间未完全熔化结合的部分。
l 未熔合可分为坡口未熔合、焊道之间未熔合（包括层间未熔合）、焊缝根部未熔合。按其间成分不同，可分为白色未熔合（纯气隙、不含夹渣）、黑色未熔合（含夹渣的）。
1.侧面未熔合 2 层间未融合 3单V坡口根部未融合 4 X坡口根部未融合
幻灯片112
焊接缺陷及其特征
未熔合是一种类似于裂纹的极其危险的缺陷。未熔合本身就是一种虚焊， 在交变载荷工作状态下， 应力集中，极易开裂，是最危险缺陷之一。
l 未熔合在底片上的形貌：
l 根部未熔合的典型影象是一条细直黑线，线的一侧轮廓整齐且黑度较大，为坡口钝边痕迹，另一侧轮廓可能较规则也可能不规则，根部未熔合在底片上的位置应是焊缝根部的投影位置，一般在焊缝中间．因坡口形状或投影角度等原因也可能偏向一边。
坡口未熔合的典型影象是连续或断续的黑线，宽度不一，黑度不均匀，一侧轮廓较齐，黑度较大，另一侧轮廓不规则，黑度较小，在底片上的位置一般在焊缝中心至边缘的1／2处，沿焊缝纵向延伸。
幻灯片113
焊接缺陷及其特征
l 3. 未 焊 透
l 焊接时接头根部未完全熔透的现象，也就是焊件的间隙或钝边未被熔化而留下的间隙，或是母材金属之间没有熔化，焊缝熔敷金属没有进入接头的根部造成的缺陷。
l 未焊透可分为双面焊未焊透和单面焊未焊透两种
l
1. 单V坡口未焊透 2．X坡口未焊透 3．无坡口未焊透
幻灯片114
焊接缺陷及其特征
l 未焊透在底片上的形貌：
l 未焊透在底片上是位于焊缝中间，这种缺陷在底片上所显示形貌是笔直一条黑线，线条连续或断续都有。呈条状或带状，其宽窄取决于对缝间隙的大小，有时对缝很小，在底片呈一条很细黑线，似裂纹，但无尾梢。阴影的黑度均匀，轮廓显明，当有夹渣和气孔伴随时，虽然线条的宽度和黑度在局部有所改变，但其线条本身仍是一条直线。
有时，这条毕直的黑线因焊接、透照因素，也会出现在焊缝的边缘一则。
幻灯片115
焊接缺陷及其特征
l 4.夹 渣
l 夹渣是指焊缝金属中残留有外来固体物质所形成的缺陷，以及焊后残留在焊缝中的金属颗粒。
l 夹渣是焊接过程中比较容易产生的缺陷，通常尤以残留在焊缝金属中的熔剂形成的夹渣最为常见。
l 熔剂夹渣：是指焊条药皮或焊剂不溶物而产生 的夹渣物。
l 金属夹渣：是指焊缝金属中残留的金属颗粒。 如：钨金属。
夹渣在焊缝中的形状有：单个点状夹渣、条状夹渣、链状夹渣和密集夹渣等 。
幻灯片116
焊接缺陷及其特征
l 夹渣在底片上的形貌
l 非金属夹渣在底片上的影象是黑点，黑条或黑块，形状不规则，黑度变化无规律，轮廓不园滑，有的带棱角。
l 非金属夹渣可能发生在焊缝中的任何位置，条状夹渣的延伸方向多与焊缝平行。
钨夹渣在底片上的影象是一个白点，由于钨对射线的吸收系数很大，因此白点的黑度极小（极亮）。
幻灯片117
焊接缺陷及其特征
l 5. 气 孔
l 气孔是指焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出，而残留下来所形成的空穴。
l 气孔可分为条虫状气孔、针孔、柱孔，按分布可分为密集气孔，链孔等。
l 气孔产生部位和形状
气孔分内气孔和外气孔两种：小的很小，在显微镜下才能看到，大的可达φ6mm以上。气孔是由于气体熔解于液态金属内，在冷却中金属熔解度降低，部分气体企图进入大气，但遇到金属结晶的阻力，使它不能顺利的逸出而残留于金属内，形成了内气孔，或逸在表面形成外气孔。
幻灯片118
焊接缺陷及其特征
幻灯片119
