1、焊接技术基础知识基 础 知 识一、焊接管道受力及质量因素管道作为物料输送的一种特种设备，在石油化工生产装置中管道的安装工作量约占整个工作量的1/2，占据着很重要的位置；管道在远距离输送和电站、锅炉、船舶等动力装置方面也是至关重要的。改革开放以来，随着钢结构工程的迅速发展，管道普遍用于建筑工程中，作为梁、柱、桁架、网架、塔架等承重构件，管道还作为支架，满足管道承重、限位、防振。管道几乎遍及国民经济建设的各行各业。下面介绍一些焊接管道受力及质量因素的基础知识。1焊接管道接头类别和受力基本概念锅炉及压力容器的结构形式各种各样，有塔、换热器、储罐、管道和锅炉筒体等。大多数是各种圆锥形封头、接管和管接头
2、等组成。也就是这些受压部件最基本的形状是圆柱体，其焊接接缝分成A、B、C、D四类，锅炉及压力容器焊接接头形式分类示意见图1。 A类接头 是筒体纵缝的对接接头。为什么把纵缝列为A类接头呢？因为其所受的工件应力比B类接头高一倍，也就是说筒体纵缝应力是环绕应力的一倍。在压力容器爆破试验中，裂口一般均在纵缝上。有时听到媒体报道某水管爆裂、某油管爆裂，问题多半发生在纵缝。 B类接头 如筒体环缝等。A类接头和B类接头都是锅炉、压力容器、压力管道中的重要焊道。 C类接头 为角接头。如法兰与管道，管子与管板等角焊缝。对于高压容器焊缝要求全焊透。作为管道按图纸设计要求而定。 D类接头 主管道与支管、与人孔管接的
3、相贯焊缝，处于应力集中部位，弹性应力集中系数大致在1.52.5范围内，焊缝在较高应力状态下工作。同时，焊接时刚性拘束较大，容易产生缺陷。因此D类接头是锅炉、压力容器、压力管道中的重要焊缝。2影响管道焊接的质量因素由国内外发生的管道破坏事故的分析结果可知，其破坏形式为脆性破裂（即破裂前一般没有明显的塑性变形），破裂通常由低周疲劳、应力腐蚀和蠕变等原因所引起。这些破坏事故与结构设计、焊接质量、探伤技术和操作有很大关系。一般来说，多数结构的破断，往往集中于应力、局部应力和拉伸残余应力较高的焊接接头区的缺陷外，其原因如下。 焊接缺陷，特别是未焊透。例如某圆柱形管道钢梁，现场装焊时人无法进去双面焊，只得
4、在管子内衬垫板单面焊。以下三种情况均无法全焊透：不开坡口，手工电弧焊缝无法达到要求；虽然开了坡口，但不到位，角度太小、太浅，无法熔透；坡口符合要求，但根部间隙太小，无法熔透。表面质量很好，实际上50%深度是虚焊。 责任性不强，素质不高。工厂内有这么一条规章制度，也是一条工艺纪律。即施工前对上道工序实行检验，若不合格，必须返修且合格后才能进行下道工序。如果发现坡口间隙不合格，不能擅自焊接。若这样做，可以避免事故。 虽然最终焊接接头质量可以用射线探伤，把住质量关，探伤仪是科学的、不会作假，可是探伤的部位是人选的，值得指出的是，往往因疏忽大意，探伤时的误探和漏探是十分有害的，误探导致不必要的返修，影
5、响焊接接头的性能；漏检则意味着可能使超标缺陷留存于焊接接头中，成为导致结构破坏的潜在危险因素。产品质量检验队伍中，有一大批忠于职守、认真负责、大公无私的优秀人员，在焊缝的重要部位划出要探测检查的标记，严格把关。但也有个别的人事先摸透了检测人员的意图，知道某部位要探测，该部位焊接特别好，一次拍片合格率很高。可是，其他未探测部位是否有隐患呢？所以，除了对探伤设备及灵敏度和可靠性重视外，还必须加强对检验探伤人员培训，以便从探伤把关，控制和确保压力管道的制造质量。 把握住主体和附件的质量关系。压力容器（含压力管道）的焊缝固然重要，可是附件的焊缝也不能疏忽，有时往往从附件引发到主体的损坏。有批液氮钢瓶，
6、主焊缝焊得很好，全部达到要求。业主提出为了平时滚动方便，要在筒体上焊两道扁钢，以便套上橡胶圈。扁钢是附件，可是由于扁铁箍的接头没有焊牢，仅焊了一些点焊。在日常滚动运行时（由于充气时筒体膨胀，无负载时筒体收缩），该扁钢的裂缝引发到筒体上出现裂缝。联想到有些内部衬垫板的筒体，垫板接头没焊牢，也出现类似问题。可见附件的缝缺陷会引发到主体上去，这是必须引起注意的。缺陷的存在、性能的下降、应力水平的提高是焊接接头区成为结构中薄弱环节的三大要素。因此从一条焊缝接头的质量反映了压力容器、压力管道的制造质量，并直接影响到结构的使用安全性。影响管道焊接质量的因素很多，将在以后有关章节介绍。 二、钢材金相组织钢材
7、性能取决于化学成分和钢材组织。焊缝同样如此，焊缝质量可以外观检查，用射线无损探测，可用试样进行力学性能试验。但是要了解其内部组织，只有经过取样、打磨、抛光、腐蚀显示之后，在金相显微镜下观察到金相组织。为什么要观察焊缝金相组织？若要获得优良的焊缝，首先要遵守工艺，严格控制焊接参数，控制输入的热量（俗称线能量）。线能量太高会使焊缝过热，出现过热组织，晶粒粗大，对焊缝力学性能不利。所以要观察焊缝金相组织。主要有以下八种组织。 铁素体 用符号F表示，其特点是强度和硬度低，但塑性和韧性很好。含铁素体多的钢（如低碳钢）就具有软面韧性好的特点。 渗碳体 是碳和铁的化合物（分子式Fe3C2），其性能与铁素体相
8、反，硬而脆。随着钢中含碳量增加，渗碳体含量也增加，硬度、强度增加，塑性、韧性下降。 珠光体 是铁素体、渗碳体二者组成的机械混合物，用符号P表示，其性能介于铁素体和渗碳体之间，其硬度和强度比铁素体高。但是因为珠光体中的渗碳体要比铁素体少得多，所以珠光体脆性并不高。在高位显微镜下可以清楚地看到珠光体中的片状铁素体与渗碳体一层层地交替分布，随着片层密度增大、层间距减小，珠光体硬度和强度增高，但塑性和韧性下降，总的评价是，其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高、硬度适中，有一定的塑性。 奥氏体 用符号A表示，其强度和硬度比铁素体高，塑性和韧性良好，无磁性。 马氏体 用符号M表示，有很高的强度和硬度
9、，很脆，塑性很差，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。马氏体加热后容易分解为其他组织。 贝氏体 是铁素体和渗碳体的机械混合物，介于珠光体和马氏体之间的一种组织，用符号B表示。根据形成温度不同分为：粒状贝氏体、上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。粒状贝氏体强度较低，但上仍较好的韧性；B上韧性最差，B下既具有较高的强度，又具有良好的韧性。 魏氏组织 是一种过热组织，由彼此交叉约60的铁素体针片嵌入钢的基体而成的显微组织。碳钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定的速度冷却时很容易形成魏氏组织，粗大魏氏组织使钢材（或焊缝）塑性、韧性下降，脆性增加。 莱氏体 大于727的莱氏体称为高温莱氏体；小
10、于727的莱氏体称为低温莱氏体，莱氏体性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。三、影响焊缝金属的杂质和气体1. 硫硫是焊缝中有害元素之一，它与铁生成低熔点的硫化铁（FeS）。焊接时FeS会导致焊缝热裂和热影响区出现液化裂纹，使焊接性能变坏，降低冲击韧性和耐蚀性，促使产生偏析。同时，硫以薄膜形式存在于晶界，使钢的塑性和韧性下降。熔液中的Mn、MnO、CaO具有一定的脱硫作用，与硫反应后，生成MnS、CaS都进入熔渣中。由于MnO、CaO均属碱性氧化物，在碱性熔渣中含量较多。所以碱性熔渣脱硫能力比酸性熔渣强。因此，焊接含硫偏高的钢材，采用碱性焊条具有抗裂作用。2磷磷也是焊缝中尚存的有害元素之一，它会
11、增加钢的冷脆性，恶化钢的焊接性能，大幅度降低焊缝金属的冲击韧性。焊接奥氏体类钢或焊缝中含碳量较高时，磷会促使焊缝金属产生热裂纹。由于碱性熔渣中含有CaO，所以脱磷效果比酸性熔渣好，当然最好的办法是在母材及焊接材料中限制硫、磷的含量。3焊接区内的气体（1） 气体的来源焊接过程中，焊接区内充满大量气体，主要有CO、CO2、H2等。由于焊条、焊丝、工件潮湿，有油污、铁锈，受热后产生气体以及空气侵入熔池。采用低氢型焊条施焊时，焊缝含氢量比较低，用CO2气体保护焊时，含氢量最低。氢使焊缝塑性严重下降，是产生气孔的根源，也会导致延迟裂纹的产生，还会在拉伸试样断面上出现白点。减少焊缝金属含氢量常用的措施有：
12、 消除焊件和焊丝表面上的铁锈、杂质和油污； 对焊丝、焊剂、焊条进行烘焙，保持干燥； 在焊条药皮和焊剂中加入适量的氟石（CaF2）、硅砂（SiO2），具有较好的去氢效果； 采用低氢型焊条、超低氢型焊条和碱性焊剂； 在焊接低合金钢对接焊缝时，为防止焊接时吸入空气及潮湿，可在背面先用手工焊封底，正面用碳刨刨槽焊接，再反身将原先的封底焊刨去，正式封底焊，这样可防止底部吸入空气，效果很好。（2） 氧气氧气主要来源于空气、药皮和焊剂中的氧化物、水分及焊接材料表面的氧化物。焊缝金属中含氧量增加，焊缝强度、硬度和塑性会明显下降，出现热脆、冷脆和时效硬化，并在焊缝中形成气孔。在焊接材料中加入脱氧剂，以铁合金的形
13、式加入到药皮中去，如锰铁、硅铁等。埋弧焊常采用合金焊丝，如H08MnA、H10MnSi等，脱氧效果较好。所以用碱性焊条施焊，其含氧量较低，塑性、韧性相应提高。因此，碱性焊条常用来焊接低合金钢及重要结构。（3） 氮气氮气主要来自焊接区周围的空气。氮是提高焊缝金属强度、降度塑性和韧性的元素，也是导致焊缝中产生气孔的原因之一。四、钢材的焊接性碳钢的焊接性（又可焊性）主要取决于含碳量，随着含碳量增加，焊接性逐渐变差。把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，称为该钢材的碳当量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，其含量增加，焊接性变差，但其作用不如
14、碳强烈。国际焊接学会推荐的碳当量公式，适用于含碳量不小于0.18%的低合金高强度钢（b400700MPa），公式为Mn CrMoV NiCuCeqC（）6 5 15碳当量值只能在一定范围内概括地、相对地评价钢材的焊接性。因为碳当量只表达了钢材的化学成分对焊接性的影响，其他如焊件的刚性、焊接时冷却速度、焊接热循环中的最高加热温度和高温停留时间等参数均会影响可焊性。例如同一化学成分的钢材，焊接过程中由于冷却速度不同，可以得到不同的焊缝组织。冷却速度快，易产生淬硬组织，焊接性就会变差，当钢材碳当量值相等时，不能看成焊接性完全相同。必要时可按下列公式计算出冷裂纹敏感系数Pcm代替碳当量，来衡量钢材的可
15、焊性。此公式适用于含C0.070.22、含Mn0.41.4、b400900MPa的低合金高强度钢，计算公式为Si MnCuCr Ni Mo VPcmC5B（）30 20 60 15 10此公式为日本依藤（ITO）公式。根据经验，Ceq0.6，淬硬倾向大，较难焊接，焊前需认真预热，并严格控制焊接工艺参数。常用材料的碳当量Ceq见表1（供参考）。表1 常用材料的碳当量Ceq强度等级b/MPa钢 号Ceq/强度等级b/MPa钢 号Ceq/强度等级b/MPa钢 号Ceq/41009MnV0.2841014MnNb0.31600SniCrMoV0.7809MnNb0.2610MnNbHP0.3112Ni
16、3CrMoV0.6509Mn20.3015MnV0.4012MnCrNiMoVCu0.5812Mn0.3544054015MnVN0.4314MnMoNbB0.5512MnCrHP0.4014MnVTiRE0.41中合金钢40Cr0.7012MnV0.3714MnMoVg0.5030CrMnSiA0.7016Mn0.3914MnMoNbg0.5530CrMnSiNi2A0.85五、焊缝余高与应力集中1. 对接焊缝余高钢结构焊缝外形尺寸（TB/T7949-1999）4.1条中规定：焊缝外形应均匀，焊道与焊道及焊道与基本金属之间应平滑过渡，焊缝余高H列入表2中；壳管式换热器压力容器（GB150-1
17、998）以及球罐（GB12337-1998）中关于对接缝余高H也列入表2中，以便对照。 焊缝余高C，过去称为增强量，易误解为是增强焊缝的，高了对强度有利。其实过分高了，物极必反，反而对强度不利，这是因为会产生应力集中，如图2所示，引入应力集中概念。原来长方形板是连续的，平均应力bF/(B)，板边开了缺口，产生了应力集中，局部峰值应力为max，集中系数KTmax/m。焊接接头中产生应力集中的原因如下。 工艺缺陷中，如气孔、夹渣、裂纹、未焊透（以裂纹及未焊透引起应力集中最严重）； 不合理的焊缝外形，余高C太高，使角增加，焊缝外形不光滑，余高与母材相交处突变，角太小，以及角焊缝余高太高，焊趾太大。
18、不合理的接头设计，接头截面突变，采用衬垫板的对接接头不合理，易造成应力集中。对接接头应力集中，主要取决于C、及。从表2中DBJ 08-21695对应的示意图进行分析，10mm，当C4mm，0.5时，KT2.4，3.0时，KT1.5；当C2mm，0.5时，KT1.8，3.0时，KT1.3。由此可见，C减小，增加，则应力集中系数KT降低；越小，KT越大，对强度越不利。现在焊缝增强量改称余高，要改变过去那种增强量越高越好的观念。把过多的熔敷金属（焊条）堆积在焊缝上，浪费材料，造成变形，极不经济，因此，要严格控制焊缝余高。为了焊缝强度，减少应力集中，必须注意余高与母材合理过渡（降低C，加大）。2. T
19、形接头焊缝余高图3(b)结构开坡口并焊透，大大降低T形接头、十字接头、角接接头应力集中。其焊趾尺寸不小于t/4，熔敷金属量为不开坡口的67.5。设计有疲劳验算要求的吊车梁或类似构件的腹板与上述结构连接焊缝的焊趾尺寸et/2，熔敷金属量为不开坡口的75%焊趾尺寸允许偏差为04mm。如图3(b)所示的结构，可以降低应力集中，提高焊缝强度，又可节约人力物力，降低成本，提高经济效益。六、引弧板、引出板和包角焊（1）引弧板和引出板引弧时由于电弧对母材的加热不足，应在操作上防止产生熔合不良、弧坑裂纹、气孔和夹渣等缺陷的发生，并不得在非焊接区域的母材上引弧和防止电弧击痕。当电弧因故中断或到焊缝终端时，应防止
20、产生弧坑及发生弧坑裂纹，见图4。压力管道和压力容器的薄弱环节是纵缝（其受力是端缝一倍），纵缝的薄弱环节是两端（即引弧端和熄弧端）。为了保证焊接质量，在对接焊的引弧端和熄弧端，必须安装与母材相同材料的引弧板和引出板，其坡口形式和板厚原则上应与母材相同。引弧板和引出板的长度：手工电弧焊及气体保护焊为2560mm，半自动焊为4060mm，埋弧自动焊为50100mm，熔化嘴电渣焊为100mm以上。引出板焊接后，当筒体在压力机上或辊床上校正之后，一般可用气割方法将其割去，气割时在距母材35mm处进行，然后用砂轮打磨平整。严禁用锤击落，以防在焊缝端部产生裂纹。（2）包角焊当角焊缝的端部在构件上时，转角处宜
21、连续包角焊，起落弧点不宜在端部或棱角处，应距焊缝端10mm以上，弧坑应填满，见图5。七、焊接热效率、热循环、线能量、预热温度和层间温度1. 焊接热效率焊接过程中，由电极（焊条、焊丝、钨极）与工件间产生强烈气体放电，形成电弧，温度可达6000，是比较理想的焊接热源。由热源所产生的热量并没有全部被利用，而有一部分热量损失于周围介质和飞溅中。被利用的热占发出热的百分比就是热效率。它是一个常数，主要取决于焊接方法、焊接工艺、极性、焊接速度以及焊接位置等。各种焊接方法的热效率见表3。表3 各种焊接方法的热效率焊接方法碳弧焊手工电弧焊埋弧焊钨极氩弧焊熔化极氩弧焊电渣焊电子束焊激光焊交流(AC)直流(DC)
22、钢铝热效率0.50.60.770.890.770.990.680.850.780.850.660.690.700.850.800.900.902. 焊接热循环在焊接热源作用下，焊件某点的温度是随着时间而不断变化的，这种随时间变化的过程称为该点的焊接热循环。当热源靠近该点时，温度立即升高，直至达到最大值，热源离去，温度降低。整个过程可以用一条曲线表示，此曲线称为热循环曲线，见图6。距焊缝越近的各点温度越高，距焊缝越远的各点，温度越低。焊接热循环的主要参数是加热速度、加热所达到的最高温度、在组织转变温度以上停留的时间和冷却速度。加热到1100以上区域的宽度或在1100以上停留时间t，即使停留时间不
23、长，也会产生严重的晶粒粗大，焊缝性能变坏。t越长，过热区域越宽，晶粒粗化越严重，金属塑性和韧性就越差。当钢材具有淬硬倾向时，冷却速度太快可能形成淬硬组织，极易出现焊接裂纹。从t8/5可反映出此情况，有时还常用650时的冷却速度650或800300的冷却时间t8/3来衡量。应当注意的是熔合线附近加热到1350时，该区域的冷却过程中约540左右时的瞬时冷却速度，或者800500时的冷却时间tP8/5对焊接接头性能影响最大，因为此温度是相变最激烈的温度范围。影响焊接热循环的因素有：焊接规范、预热温度、层间温度、工件厚度、接头形式、材料本身的导热性。3. 焊接线能量熔焊时，热源输给焊缝单位长度上的能量
24、，称为焊接线能量。电弧焊时的焊接规范，如电流、电压和焊接速度等对焊接热循环有很大影响。电流I与电压U的乘积就是电弧功率。例如，一个220A、24V的电弧，其功率W5280W，当其他条件不变时，电弧功率越大，加热范围越大。在同样大的电弧功率下，焊接速度不同，热循环过程也不同，焊接速度快，加热时间短，冷却得快；焊接速度慢，则相反。为了综合考虑焊接规范参数对热循环的影响，就引入“线能量q”这一概念。线能量是输入焊缝单位长度内的焊接热量。IUq 式中 q线能量，J/mm；I焊接电流，A；U电弧电压，V；焊接速度，mm/s。例如4mm焊条，I180A，U24V，2.2mm/s时，线能量q2160J/nn
25、。线能量q与IU成正比，与成反比。不锈钢焊接一定要采用小电流快速焊，保持在最低值，可以提高接头的耐蚀性。线能量增大时，热影响区宽度增大，1100以上停留时间）增加，800500的冷却时间延长，650时的冷却速度减慢。表4列出了线能量和预热温度对焊接热循环参数的影响。表5列出了三种焊接方法线能量q的比较。从表4可以看出，线能量从2000J/mm增加到3840J/mm时，在1100以上停留时间从5s增加到16.5s，而650时的冷却速度从14/s下降到4.4/s。表4 线能量和预热温度对焊接热循环参数的影响线能量/J.mm-1预热温度/1100以上停留时间/s650时的冷却速度/.s-1线能量/J
26、.mm-1预热温度/1100以上停留时间/s650时的冷却速度/.s-1200027514200026054.438402716.54.43840260171.4表5 三种焊接方法线能量q比较焊接方法焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/mm.s-1线能量/J.mm-1手工电弧焊180242.51720手工TIG焊160112.5700埋弧自动焊700386.63190从表5可以看出，埋弧自动焊q最大，手工电弧焊q最小。生产中根据钢材成分、工件的技术要求，在保证焊缝成形良好的前提下，适当选择焊接方法，调节焊接规范，以合适的线能量焊接，可以获得优质的焊接接头。线能量过大会使焊接接头过热，晶粒粗大，对
27、接头塑性和韧性不利。对于低温钢和强度等级较高的低合金钢，更应严格控制焊接线能量，才能保证焊接接头性能。经验表明，碳当量Ceq0.4%的低合金钢，焊接线能量就应加以控制。4. 预热温度预热的主要目的是为了降低焊缝和热影响区的冷却速度，减小淬硬倾向，防止冷裂纹。合理预热还可以改善焊接接头的塑性，减少焊后残余应力。从实践中得出的经验，下列焊件或环境下需要对焊件进行预热： 焊接强度级别较高的焊件； 焊接有淬硬倾向的钢材； 焊接导热性特别好的材料； 刚性大较大、厚度较大的焊件； 当焊接区域周围环境温度低于0时； 设计图纸技术要求中特别注明的焊件。预热温度应根据材质结构点而定。钢结构施工及验收规范中规定：
28、焊件厚度50mm的碳素结构钢，36mm的低合金结构钢，施焊前应进行预热，焊后应进行后热，预热温度控制在100150，预热区域为焊道两侧，每侧宽度应大于2且不小于100mm，为板厚。环境温度低于0时，预热、后热温度应根据工艺试验确定。结合某些工厂的生产实践，关于16Mn钢低温焊接预热温度的规范见表6。表6 16Mn钢低温焊接预热温度板厚/mm不同气温时的预热温度板厚/mm不同气温时的预热温度16不低于10，不预热；低于10预热1001502540不低于0，不预热；低于0预热1001501624不低于5，不预热；低于5预热10015040均预热10015016Mn钢出现裂纹的可能性还与接头形式、结
29、构刚性等因素密切相关，T形接头散热最快，淬硬倾向最大；对接接头散热最缓；十字接头介于两者之间。从刚度比较，十字接头刚性最大，故其裂纹倾向也最大；T形接头、搭接接头裂纹程度较轻，有时裂纹往往出现在头道焊缝和焊根上，因此焊接大刚性、大厚度焊件时，头道焊缝的焊接工艺很关键。同样在低温下焊接，气候越潮湿，则出现裂缝的倾向性就越大。5. 层间温度多层多道焊对改善焊接性能有着特殊作用，它不仅由于焊接线能量小可以改善焊接接头的性能，而且由于后焊焊道对前一焊道及其热影响区进行再加热，使加热区组织和性能发生相变重结晶，形成细小的等轴晶，使塑性和韧性得到改善。层间温度是指多层多道焊时，当焊接后道焊缝时，前道焊缝的
30、最低温度。对于要求预热焊接的钢材，层间温度一般应等于或略高于预热温度，若层间温度低于预热温度，应重新进行预热，控制层间温度也是为了降低冷却速度，并可促使扩散氢逸出焊接区，有利于防止产生裂纹。八、焊接接头剖析人体是由无数细胞组成，健康的细胞保证了人体的健康。一项钢结构工程是由无数个焊接接头组成，接头质量的好坏，关系到安全使用。焊接接头既然如此重要，不妨将焊接接头分析一下，逐个分析其利害关系。从图7中可以看出，焊接接头由四部分组成：焊缝、熔合区、热影响区、热应变脆化区等。在焊接过程中，各区进行着不同的冶金过程，并分别经常不同的热循环和应变循环的作用，各区的组织和性能有较大差异。1. 熔合区这种冶金过程比炼钢炉复杂得多，
