压力容器焊接、热处理、无损检测

压力容器焊接、热处理、无损检测武汉工程大学2一、焊接1.1压力容器焊接的基本概念焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。1.1.1焊缝形式与焊接接头焊接接头—压力容器的组成部分，焊接接头+母材构成压力容器焊缝以及其周围受不同程度加热和冷却的母材是焊缝的热影响区，总称为焊接接头。焊缝形式5种（见表16.1.1），焊接接头形式12种（见表16.1.1）3在熔化焊范围内，焊缝形式分为5种：对接焊缝角接焊缝端接焊缝塞焊缝槽焊缝焊接接头分12种对接接头：两构件表面构成的角度大于135小于180度。角接接头：两件表面构成大于30度小于135度的角度。端接接头：两件重叠放置或两件端部的夹角小于30。T型接头：4十字接头：三件装配成十字形的接头。搭接接头：两件部分重叠的接头塞焊搭接接头：槽焊接头：套管接头：斜对接接头：焊缝在焊接平面倾斜布置的接头。卷边接头：焊接件预先卷边，卷边部分熔合的接头。锁底接头：一个件的端部放在另一件预留底边上构成的接头5同一种焊缝形式可以连接成多个接头形式，对接接头不一定用对接焊缝连接，对接焊缝不一定形成对接接头的。如下图：对接焊缝形成T形接头角焊缝形成对接接头对接焊缝形成十字形接头6可连接角接接头的焊缝不一定是角焊缝。对接焊缝，角接头角焊缝，套管接头1.1.2焊缝区、熔合区和热影响区焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区三部分组成。热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区等。焊缝由熔化的焊接材料和母材组成7热影响区是在焊接过程中由于受到焊接热循环的作用而发生组织和性能变化的母材部分热影响区是焊接接头各区中的最薄弱环节，也是焊接接头性能检测的重点1.1.3焊接性能、焊接工艺评定和焊接工艺规程焊接性能是焊接工艺评定的基础焊接工艺评定是焊接工艺规程的依据焊接工艺规程压是保证力容器焊接质量的准则热影响区焊缝熔合区81.焊接性能焊接性能焊接性能—金属材料在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。体现了对焊接加工的适应性和使用可靠性。影响焊接性能的因素：材料、焊接方法、结构类型和使用要求碳当量公式：0.4%0.40.6%0.6%eqeqeqCCC焊接性好焊接性差焊接性差9低碳钢的含碳量小于0.25%，碳当量数值小于0.40%，这类钢的焊接性良好。高碳钢碳当量数值在0.60%以上,淬硬倾向大,易出现各种裂纹和气孔,焊接性差。奥氏体型不锈钢如0Cr18Ni9，C含量低，焊接性良好，焊接时一般不需要采取工艺措施。铁素体型不锈钢如1Cr17等，焊接时热影响区中的铁素体晶粒易过热粗化，使焊接接头的塑、韧性急剧下降甚至开裂。因此，焊前预热温度应在150℃以下，并采用小电流、快速焊等工艺，以降低晶粒粗大倾向。马氏体型不锈钢焊接时，因空冷条件下焊缝就可转变为马氏体组织，所以焊后淬倾向大，易出现冷裂纹。如果碳含量较高，淬硬倾向和冷裂纹现象更严重。因此，焊前预热温度200℃～400℃，焊后要进行热处理。102.焊接工艺与焊接工艺评定焊接工艺—制造焊件所有相关的加工方法和实施要求，包括焊接准备、材料选用、焊接方法选定、焊接参数、操作要求等。具体形式有三类。焊接工艺规程；分通用与专用；如JB/T4709。焊接工艺守则：针对某种焊接方法或者操作环节的准则。如手工电弧焊守则、焊接材料管理守则等。往往是企业自己制定的。焊接工艺细则卡：简称焊接工艺卡。主要内容有：产品名称与材料、焊接方法与设备、焊接材料、焊接节点图、焊接工艺参数、焊前预热与后热及焊后热处理、焊接检验等。11焊接工艺评定—为验证所拟定的焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价。焊接工艺评定只验证而不产生焊接工艺。焊接工艺评定是通过焊接试件，进行验证性试验，故只对焊接接头有效。焊接工艺评定规则只对相关标准规定的检验负责，当增加焊接工艺评定试件项目时，原标准规定的焊接工艺评定规则对新增加的检验项目便不再适用。123.焊接工艺规程焊接工艺规程—制造焊接件所有相关的加工和实践要求的细则文件，以保证由合格焊工或操作工操作时的质量再现。通用焊接工艺规程（如JB/T4709钢制压力容器焊接工艺规程）专用焊接工艺规程（如12CrMoV钢手工电弧焊工艺规程）131.2压力容器常用焊接方法1.2.1焊条电弧焊（手工电弧焊）以涂料焊条和工件之间的电弧加热金属，从而达到结合的一种弧焊方法。焊条电弧焊应用广泛、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主要用于■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■单件生产的设备的其他焊缝14■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，也予采用■有些压力容器的打底焊1.2.2埋弧焊埋弧焊—以金属裸电极与工件之间形成的电弧加热金属，使之结合的方法特点与应用■生产率高比手工电弧焊能提高生产率5～10倍■焊接质量高而且稳定焊接规范可自动控制调整，故焊接质量高而且稳定■节省金属及电能焊丝金属没有飞溅损失，没有焊15条头。较薄工件可以不开坡口，能节省大量焊接金属材料和熔化金属的电能■改善劳动条件■设备费用高、灵活性差适用于厚度20mm以上受压壳体纵、环缝的焊接。既可焊接碳钢，也可焊接低合金钢、耐热钢和不锈钢。不适宜焊接薄板1.2.3钨极氩弧焊（GTAW）以W棒作电极引燃和维持电弧，以电弧热熔化金属，以焊丝作为填充材料，W棒不熔化特点与应用16■以惰性气体为保护，保护效果好，焊缝质量↑■在低电流（20～30A）下仍可保持电弧性能，利于焊薄件■热量集中，熔透能力强，利于打底焊■W极承载电流能力↓，电流过大易使引起钨极的熔化和蒸发→焊缝夹W，韧性↓1.2.4熔化极气体保护焊（GMAW）保护气体Ar、He、N2，其中Ar应用最为广泛特点与应用■惰性气体保护性好；电弧燃烧稳定，熔深大于W极焊；焊丝熔化速度快，生产率大于W极焊917■厚度：中厚板及大厚板，高可焊性材料的薄板■材料：碳钢、不锈钢，铝、钛等活泼性强1.2.5电渣焊利用电流通过液态熔渣产生的电阻热熔化焊丝与母材形成焊接熔池的一种焊接方法特点与应用■大厚度工件可以一次焊成■生产率高，焊接材料消耗少■线能量大，约为埋弧焊的15～50倍。焊接易淬火钢时，不需要预热；焊缝金属的力学性能,特别是韧性等受到较大影响，所以焊后一般都要对焊缝进行细化晶粒热处理。18■熔池和渣池大，温度较电弧焊低，熔渣的更新率也很低,渣池与金属熔池间的冶金反应很弱,没有渗Mn、Si反应,故焊丝的合金元素含量↑■应用材料：碳钢和低合金钢；厚度30mm，厚板拼焊和厚壁简体纵、环缝的焊接1.3焊接材料除母材外，与焊接冶金或保护作用有关的其他材料，都为焊接材料。视焊接方法不同而异焊条电弧焊—焊条埋弧焊—焊丝、焊剂19气体保护焊—焊丝、保护气体电渣焊—焊丝、焊剂1.3.1焊条1.焊条的作用与组成作用：传导电流、引燃电弧；填充金属与熔化的母材形成焊缝；组成：钢芯和药皮■钢芯材料：碳钢、合金钢和不锈钢■药皮的作用与类型作用：稳弧隔绝空气，减小O、N、H的危害；降低焊缝金属的冷却速度，利于焊缝中有害气体的逸出。脱除有害元素O、P、S20合金化类型：按成分—氧化钛型、氧化钛钙型、氧化铁型等按熔渣性质—酸性、碱性酸性焊条与碱性焊条的区别■酸性焊条—药皮溶化后形成的熔渣中酸性氧化物比碱性氧化物多。焊接工艺性好，交直流两用，焊缝美观。■碱性焊条—药皮溶化后形成的熔渣中碱性氧化物比酸性氧化物多。电弧稳定性差，直流反接，较重要的结构。二三类容器用低氢碱性焊条。2.焊条的型号与牌号焊条型号与牌号均可反映焊条的主要特征，如：药皮类型，电源要求，焊缝成分或性能等。区别：牌号是对某个焊条产品的具体命名，而型号并21不是针对某个具体产品。同一个型号的焊条，可以包括多个牌号的焊条产品。设备装配图上，通常习惯标注焊条牌号焊条型号与牌号的表示方法见P306，P3071.3.2焊丝1.作用与分类作用：与焊剂或保护气体配用，导电和填充焊缝金属；分类：■按照适用的焊接方法分埋弧焊丝、电渣焊焊丝、C02焊焊丝和气焊焊丝等■按被焊材料分碳钢焊丝、低合金钢焊丝、不锈钢焊丝、铸铁焊丝和有色金属焊丝■按制造方法与焊丝的形状分实心焊丝和药心焊丝222.焊丝的型号与牌号的表示方法见P308，P3091.3.3焊剂1.作用与分类作用：焊接过程中对熔池进行保护、冶金处理和改善焊接工艺性能；分类：■按制造方法分熔炼焊剂非熔炼焊剂—粘结焊剂烧结焊剂熔炼焊剂：各种矿物按配方混合后加热熔化，经过造粒而成。非熔炼焊剂：各种矿物按配方混合后加入粘结剂，经过造粒，烘焙或烧结而成。23■按化学成分分高、中、低硅焊剂高、中、低锰焊剂高、中、低氟焊剂■按氧化性强弱分氧化性焊剂弱氧化性焊剂惰性焊剂(或称中型焊剂)氧化性焊剂：焊剂对焊缝金属有较强的氧化作用。（SiO2,MnO/FeO）中性焊剂:基本不含上述氧化物。由AI2O3、CaO、MgO及CaF2等组成。24按熔渣的碱度（·B）分类酸性焊剂(B1.0)中性焊剂(B=1.0-1.5)碱性焊剂(B1.5)酸性焊剂:具有良好的焊接工艺艺性能，焊缝成形美观，但焊缝金属含氧量高，冲击韧性较低。中性焊剂：熔敷合属的化学成分与焊丝的化学成分相近。碱性焊剂：采用碱性焊剂得到的熔敷金属含氧量低，可以获得较高的焊缝冲击韧性，抗裂性好，但焊接工艺性能较差。随着碱度的提高，焊道形状变得窄而高，并容易产少咬边、夹渣等缺陷。252.焊剂型号与牌号的表示方法见P3101.4焊接设计设计原则■选用焊接性能好的母材■尽量减少焊接工作量■合理布置焊缝■焊接施工及检验方便■有利于生产组织与管理1.4.1焊接方法选用选用原则：能保证压力容器质量可靠、生产率高、生产成本低。261.4.2焊接材料选用选用原则：焊缝金属力学性能应高于或等于相应母材标准规定值下限，或满足图样及其技术条件的规定1.同钢号相焊的焊缝金属碳素钢、低合金钢焊缝金属应保证力学性能，其抗拉强度不应超过母材标准规定的上限值+30MPa，韧性指标不低于母材。耐热性低合金钢应保证化学成分。高合金钢焊缝金属应保证力学性能和耐腐蚀性能2.不同钢号相焊的焊缝金属不同强度碳素钢、低合金钢焊缝金属应保证力学性能，其抗拉强度不应超过强度较高母材标准规定的上限值奥氏体高合金钢与碳素钢或低合金钢焊缝金属应保证抗裂性能和力学性能27焊条选用原则1、对于低碳钢及普通低合金钢焊接，按等强度原则选用焊条。2、对于低碳钢与低合金钢、或普通低合金与普通低合金钢之间的异种钢焊接，一般选用与强度等级较低的钢相应的焊条。3、对于承受高温或腐蚀的耐热钢和不锈钢，应以等成分原则选用焊条。4、对于耐热钢和不锈钢与低碳钢或低合金钢的焊接，应以选用铬镍含量高于母材的焊条。281.4.2焊接坡口设计和接头设计1.坡口设计目的：使焊缝全部焊透和减少或避免焊接缺陷，保证焊接质量根部间隙b钝边p坡口角度α坡口面角度α根部间隙b钝边p坡口角度α坡口面角度α根部半径R根部间隙b钝边p坡口角度α坡口面角度β根部间隙b钝边p坡口角度α坡口面角度β29主要结构参数：■坡口角度α作用是使焊条或焊丝便于伸到坡口底部并作必要的摆动或便移，以便获得良好的熔合，便于脱渣和清渣■钝边高度p作用是防止烧穿和熔化金属流失■根部间隙b作用是为了保证焊透坡口形状和尺寸的主要影响因素■坡口↓耗用焊材↓，效率和经济效益↑■手工焊δ6mm应开坡口;埋弧焊δ24mm,双面焊可不开坡口.电渣焊可不开坡口■坡口角度V形45～90°视焊接方法和母材的不同而取不同角度30■根据板厚由小到大，应依次分别采用V形、X形和U形等坡口■根据焊件的材料不同，坡口的形状和尺寸要求不同,低碳钢坡口截面应大些；而铬镍奥氏体不锈钢，其坡口应尽量小些坡口形状与尺寸的设计应遵循的原则：保证焊透；坡口易于加工；尽可能地节省填充金属，提高焊接生产率；焊件产生的变形和残余应力尽可能地小■Ⅰ形坡口，即不开坡口，留有1～2mm，手工单面焊板厚6mm和双面焊12mm可采用Ⅰ坡口;埋弧焊的单面焊