钢制压力容器的焊接

第五章钢制压力容器的焊接压力容器是典型的焊接结构，主要的制造方法就是焊接，焊接质量直接关系到设备的质量。5.1焊接接头压力容器的焊接接头分成四类，目的是在设计、制造、维修、管理时可以分别对待，从而保证质量。圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外），球形封头与圆筒连接的环向接头，各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均属A类焊接接头。壳体部分的环向焊缝接头，锥形封头小端与接管连接的接头，长颈法兰与接管连接的接头，均属B类焊接接头，但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头。接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头，但已规定为A、B类的焊接接头除外。ABCD分类AAAAAAAAAAABBBBBBCCCDDDA类焊缝是容器中受力最大的接头，因此一般要求采用双面焊或保证全焊透的单面焊缝；B类焊缝的工作应力一般为A类的一半。除了可采用双面焊的对接焊缝以外，也可采用带衬垫的单面焊；在中低容器中，C类接头的受力较小，通常采用角焊缝联接。对于高压容器，盛有剧毒介质的容器和低温容器应采用全焊透的接头。D类焊缝是接管与容器的交叉焊缝。受力条件较差，且存在较高的应力集中。在厚壁容器中这种焊缝的拘束度相当大，残余应力亦较大，易产生裂纹等缺陷。因此在这种容器中D类焊缝应采取全焊透的焊接接头。对于低压容器可采用局部焊透的单面或双面角焊。5.1焊接接头分类5.1焊接接头接头的基本形式对接接头、T形（十字形）接头、角接头和搭接接头T形接头（十字形接头、丁字形接头）5.1焊接接头接头的基本形式T形接头（十字形接头、丁字形接头）5.1焊接接头接头的基本形式角接头5.1焊接接头接头的基本形式5.1焊接接头接头的基本形式搭接接头5.1焊接接头接头的基本形式两条正面焊缝之间的距离要大于板厚的4倍侧面焊缝的长度不大于焊脚高度的50倍5.1焊接接头坡口的基本形式坡口的基本形式和尺寸已经有国家标准：GB985和GB986。表5-1列出坡口的六个主要尺寸符号。表5-2列出坡口加工时主要尺寸的允许偏差值。各种坡口在图纸上是以各种符号表示的，基本符号（表5-4）表示的是焊缝截面形状的符号（坡口、焊接之前）；辅助符号（表5-5）表示的是焊缝表面形状的符号，焊接以后的表面形状；5.2常用焊接方法及其焊接工艺①手工电弧焊②埋弧自动焊③气体保护焊特点:设备简单，工艺灵活，对工作场地无特殊要求可以全方位施焊。因为焊条、药皮品种齐全，所以对钢材的适应性强（几乎所有的钢种C钢、低合、不锈、耐热）。其缺点是焊接速度慢。压力容器等焊接结构的重要焊接方法之一，它的焊缝质量优良，因为埋弧焊的电弧是在焊剂下的一个封闭空间燃烧，并且焊缝在焊剂的保护下冷却，可以充分地进行冶金反应，不用换焊条、熔深大。它的自动化程度比较高，生产效率高、质量好，比较适合于大规模的现代化生产。但它只能俯焊。包括熔化极和非熔化极；保护性气体主要有惰性气体和二氧化碳。①手工电弧焊1焊接电源2地线3工件4焊接电弧5焊条6焊钳7电缆手工电弧焊的系统简图①手工电弧焊焊接规范及其选择①手工电弧焊焊接规范主要包括：焊接电流、焊接电弧电压、焊接速度、焊接线能量、焊条直径、焊接预热温度和冷却时间。选择焊条的直径确定焊接电流焊接电弧电压焊接速度焊接线能量指得是单位长度焊缝所得到的电弧热能量，与电流、电弧电压和焊接速度有关：vUIq36②埋弧自动焊是一种利用在焊剂层下光焊丝和焊件之间燃烧的电弧产生的热量来熔化焊丝、焊剂和母材金属而形成焊缝的方法。设备：埋弧焊电源和埋弧焊焊机电源也有直流和交流之分：直流电源电弧稳定，多用在对焊接工艺参数要求较高设备焊接上。焊机有半自动焊机和全自动焊机。两者的不同之处就是前者的焊接速度需操作者（焊工）控制，后者焊丝、焊剂进给、启动停止、焊接速度调节全部自动完成。③气体保护电弧焊国内最常用的气体保护电弧焊是钨极氩弧焊（简称氩弧焊）和氩气、二氧化碳气体保护焊。钨极氩弧焊电极是钨、钍钨合金、铈钨合金，保护气体通常有氩气、氦气、氩氦混合气和氩氢混合气。钨的熔点是3410℃沸点是5900℃所以很适合作为不熔化电极，也因此钨极可以采用较大的电流，电弧仍然稳定集中，效率高。与氩弧焊相比CO2气体保护焊成本低许多。但它只用于低碳钢、低合金钢等金属材料的一般结构焊接，重要焊接结构很少采用。③气体保护电弧焊因为CO2属于弱氧化气体，能烧损有益元素；另外飞溅严重，电弧不稳。烟雾较多，弧光强，成型不光滑。常用焊接方法缩写MAG焊接熔化极氧化性混合气体保护电弧焊，例如：混合气体75--95%Ar+25--5%CO2，标准配比：80%Ar+20%CO2。MIG焊接熔化极惰性气体保护电弧焊。TIG焊接用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨、锆钨、镧钨）作为不熔化电极的惰性气体保护电弧焊。SMAW焊接用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。5.3常见焊接缺陷的成因及其防止方法(1)焊缝表面缺陷①咬边成因：金属补充不及时危害：强度减弱、应力集中防止：电流适中，运条得当②焊瘤(1)焊缝表面缺陷成因：金属因自重下坠危害：应力集中防止：电流适中，运条快，钝边、间隙规范③内凹(1)焊缝表面缺陷成因：金属因自重下坠危害：应力集中防止：控制熔池温度，钝边、间隙规范④溢流(1)焊缝表面缺陷成因：焊接参数选择不当坡口清理不干净，电弧热损失在氧化皮上，使母材未熔化。危害：未熔合，未焊透；⑤弧坑(1)焊缝表面缺陷成因：熄弧时焊条未停留，或电流过大危害：强度严重减弱，坑内常有气孔、夹渣或裂纹①气孔(2)焊缝内部缺陷成因：焊缝中吸入了过多的气体。危害：使焊缝有效工作面积减少，降低抵抗外载能力，特别对弯曲和冲击韧性影响较大。防止：注意电弧保护、焊条焊剂烘干、坡口清理②夹渣(2)焊缝内部缺陷成因：冷却过快，电流小等危害：引起的应力集中比气孔严重，危害更大防止：边缘清理干净、焊速适当③未焊透(2)焊缝内部缺陷成因：坡口角度小，钝边太大；焊条偏离焊道中心。危害：工作面积减小，尖角易产生应力集中，引起裂纹防止：电流不可过小，速度不可过快（来不及熔化）④未熔合(2)焊缝内部缺陷成因：⒈电流小、速度快、热量不足；⒉坡口或焊道有氧化皮、熔渣等，一部分热量损失在熔化杂物上，剩余热量不足以熔化坡口或焊道金属。⒊焊条或焊丝的摆动角度偏离正常位置，熔化金属流动而覆盖到电弧作用较弱的未熔化部分，容易产生未熔合。危害：因为间隙很小，可视为片状缺陷，类似于裂纹。易造成应力集中，是危险性较大的缺陷纵向裂纹按裂纹存在的方向分横向裂纹（3）裂纹分类：星形裂纹按裂纹存在的形态分网状裂纹条状裂纹焊道裂纹热影响区裂纹按裂纹存在的位置分弧坑裂纹根部裂纹其他位置裂纹（3）裂纹热裂纹生产过程出现的裂纹冷裂纹再热裂纹（4）裂纹形成的原因及防止措施⒈热裂纹形成及防止常见的热裂纹有两种：结晶裂纹、液化裂纹结晶裂纹是焊接熔池初次结晶过程中形成的裂纹，是焊缝金属沿初次结晶晶界的开裂。而液化裂纹是紧靠熔合线的母材晶界被局部重熔，在收缩力的作用下而产生的裂纹。低熔点共晶物的多少取决于焊缝金属中C、S、L等元素的含量。（4）裂纹形成的原因及防止措施一是焊缝金属所经受的应变增加速度大于低熔点共晶物凝固的速度；另外，初生晶体的长大方向和残留低熔点共晶体的相对位置的影响。（4）裂纹形成的原因及防止措施关键的措施就是：a.应严格控制焊缝金属中C、S、P和其它易形成低熔点共晶体的合金成分的含量，这些元素和杂质的含量越低，焊缝金属的抗裂纹能力越大。当焊缝中C0.15%,S0.04%就可能有裂纹出现，如果母材中含碳量很高，就要控制焊接材料的成分，以使混合后的碳含量降下来。b.改变焊缝横截面的形状也就改变了焊接熔池的结晶方向，使之有利于将低熔点共晶体推向不易产生裂纹的位置。（4）裂纹形成的原因及防止措施液化裂纹产生的原因：焊接时紧靠熔合线的母材区域被加热到接近钢熔点的高温，此时母材晶体本身未发生熔化，而晶界的低熔点共晶物则已完全熔化。当焊接熔池冷却时，焊缝应变速度较高。如果这些低熔点共晶物未完全重新凝固之前，接合区就已受到较大应变，则在这些晶界上就会出现裂纹。晶间液层的熔点越低，凝固时间越长，则液化裂纹的倾向越大。液化裂纹的成因归于母材晶粒边界的低熔点共晶物，因此液化裂纹多产生于C、S、P杂质较高的母材与焊缝的熔合边界。（4）裂纹形成的原因及防止措施2.冷裂纹形成及防止焊接接头的冷裂纹主要在屈服极限大于300MPa的低合金钢中产生。钢材的强度越高，焊接产生冷裂纹的可能性越大，在低碳钢的焊接接头中一般不出现冷裂纹。防止的措施a控制近缝区的冷却速度，使之不易形成淬硬组织；b将工件预热（降低冷却速度）；c建立低氢的焊接条件。冷裂纹是一种最危险的缺陷，具有延迟性。有的甚至在焊缝无损探伤后才形成，而造成不可弥补的漏检。