1 过程设备焊接基础

11.过程设备用焊接方法与工艺焊接是锅炉和压力容器等过程设备制造中的基本加工方法，对可靠性具有直接影响。有关焊接的理论与知识范围很广，本章重点介绍过程设备制造中主要应用的焊接方法及其相关问题。根据焊接过程的特点，金属的焊接分为熔化焊与加压焊两大类。每一类又包括许多不同的焊接方法。压力容器等过程设备制造中，主要采用熔化焊。特别是手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊等，是目前广泛应用的焊接方法，其基本原理与应用对比如表1—1所示。表1—1过程设备用熔化焊焊接方法基本原理与应用大多数熔化焊都是以电弧为热源进行焊接的。因此电弧和电源的特性是焊接过程稳定进行的关键因素。1.1焊接电弧与焊接电源手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等常用焊接方法，都是以电弧为热源进行焊接的。了解和掌握焊接电弧和电源的特点有助于更好地运用这些焊接方法。1.1.1焊接电弧的温度分布与磁偏吹电弧是各种焊接方法中用来加热金属的热源，焊接电弧是在加有一定电压的电极与工件之间的一种强而有力的气体放电现象。当气体被加热到高温时，产生了大量带电荷的离子和电子，这样便能传导电流，即把电能转化为热能和光能。电极可以是钨极、碳棒或焊条，一般手工电弧焊都使用焊条。电弧引燃后，弧柱中充满了高温电离气体，发出大量的热与光，电弧的热量与焊接电流和电压的乘积成正比。电流越大，电弧产生的总热量就越大。一般说来，电弧热量在阳极产生较多，约占电弧总热量的43%左右；阴极区因放出大量电子而消耗一点的能量，故产生的热量较少，约占36%左右；其余21%左右是在弧柱中产生。但在一般电弧焊接过程中，弧柱的热量不能用于对焊条或工件的直接加热，大部分散失在电弧周围或飞溅的金属滴中。焊条和母材的熔化主要是靠阳极（正极）区或阴极（负极）区所产生的热量，弧柱区的辐射热属次要地位。电弧中阳极和阴极的温度因电极材料（主要是电极熔点）不同而有所不同。用钢焊条焊接钢材时阳极温度约为2600K，电弧中心温度最高可达6000K以上。由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，以及其它一些原因，故用直流电焊机焊接时有两种不同的接法，正接或反接。如图1—1所示，正接是将工件接到正极，焊条（或电极）接到负极，此时对工件加热较多，焊缝熔深大一些；反接是将工件接到负极，焊条（或电极）2接到正极，此时焊条加热较多，熔化速度较快。如果连接时使用的是交流电焊机，因电流每秒钟正负变换达一百次，所以两极加热一样，温度均在2500K左右，不存在正接或反接问题。由于电弧是电离气体构成的软性导体，所以受到外力作用时易发生偏摆。电弧偏离电极轴线的现象称为电弧的偏吹。电弧偏吹常使电弧燃烧不稳定，影响焊缝成型和焊接质量。电弧受侧向气流干扰、焊条药皮厚度不均或局部脱落均会引起电弧偏吹。采用直流电源时，因焊接电流和电压产生的磁场作用引起的电弧偏吹，称为磁偏吹。导线接线位置或电弧附近有铁磁体等都会引起磁偏吹，如图1—2a、b所示。焊接电流越大，磁偏吹越严重。交流焊接时，由于交流电在工件中产生涡流，其磁通与焊接电流的磁通方向相反，二者互相抵消，因而交流焊接时磁偏吹很小。焊接操作时将焊条向图1—2c所示方向倾斜或压低电弧，均可减小偏吹程度。1.1.2焊接电弧的静特性与弧焊电源的外特性（1）电弧静特性在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压的变化关系称为电弧静特性或伏—安特性，表示它们之间关系的曲线为电弧的静特性曲线。如图1—3所示，电弧的静特性呈U形，ab段电流很小，电弧电阻随电流的增加而减小，电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段。焊接方法不同时，其电弧静特性也可能不同。手工电弧焊、钨极氩弧焊和埋弧焊电弧静特性相当于图中的abc段。其中bc段是正常焊接段，电弧电压与焊接电流的大小无关，加大电流只是增加对电极材料的加热和熔化，这时的电弧电压取决于电极材料、弧柱中心气体的成分和电弧长度，在电流变化时电弧电压基本不变，是平特性段。cd是上升特性段，此时维持电弧所需要的电弧电压随焊接电流的增加而增大。熔化极氩弧焊和二氧化碳气体保护焊的电弧特性相当于cd段，属上升静特性。（2）弧焊电源的外特性为电弧提供电能的装置称为弧焊电源。弧焊电源有交流电源、直流电源和脉冲电源三种，而常用的是交流和直流两种。弧焊电源与一般的动力和照明电源有许多不同点。弧焊电源外特性是指在稳定状态下，电源输出电压和电流之间的关系。这种关系用曲线表示通常称之为电源的外特性曲线，如图1—4所示曲线1、2。一般动力、照明电要求电源在负载变化时，输出电压保持不变，因此这类电源的外特性曲线是平的，称之为平特性。这种特性不适应弧焊电源。在焊接过程中，由于熔滴过渡和热惯性以及操作等原因，电弧长度总是在不断的变化，要保证焊接质量稳定，希望焊接过程中电流变动越小越好，因此要求焊接电源有合适的下降外特性。不同的焊接方法使用具有不同外特性曲线的电源。手工电弧焊、手工钨极氩弧焊和埋弧焊的电弧静特性都呈水平直线，其静特性曲线与电源外特性曲线的交点就是电弧燃烧的工作点。从图1—4可以看出，外特性曲线1比曲线2下降更陡。当电弧长度变化时，具有较陡外特性时电流变化△I比较小，有利于保持焊接电弧的稳定燃烧。1.1.3焊接电弧稳定性的影响因素图1—4弧长变化时焊接电流的变化3在实际生产中，有时会存在电弧燃烧不稳定的现象，如电弧时常间断，电弧偏离焊条轴线方向或摇摆不稳等。电弧不稳会影响焊接质量，应尽量避免。除操作技术外，电弧的稳定主要与下列因素有关。①弧焊电源的种类与特性交流电源因电弧有周期性的瞬时熄灭和重新点燃，其电弧稳定性不如直流电源好。供电网路电压波动，特别是电源电压过低时会造成引弧困难或易熄灭。对于平特性的电弧，弧焊电源的外特性必须是陡降的，其电弧才能稳定燃烧。②焊条药皮中的成分药皮中含有K、Na、Ca等易电离元素较多时，电弧的稳定性好，而含有CaF2反电离物质时则稳定性差。另外，若焊条药皮有偏或熔点过高、受潮、变质、开裂等均会影响电弧的稳定性。③焊接环境焊接区不洁，存在油污、氧化物、水分等，或在风速较大的环境下，也会造成电弧不稳。1.2手工电弧焊1.2.1手工电弧焊的应用通常所说的手工电弧焊是指涂药焊条的手工电弧焊。一直是锅炉、压力容器制造中广泛应用的一种焊接方法。它的设备简单、易于维护、使用灵活方便，可以在室内、室外和高空等各种位置施焊。对材料的适用性强，碳钢、低合金钢、耐热钢、低温用钢、不锈钢等都可以采用手工电弧焊。在锅炉和压力容器等设备制造中，手工电弧焊多用于设备内部附件的焊接和支座、接管与开孔补强等部位的焊接。对于单件生产的设备，其它焊缝也采用手工电弧焊。对于某些特殊类型的设备，如绕带容器，或因空间位置焊缝较多，或短焊缝多，也以手工电弧焊为主要焊接方式。有些压力容器的打底焊，亦采用手工电弧焊。1.2.2手工电弧焊的焊缝形成过程手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件和焊条加热熔化而进行焊接的，其焊缝形成过程如图1—5所示。电弧在焊条与被焊工件间燃烧，焊条熔化后形成熔滴，熔滴脱离焊条端向母材运动并和熔化的母材金属混在一起形成液态的“焊接熔池”。熔池处于电弧中心位置，熔池中的金属总是处于过热的液体状态，这与炼钢炉的熔池类似。电弧热还同时使药皮熔化或燃烧，药皮熔化后滴入熔池和液体金属起作用，所形成的熔渣和气体不断地从熔池中向上浮起并逸出。药皮燃烧时，还产生大量二氧化碳气流包围电弧周围。熔渣和气流可以保护熔化金属，以减少空气中氧、氮的有害作用。当电弧向前移动时,工件和焊条金属不断熔化汇成新的熔池。原先的熔池则不断地冷却凝固构成连续的焊缝。焊缝凝固的速度大致相当于电弧向前移动的速度。覆盖在熔池表面的熔渣，也随着逐渐凝固成为固态渣壳，这层熔渣和渣壳对减缓焊缝金属的冷却速度和保证焊缝质量，具有重要作用。1.2.3手工电弧焊焊接工艺广义的焊接工艺是指制造焊接产品所有有关加工方法和实施要求，包括焊前准备、焊接材料选择、焊接方法、焊接规范参数和操作要求等。而手工电弧焊的焊接工艺是指具体的焊接规范参数和焊接技术。（1）焊接规范参数焊接规范是进行焊接时影响焊接质量和生产效率的各个工艺参数的总称。手工电弧焊焊接规范通常是指焊条牌号及直径、电源种类和接法、焊接电流大小、焊接层数和焊接速度等。其中最重要的是焊接电源和焊接速度，因为这两个参数决定了焊接过程的线能量和焊缝金属的性能。①焊条牌号与直径焊条牌号选择可参见第二章。焊条直径与焊件厚度、焊缝位置和焊缝层数等因素有关，但主要根据被焊工件的厚度和位置来选择，直径3—5mm的焊条应用最广。平焊时，应尽可能4选用较粗的焊条以提高生产率。但对多层焊的第一层焊道，应使用较小直径的焊条，以保证根部焊透。以后各层则根据板厚采用φ4—6mm的焊条。小直径管子对接焊缝和薄板焊接一般采用φ2.5—3.2焊条。立焊、仰焊和其它难焊位置时，推荐采用φ3.2—4mm焊条，以防熔化金属流失而形成焊瘤。一般情况下，焊条直径可参考表1—2来选定。②焊接电流一般来说，增大电流，能增加熔深，提高生产效率。但电流过大易造成咬边、烧穿和严重飞溅；电流过小则电弧不稳，焊条易粘住焊件或不易焊透。在平焊时，焊接电流可根据焊条直径由下式决定：I=（30—50）d（A）式中d为焊条直径（mm），30—50为系数，与焊条性质、焊接位置和接头形式有关。如不锈钢焊条电阻较大，易过热发红，应取低系数；丁字和十字接头散热方向多，故电流应比对接接头大；工件厚度大时，电流也应相应增大，而薄件电流应相应减少。若气温低，热量损失大，也须加大电流。表1—3焊接电流与焊条直径的关系焊条直径（mm）2.53.245焊接电流（A）50—80100—130160—210200—270③电弧电压电弧电压由弧长决定。弧长是指从熔化的焊条端部到熔池表面的距离。电弧长时，电压高；电弧短时，电压低。手工电弧焊掌握合适的弧长对焊制优质的焊缝是相当重要的。缩短电弧长度,可提高焊接电流,增加熔敷速度；拉长电弧会减小电弧的挺度,增大电弧热量的散失,加剧熔化金属的飞溅，降低熔敷率，且容易引起咬边,未焊透等缺陷。因此，焊接时,应在保证不短路的情况下，力求采用短弧。通常，弧长应略小于焊条芯直径，在使用低氢型碱性焊条时,应尽量缩短电弧。当电弧发生偏吹时，也可以用压低电弧的办法来减小偏吹。但是,对于某些酸性药皮焊条，焊接时应保持适当的较长的电弧.以使药皮充分燃烧而获得良好的保护.使用低氢型碱性焊条时,电弧电压应控制在20—22V,而使用酸性焊条时.电弧电压的最佳范围是25—28伏④电源极性如图1—1所示，在采用直流焊机时，有正接和反接两种不同接法。正接时工件与焊机正极相连，此时母材熔池温度较高，熔深大，有利于厚板焊接；反接时焊条与焊机正极相连，此时焊条端温度较高，其熔化速度较快，有利于提高焊接速度。使用低氢型焊条时必须采用直流反接，此时焊接电弧稳定，飞溅较少，且有利于焊缝脱氢。在使用酸性焊条焊接厚板时，可采用直流正接；而焊薄件时，由于所需电流小，电弧不稳，故不论采用酸性还是碱性焊条都必须用直流反接。⑤焊接层数在中厚钢板手工电弧焊时，应采用多层焊。对于低碳钢及16Mn等普通低合金钢，焊接层数的多少对接头质量影响不大。但层数过少每层厚度过大时，焊接线能量大，焊缝金属易过热，会使焊缝的塑性和韧性降低，易产生缺陷。一般按下式选取焊接层数n：n=S/d式中：d——焊条直径，毫米。S——工件厚度，毫米。⑥焊接速度焊接速度是指焊条相对于焊件的直线运动速度。合适的焊接速度主要取决于焊条的熔化速度、所要求的焊缝尺寸、接缝的装配质量和焊接位置等。焊接速度对焊缝的外观有直接的影响。焊接速度太快,可能使焊道成形不良,容易引起未焊透和夹渣等缺陷。焊接速度太慢会导致焊瘤、溢流等缺陷的形成。在焊接电流和电压一定时，焊接速度直接影响焊接线能量，从而对焊缝和热影响区的组织与性能造成一定的影响。焊接速度小，线能量大；反之则线能量小。对于线能量大时引起焊接区组织与性能变化的钢种，应注意采用较大的焊接速度。5在实际手工电弧焊中，焊接速度不作具体规定，电焊工视情况自行掌握。表1—4为部分手