2.3节：焊接技术

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2.3节：焊接技术

• 1. 焊接设备和焊接材料的分类及选用
  • 1.1. 焊接设备
    • 1）焊接设备分类
    • 2）常用焊接设备的应用
  • 1.2. 焊接材料
    • 1）焊条的分类及选用
      • （1）焊条分类
        • ③按熔渣性质分类：碱性焊条（又称作低氢型焊条）和酸性焊条。
      • （2）焊条选用要求
        • ②综合考虑以下因素：钢材化学成分及力学性能，焊缝金属性能，钢结构特点（板厚、接头形式）和受力 状态，工艺性，焊接位置和施焊条件（室内、野外、空间大小），焊接工作量（焊缝长度、焊缝当量）。
      • （3）焊条选用原则
        • ①焊缝金属的力学性能和化学成分匹配原则
          • ①焊缝金属的力学性能和化学成分匹配原则。规定要求焊缝金属与母材等强度，应选用熔敷金属抗拉强度 等于或稍高于母材的焊条。对于合金钢要求焊缝金属合金成分与母材相同或接近。
          • 在焊接结构刚性大、接头应力高、焊缝易产生裂纹的不利情况下，应考虑选用比母材强度低的焊条。 当母材中碳、硫、磷等元素的含量偏高时，焊缝中易产生裂纹，应选用抗裂性能好的低氢型焊条。
          • 例如：钢结构工程选择焊接材料时，应根据设计要求，除保证焊接接头强度、塑性不低于母材标准规定的 下限值以外，还应保证焊接接头的冲击韧性不低于母材标准规定的冲击韧性下限值。
        • ②保证焊接构件的使用性能和工作条件原则
          • 对承受动载荷和冲击载荷的焊件，除满足强度要求外，主要应保证焊缝金属具有较高的塑性和韧性，可选 用塑、韧性指标较高的低氢型焊条。
          • 接触腐蚀介质的焊件，应根据介质的性质及腐蚀特征选用不锈钢类焊条或其他耐腐蚀焊条。
          • 在高温、低温、耐磨或其他特殊条件下上作的焊件，应选用相应的耐热钢、低温钢、堆焊或其他特殊用途 焊条。
        • ③满足焊接结构特点及受力条件原则
          • 对结构形状复杂、刚性大的厚大焊件，在焊接过程中，冷却速度快，收缩应力大，易产生裂纹，应选用抗 裂性好、韧性好、塑性高、氢裂纹倾向低的焊条。
          • 例如：低氢型焊条、超低氢型焊条和高韧性焊条等。
        • ④具有焊接工艺可操作性原则
          • 当焊件的焊接部位不能翻转时，应选用适用于全位置焊接的焊条。
          • 对受力不大、焊接部位难以清理的焊件，应选用对铁锈、氧化皮、油污不敏感的酸性焊条。
          • 没有直流焊机时，必须选用可交、直流两用的焊条。
          • 在狭小或通风条件差的场合，在满足使用性能要求的条件下，应选用酸性焊条或低尘焊条。
        • ⑤提高生产率和降低成本原则
          • 在酸性焊条和碱性焊条都可满足要求时，应尽量选用酸性焊条。对焊接工作量大的结构，有条件时应尽量 选用高效率焊条。
    • 2）钨极材料特性及种类
      • （1）钨极材料特性
        • 手工钨极氩弧焊用的电极材料应具有较强的电子发射能力，能形成稳定的电弧，具有耐高温性，在电弧高 温下不易蒸发和损耗，能承受较大的焊接电流，具有足够的强度和耐磨性等。
      • （2）钨极种类
    • 3）焊丝分类及选用
      • （2）焊丝选用原则
        • ②实心焊丝主要用于钨极气体保护焊和熔化极气体保护焊。
        • ③药芯焊丝用于采用 CO₂ 和 Ar+CO₂ 为保护气体的熔化极气体保护焊，前者用于普通结构，后者用于重要 结构。
        • ④ 自保护药芯焊丝与焊条相似，不用另加气体保护焊，抗风能力优于气体保护焊，通常可在四级风力下施 焊，适用于野外或高空作业。
    • 4）焊接气体分类及选用
      • （1）焊接气体分类
        • ①气焊、切割用气体：助燃气体（ O2 ）；可燃气体： 乙炔、丙烷、石油气、天然气等。
        • ②焊接保护用气体：二氧化碳（CO2 ）、氩气（Ar）、氦气（He）、氮气（N2 ）、氧气（O2 ）和氢气（H2）。
      • （2）焊接气体的应用
        • ①焊接用气体的选择，主要取决于焊接、切割方法。除此之外，还与被焊金属的性质、焊接接头质量要求、 焊件厚度和焊接位置及工艺方法等因素有关。
        • ②氮气弧焊时，用 N2 作为保护气体，可焊接铜和不锈钢。N2 也常用于等离子弧切割，作为外层保护气。
        • ③H2 作为还原性气体，焊接时与 O2 混合燃烧，作为气焊的热源。
        • ④混合气体一般也是根据焊接方法、被焊材料以及混合比对焊接工艺的影响等进行选用。
        • 例如：焊接低合金高强钢时，从减少氧化物夹杂和焊缝含氧量出发，希望采用纯 Ar 做保护气体； 从稳定电弧和焊缝成型出发，希望向 Ar 中加入氧化性气体。
    • 5）焊剂分类及应用
      • （1）焊剂的分类
        • ①按照生产工艺的不同分类：焊剂可分为熔炼焊剂、粘结焊剂和烧结焊剂。
        • ②按照焊剂中添加脱氧剂、合金剂分类：焊剂可分为中性焊剂、活性焊剂和合金焊剂。
    • 6）焊接材料的复验要求
      • （1）钢结构的焊接材料复验
        • 建筑结构安全等级为一级的一、二级焊缝、
        • 建筑结构安全等级为二级的一级焊缝、大跨度的一级焊缝、
        • 重级工作制吊车梁结构中的一级焊缝中所用焊接材料应按到货批次进行复验，合格后方可使用。
      • （2）特种设备的焊接材料复验
        • 球罐用的焊条和药芯焊丝应按批号进行扩散氢复验。焊条、焊丝、焊剂超过期限，应经复验合格后方可使 用。
• 2. 焊接方法和焊接工艺
  • 2.1. 焊接方法
    • 1）焊条电弧焊
    • 2）钨极惰性气体保护焊
      • （1） 电弧热量集中，可精确控制焊接热输入，焊接热影响区窄。
      • （2）焊接过程不产生熔渣、无飞溅，焊缝表面光洁。
      • （3）焊接过程无烟尘，熔池容易控制，焊缝质量高。
      • （4）焊接工艺适用性强，几乎可以焊接所有的金属材料。
      • （5）焊接参数可精确控制，易于实现焊接过程全自动化。
    • 3）CO2 气体保护焊
      • （1） 电弧的穿透力强，焊接电流密度大，故焊丝熔化率高；焊后一般不须清渣，所以 CO2 气体保护焊的 生产率比焊条电弧焊高约 1～3 倍。
      • （2）CO2 气体价格便宜，其焊接成本只有埋弧焊和焊条电弧焊的40%～50%。
      • （3）焊接变形小。
      • （4）焊接质量好。CO2 气体具有很强的氧化性，抗锈能力强，焊缝含氢量低，焊接低合金高强度钢时冷裂 纹的倾向小，可获得机械性能良好的焊缝。
      • （5）适用范围广。CO2 气体保护焊适用于焊接薄板，也能焊接中厚板，同时可进行全位置焊接。
  • 2.2. 焊接工艺
    • 1）焊接方法选择
      • （2）不同焊接方法特点
      • （3）焊接方法的选择
        • ①钢结构常采用的焊接方法包括：SMAW 、SAW 、GMAW 、FCAW 、ESW 、EGW 、SW 及其组合。（无 GTAW）
        • ②以下工业管道的焊缝底层应采用 GTAW 焊接方法：公称直径小于 600mm，且设计压力大于或等于 10MPa 或设计温度低于-20℃的管道；对内部要求清洁度较高及焊后不宜清理的管道。
        • ③球罐现场焊接常用焊接方法包括：SMAW 、FCAW 、GTAW。
        • ④立式圆筒形钢制焊接储罐常用焊接方法包括：SMAW 、GMAW 、SAW 、EGW。 （无 GTAW）
    • 2）焊接接头
      • （1）焊接接头由焊缝、熔合区、热影响区和母材金属组成。
      • （2）焊接接头形式：对接接头、T 形接头、角接接头及搭接接头等。焊接接头形式主要是由两焊件相对位 置所决定的。
      • 例如：钢制储罐底板的幅板之间、幅板与边缘板之间、人孔（接管）或支腿补强板与容器壁板（顶板）之 间等常用搭接接头连接。
    • 3）焊缝形式
      • （1）焊缝坡口形式。坡口分成 I 形（不开坡口）、V 形、单边 V 形、U 形、双 U 形、J 形等各种坡口形式。
      • （2）焊缝结合形式。分为对接焊缝、角焊缝、塞焊缝、槽焊缝、端接焊缝。
      • （3）焊缝在施焊时空间位置。分为平焊缝、立焊缝、横焊缝、仰焊缝。
      • （4）例如：对接接头、对接焊缝形状尺寸包括：焊缝长度、焊缝宽度、焊缝余高；T 形接头对接焊缝或角 焊缝形状尺寸包括焊脚、焊脚尺寸、焊缝凸（凹）度。
    • 4）焊接线能量
      • 决定焊接线能量的主要参数就是焊接速度、焊接电流和电弧电压，见公式 q=IU/v
        • 式中 q——线能量（J/cm）； I——焊接电流（A）；U——焊接电压（V）； v-焊接速度（cm/s）。
    • 5）预热及焊后热处理
      • 为改善焊接接头的焊后组织和性能或消除残余应力而进行的热处理。
      • （1）20HIC 任意壁厚均需要焊前预热和焊后热处理，以防止延迟裂纹的产生。若不能及时进行热处理，则 应在焊后立即后热 200～350℃保温缓冷。后热即可减小焊缝中氢的影响，降低焊接残余应力，避免焊接接 头中出现马氏体组织，从而防止氢致裂纹的产生。
      • （2）其他牌号非合金钢用于压力容器时，最低预热温度为 15℃。用于工业管道焊接接头母材厚度≥25mm时，最低预热温度为 80℃ 。母材厚度＜25mm 时，最低预热温度为 10℃。 例如：非合金钢管道壁厚大于 19mm 时，应进行焊后消除应力热处理。
      • （4）有焊后消除应力热处理要求的压力容器（压力管道），经挖补修理后，应当根据补焊深度确定是否 需要进行消除应力处理。
  • 2.3. 焊接工艺评定
    • 1）焊接工艺评定报告及作用
      • （1）焊接工艺评定报告
        • 焊接工艺评定是为验证所拟定的焊接工艺正确性而进行的试验过程及结果评价。记载验证性的数据结果， 对拟定的焊接工艺进行评价的报告称为焊接工艺评定报告。
      • （2）焊接工艺评定作用
        • 验证施焊单位拟定焊接工艺的正确性，并评定施焊单位在限制条件下，焊接成合格接头的能力。依据焊接 工艺评定报告编制焊接作业指导书，用于指导焊工施焊和焊后热处理工作，一个焊接工艺评定报告可用于 编制多个焊接作业指导书。一个焊接作业指导书可以依据一个或多个焊接工艺评定报告编制。
    • 2）焊接工艺评定要求
      • （1）锅炉
        • 焊接前，应制定焊接工艺评定作业指导书，并进行焊接工艺评定。焊接工艺评定合格后，应编制用于施工 的焊接作业指导书。
      • （2）容器
        • 压力容器施焊前，受压元件焊缝、与受压元件相焊的焊缝、熔入永久焊缝内的定位焊缝、受压元件母材表 面堆焊与补焊，以及上述焊缝的返修焊缝都应进行焊接工艺评定或者具有经过评定合格的焊接工艺支持。 常压容器，钢制焊接储罐焊接前，施工单位必须有合格的焊接工艺评定报告。
      • （3）管道
        • 长输管道焊接前，应制定详细的预焊接工艺规程，并对此焊接工艺进行评定。工艺评定的目的在于验证用 此工艺能否得到具有合格力学性能，如强度、塑性和硬度等的完好焊接接头。
        • 工业管道在掌握碳素钢、合金钢、铝及铝合金、铜及铜合金、铁及铁合金、镍及镍合金、锆及锆合金的焊 接性能后，必须在工程焊接前进行焊接工艺评定。管道承压件与承压件焊接、承压件与非承压件焊接均应 采用经评定合格的焊接工艺。
      • （4）钢结构
        • 施工单位首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法、焊接接头、焊接位置、焊后热处理等各种参数及参数的 组合，应在钢结构制作及安装前进行焊接工艺评定试验。
    • 3）焊接工艺评定规则
      • （1）通用评定规则
        • 焊接方法的评定规则、母材的评定规则、填充金属的评定规则、焊后热处理的评定规则、试件厚度与焊件 厚度的评定规则。
      • （2）专用评定规则
    • 4）特殊材料焊接工艺措施
      • （1）有延迟裂纹倾向的材料
        • ①产生延迟裂纹原因：产生延迟裂纹与焊缝含扩散氢、接头所承受的拉应力以及由材料淬硬倾向决定的金 属塑性储备有关，是三个因素中的某一因素与其相互作用的结果。主要发生在低合金高强钢中。
        • ②防止产生延迟裂纹的措施：可采取焊条烘干、减少应力、焊前预热、焊后热处理措施。严格执行焊后热 消氢处理工艺，打磨焊缝余高。对容易产生焊接延迟裂纹的钢材，焊后应及时进行热处理。当不能及时进 行热处理时，应在焊后立即均匀加热至 200～350℃ , 并保温缓冷。（口诀：请前后烘糕）
      • （2）有再热裂纹倾向的材料
        • ①产生再热裂纹与钢中所含碳化物形成元素（Cr 、Mo 、Ti 、B 等）有关。
        • ② 防止产生再热裂纹的方法：预热，预热温度为 200～450℃ 。若焊后能及时后热，可适当降低预热温度。 例如：18MnMoNb 钢焊后，立即进行 180℃热处理 2h ，预热温度可降低至 180℃ 。应用低强度焊缝，使焊 缝强度低于母材以增高其塑性变形能力。减少焊接应力，合理地安排焊接顺序、减少余高、避免咬边及根 部未焊透等缺陷以减少焊接应力。
      • （3）抗硫化氢腐蚀钢
        • 20HIC 材质焊接工艺评定时，母材和焊接材料化学成分、焊接接头力学性能和表面质量要求：焊接接头布 氏硬度不大于 190HBW；焊缝咬边深度不得大于 0.4mm。
• 3. 焊接应力与焊接变形
  • 3.1. 降低焊接应力的措施
    • 1）设计措施
      • 见基友
      • （1）减少焊缝的数量和尺寸可减小变形量，同时降低焊接应力。
      • （2）避免焊缝过于集中从而避免焊接应力峰值叠加。
      • （3）优化设计结构
        • 如将容器的接管口设计成翻边式，少用承插式。
    • 2）工艺措施
      • 萧何曾与素珍亲热，真惨
      • （1）采用较小的焊接线能量
      • （2）合理安排装配焊接顺序
      • （3）层间进行锤击
      • （4）预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）
      • （5）焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条
      • （6）预热（整体预热）
      • （7）消氢处理。消氢处理的温度一般为 300～350℃ , 保温 2～6h 后冷却。
      • （8）焊后热处理
      • （9）利用振动法来消除焊接残余应力
  • 3.2. 焊接变形的危害及预防焊接变形的措施
    • 1）焊接变形的分类
      • 焊接变形可分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和室温条件下的残余变形。就残余变形而言，又可分为 焊件的面内变形和面外变形。
      • （1）面内变形：可分为焊缝纵向收缩变形、横向收缩变形和焊缝回转变形。
      • （2）面外变形：可分为角变形、弯曲变形、扭曲变形、失稳波浪变形。
    • 2）焊接变形的危害
      • 焊接变形的危害主要表现在：降低装配质量、影响外观质量、降低承载力、增加矫正工序、提高制造成本 五个方面。
    • 3）预防焊接变形的措施
      • （1）进行合理的焊接结构设计
        • ①合理安排焊缝位置。焊缝尽量以构件截面的中性轴对称；焊缝不宜过于集中。
        • ②合理选择焊缝数量和长度。在保证结构有足够承载力的前提下，应尽量选择较小的焊缝数量、长度和截 面尺寸。
        • ③合理选择坡口形式。尽可能减少焊缝截面尺寸。
      • （2）采取合理的装配工艺措施
        • ①预留收缩余量法。
        • ②反变形法。反变形法常用来控制角变形和防止设备壳体局部下塌。
        • ③刚性固定法。刚性固定法广泛用于工程焊接较小的构件，对防止角变形和波浪变形有显著的效果。
        • ④合理选择装配程序。
      • （3）采取合理的焊接工艺措施
        • ①合理的焊接方法。尽量用气体保护焊等热源集中的焊接方法。不宜用焊条电弧焊，特别不宜选用气焊。 ②合理的焊接线能量。尽量减小焊接线能量的输入能有效地减小变形。
        • ③合理的焊接顺序和方向。
        • 例如：储罐底板焊接顺序采用先焊中幅板、边缘板对接焊缝外 300mm 长；待焊接完壁板和边缘板角焊缝 后，再焊接边缘板剩余对接焊缝；最后焊接中幅板和边缘板的环焊缝。
• 4. 焊接质量检验
  • 4.1. 焊接分项工程质量验收
    • 1）钢结构焊接分项工程
      • （1）主控项目
        • 焊接材料进场（品种、规格、性能），焊接材料复验（重要钢结构），材料匹配（焊材与母材）， 焊工证书，焊接工艺评定， 内部缺陷，组合焊缝尺寸（T 形接头、十字接头、角接接头等要求熔透的对接 和角对接组合焊缝），焊缝表面缺陷。
      • （2）一般项目
        • 焊接材料进场（焊材外观），预热和后热处理，焊缝外观质量，焊缝尺寸偏差，凹形的角焊缝， 焊缝感官。
  • 4.2. 焊接检验方法
    • 1. 1）破坏性检验
      • 1.1. 常用的破坏性检验包括：力学性能试验（ 弯曲试验、拉伸试验、冲击试验、硬度试验、断裂性试验、疲劳 试验），化学分析试验（化学成分分析、不锈钢晶间腐蚀试验、焊条扩散氢含量测试），金相试验（宏观 组织、微观组织），焊接性试验。
    • 2. 2）非破坏性检验
      • 2.1. 常用的非破坏性检验包括：外观检验，无损检测（渗透检测、磁粉检测、超声检测、射线检测），耐压试 验和泄漏性试验。
    • 3. 3）无损检测方法
      • 3.1. （1）射线检测（ RT），常用检测设备和器材：可以使用两种射线源，为 X 射线和 γ射线。
      • 3.2. （2）超声检测（ UT）。
      • 3.3. （3）磁粉检测（ MT）。
      • 3.4. （4）渗透检测（ PT）。
      • 3.5. （5） 目视检测，常用照明光源、反光镜和低倍放大镜等。
    • 4. 4）无损检测适用范围
  • 4.3. 焊前质量检验
    • 1. （1）母材和焊材
    • 2. （2）零部件主要结构尺寸
    • 3. （3）组对质量
    • 4. （4）坡口清理检查
    • 5. （5）焊接前的确认
  • 4.4. 焊中质量检验
    • 1. （1）定位焊缝。
    • 2. （2）多层（道）焊。
    • 3. （3）后热。进行后热焊缝时应检查加热范围、后热温度和后热时间，并形成记录。
  • 4.5. 焊后质量检验
    • 1. 1）焊缝外观检验
      • 容器焊接后应检查几何尺寸：同一端面最大内直径与最小内直径之差、椭圆度、 矩形容器截面上最大边长与最小边长之差、焊接接头棱角度（环向和轴向）等。
    • 2. 3）焊缝内部无损检测
  • 4.6. 其他检验
    • 1. （1）硬度检验。工业管道的焊接接头，热处理后应测量硬度值，焊接接头硬度测量区域应包括焊缝和热 影响区。
    • 2. （2）腐蚀试验。
    • 3. （3）金相试验。