毕业设计（论文）高压锅炉的壳体焊接工艺设计.doc

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1、1 绪 论所谓的焊接就是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到结合的一种方法，别结合的两个物体可以事各种各类或不同类的金属、非金属（石墨、陶瓷、塑料等），也可以是一种金属与非金属，但是，目前工业中应用最普遍的还是金属之间的结合。焊接技术自20世纪初期以后，几十年来获得迅猛发展，目前焊接结构已经基本上取代了铆接结构，并部分代替铸造和锻造结构。焊接结构的用材量占钢产量的近50，已广泛地应用于航空、航天、原子能、化工、造船、海洋工程、电子技术、建筑、机械制造等工业部门。随着现代工业的发展和科学技术的进步，对焊接构件的性能提出了更高、更苛刻的要求，除需满足通常的力学性能外，还要满

2、足如耐磨性、高温强度、耐腐蚀性、低温韧性、导电性、导热性等多方面的性能要求。在这种情况下，任何一种金属材料都不可能完全满足整体焊接结构的使用要求，即使可能有某种金属材料相对比较理想一些，也常常由于十分稀缺、价格昂贵，而不能在工程中实际应用，而异种材料焊接的出现很好的解决了这一问题。特别是异种钢的焊接，最大限度的利用了各种钢的性能，做到了“物尽其用”的效果。压力容器在工业生产和日常生活中有重要的用途，但是它的工作环境经常十分恶劣，所以压力容器用钢需要具有良好的焊接性和力学性能。如13MnNiMoNbR钢是我国在80年代末引进外国的配方研制的。由于含碳量低（0.16）合金配方合理，使这类钢具有较高

3、的强度和韧性，并举有良好的焊接性。压力容器由于其温度、压力、结构、用途和介质的腐蚀程度等因素变化相当大，所以种类也非常之多。 1按压力容器技术特性分类 根据容器承受的压力(p)分为低压、中压、高压、超高压四类。具体划分如下： (1)低压容器：p157MPa(16kgfcm2) (2)中压容器：157MPa(16kgfcm2)p981MPa(100kgfcm2)(3)高压容器：981MPa(100kgcm2)p981MPa(1000kgfcm2) (4)超高压容器：p981MPa(1000kgfcm2) 2在国家压力容器安全监察规程中，把压力容器统一划分为受监察和不受监察两类。凡同时具备下列三个

4、条件的容器属于受监察容器：(1)最高工作压力(Pww)0.098MPa(kgfcm2)(不包括液体静压力)； (2)容积(V)25L，且P。V196LMPa(200Lkgf/ cm2)； (3)介质为气体、液化气体和最高工作温度高于标准沸点(指在一个大气压下的沸点)的液体。 依据受监察容器的压力高低、介质的危害程度以及生产过程中的重要作用，又将容器分为三类。 类容器： (1)非易燃或无毒介质的低压容器； (2)易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器。 类容器； (1) 高、超高压容器； (2) 剧毒介质的低压容器； (3)易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器； (4)内径小于lm的低压废热锅

5、炉。 类容器： (1)高压、超高压容器； (2)剧毒介质且P。V196LMPa(2000Lkgfcm2)的低压容器或剧毒介质的中压容器； (3)易燃或有毒介质且P。V490LMPa(5000Lkgfcm2)的中压反应容器，或P。V4900LMPa(50000Lkgfcm2)的中压贮运容器； (4)中压废热锅炉或内径大于1m的低压废热锅炉。2 13MnNiMoNbR钢的焊接性分析2 13MnNiMoNbR 的化学成分焊接性刚的焊接性主要取决于化学成分，这类钢一般加入了0.5，Ni是固溶强化元素，Mo可以提高强度，细化组织，并提高钢的中温耐热性，但含Mo钢在正火后望望得到上贝氏体和少量的铁素体，韧

6、性和塑性指标都不高，必须在正火后进行回火才能获得良好的塑性和韧性。13MnNiMoNbR钢的化学成分见表2-1,力学性能见表2-2。 表2-1 母材的化学成分（质量分数）（） C Si Mn S P Cr Ni Mo Nb Fe0.1440.4031.416 0.00390.0030.2980.8300.3450.0115余量表2-2 母材的力学性能抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 Rc/MPa 断后伸长率 A（） 冲击吸收功AK /J(常温) 649.5 461 26 142但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性也变差。焊接的问题主要来自两个方面：焊接裂纹和热影响区母材性能下降。2.1 焊接

7、裂纹2.1.1 焊接中的结晶裂纹 热轧及正火钢的含碳量比较低，并且含有一定的锰，Mn/S比值一般可以达到防止结晶裂纹的要求，13MnNiMoNbR钢的焊接时若碳和硫同时居上限或存在严重的偏析，则有产生结晶裂纹的可能。在这种情况下，应采取必要的防治措施。图2-1所示碳、硫和锰对结晶裂纹的影响曲线可知，为了防止结晶裂纹，应在提高焊接锰量的同时降低碳、硫的含量。具体措施可选用脱硫能力较强的低氢型焊条，埋弧焊时选用超低碳焊丝配合高锰高硅焊剂，并从工艺上降低融合比。 图2-1 C、S、Mn对焊接接头结晶裂纹的影响防止结晶裂纹的措施 主要从冶金和工艺两个方面着手，其中冶金方面更重要一些。(1)控制焊缝中的

8、硫、磷、碳等有害元素的含量；(2)对熔池进行变质处理 可细化晶粒，可提高力学性能和抗结晶能力；(3)调整熔渣的碱度 碱度越高，熔池中的脱硫、脱氧越完全；(4)调节焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数；(5)调整冷却速度；(6)调整焊接顺序，降低拘束应力。2.1.2 焊接冷裂纹国际焊接学会（W）碳当量计算公式：CE=C+Mn/6+ (Cr+Mn+V)/5+(Cr+Ni) /15()计算出13MnNiMoNbR 的含碳量为0.573说明有一定的冷裂倾向，需要采取必要的工艺措施。产生冷裂纹的三个基本因素如下：(1)氢的影响 导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。实验证明，随着焊缝中扩散氢含量的增加

9、，冷裂纹率提高。例如，用含有较多有机物的焊条（如氧化钛纤维素型）进行焊接，出现了大量的焊道下裂纹；而用低氢型焊条焊接时，则出现或很少出现焊道裂纹。如图1-2所示在电弧气氛中加入不同量的氢实验的结果，焊道下裂纹率也随着焊氢量的增加而上升。 (2)钢的淬透性 一般来说钢的淬硬倾向越大，则接头中出现马氏体的可能性越大越易产生冷裂纹。特别是合金钢含有较多的合金元素增加了钢的淬透性，在焊接后冷速很大的时候易产生马氏体，马氏体含量对冷裂纹率的影响如图1-3所示，可以看出，冷却速度提使马氏体含量增加，导致裂纹率上升。这个规律对各种钢都是适用的，只是钢种的化学成分不同时，因马氏体的形态不同而产生冷裂纹的临界马

10、氏体含量不同。总之，钢种的淬硬倾向决定了接头中硬脆组织的数量，是促使冷裂纹形成的又一重要因素。图1-2 电弧气氛中含氢量对焊道下裂纹率的影响a）试件尺寸 b）裂纹率与气氛中的含碳量HAZ的组织及硬度错误！未指定书签。图 1-3 马氏体含量与冷却速度的关系及其对 热影响区冷率的影响RF拘束度（3）焊接接头的拘束应力 焊接接头的拘束应力包括接头在焊接过程中因加热不均匀所承受的热应力、相变力、结构自身几何因素所决定的内应力。上述三方面的应力都是不可避免，由于都与拘束条件有关而统称为拘束应力，拘束应力也是形成冷裂纹的重要因素之一。上述三个要素的作用是相互联系，相互制约的，不同条件下起主要作用的因素不同

11、。2.1.3 消除应力裂纹消除应力裂纹又称为再热裂纹。经研究确认，消除应力裂纹的产生是由于晶界优先滑动而导致微裂纹发生并扩展所致。即焊后再热时，在残余应力松弛过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形量超过了该部位的塑性变形能力，就会产生消除应力裂纹。理论上消除应力裂纹产生的条件可用下式表示 ee0式中 e粗晶区局部晶界的实际塑性应变； e0粗晶区局部晶界的塑性变形能力，即不产生开裂的临界应变量。图2-4 消除应力裂纹沿晶开裂情况 图2-5 13MnNiMoNbR钢消除应力裂纹的部位防止消除应力裂纹的措施：（1）选用对消除应力裂纹敏感性低的母材；（2）选用低强高塑性的焊接

12、材料；（3）控制结构刚性与焊接残余应力；（4）工艺方面的措施。1）预热：预热是防止消除裂纹的有力措施之一，在200450范围内预热可以取得较好效果，为防止消除裂纹，应将原定的预热温度适当的提高。2）焊后及时进行后热处理：后热可起到与预热相同的效果，并可降低预热温度。以18 MnNiMoNb钢为例，为防止冷裂纹及消除裂纹，则应将预热温度t0 提高到230。如果在焊后及时进行1802h的后热，则t0可降到4503)控制线能量：线能量对消除应力裂纹的影响比较复杂，与钢种的成分、热影响区的状态和残余应力的分布等因素有关。对于条件一定的具体结构而言，一般的规律是增大线能量，可降低冷却速度，减小残余应力，

13、使消除应力裂纹倾向减小。但是线能量过大，则会使热影响区奥氏体晶粒粗化，反而是消除应力裂纹倾向增大。低碳钢中大都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除应力裂纹敏感性的元素，其中作用最大的是V，其次是Mo，因而二者共存时情况最严重。一般认为Mo-V钢，特别是Cr-Mo-V钢对消除应力裂纹的敏感性最高，Mo-B钢、Cr-V钢也有一定的敏感性。不同成分的钢对消除应力裂纹敏感的温度不尽相同，焊接时可通过降低退火温度、进行适当预热或后热等措施，防止消除应力裂纹。2.1.4 层状撕裂层状撕裂产生的根本原因是钢中存在夹杂物 。钢在轧制过程中夹杂物被轧成片状，平行于钢板表面眼轧制方向分布。这种片状夹杂物的

14、存在，大大削弱钢板在厚度方向的力学性能，特别是断面收缩率（Ak）大大降低。防止层状撕裂的措施：(1)控制夹杂物，特别是硫化物 薄片状夹杂物相当于金属内部尖锐的缺口，使钢板的Z向力学性能大大降低，经实验证明，当钢种含硫量极低时，各个方向的 塑性指标均有提高，层状撕裂敏感性随之降低。(2)防止母材脆化 焊接中发生过热区粗晶脆化、应变时效脆化及氢脆等，母材层状撕裂的敏感性明显增加，在焊接中应采取预热、保温缓冷、控制层间温度等降低冷却速度。(3)设计和工艺上的措施：1）尽量采用双侧焊缝，避免单侧焊缝。可以缓和焊缝根部的应力分布并减小应力集中。2）在强度允许的条件下，尽量采用焊接量小的对称角焊缝来代替焊

15、接量大的全焊透焊缝，以减小应力。3）对于T形接头 可在横板上预堆焊一层强度低的金属，以防止出现焊根裂纹，可缓解作用在横板上Z向应力。2.2 热影响区性能的变化热轧及正火钢焊接时，热影响区性能的主要变化是过热区脆化和可能发生的热应变脆化。（1）过热区脆化 过热区的加热温度在1200固相温度范围内，高的加热温度造成奥氏体晶粒严重粗化及难熔质点（氮化物、碳化物）溶如固溶体，在这些都将明显影响过热区的性能。具体变化则随钢种成分不同而异，而且与焊接工艺（主要是线能量）有密切关系。正火钢的过热区催化的原因与魏氏组织无关，除晶粒粗化外，主要是由于在1200的高温下，起沉淀强化作用的碳化物、氮化物质点分解并溶

16、解于奥氏体中，而在随后的冷却过程中来不及在析出而固溶在基体中，结果使铁素体的硬度上升，韧性下降。所以正火钢过热区的韧性随线能量的增加而下降，并与沉淀强化元素的含量有关。其实质是由于焊接热源的高温作用，使母材焊前的正火效果消失的结果。当然，在钢中若含有较多的碳和合金元素时（如13MnNiMoNbR钢），也应注意快冷时发生马氏体转变而造成的脆化。（2）热应变脆化 热应变脆化是焊接过程中在热和应变同时作用下产生的一种应变时效，它是由于固溶的氮所引起的。它的形成机理虽有很多的论述，但至今尚未有明确、一致的结论，多数人认为，是碳、氮原子集聚在位错附近对位错产生钉扎作用而引起的。一般认为在200400是最

17、为明显，消除应变脆化的有效措施是进行焊后热处理，经600左右的消除应力退火后，材料的韧性可恢复到原来的水平。改善热影响区的性能的措施：(1)焊后热处理 焊后热处理（如正火或正火+回火）可以改善组织，有效的提高性能，是重要产品制造过程中常用的一种工艺方法。但是对于大型的、复杂的或在工地装配的结构即使采用局部热处理也很困难，因此焊后热处理的应用很有效。(2)合理制订焊接工艺 包括正确选择预热温度、合理控制焊接参数及后热等。3 高压锅炉常用的焊接方法及焊接工艺分析3.1 焊条电弧焊的简介及工艺分析3.1.1 焊条电弧焊原理、特点及应用用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法称为焊条电弧焊（缩写SMAW，I

18、SO代号为111）。它是利用焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧，使焊条和焊件熔化，从而获得牢固的焊接接头，原理如图3-1。图3-1 焊条电弧焊的原理1药皮 2焊心 3保护气 4电弧 5熔池 6母材 7焊缝 8渣壳 9熔渣 10熔池焊条电弧焊具有设备简单、操作方便、适应性强，对焊接头的装配要求低、能在空间任何位置焊接，但对焊工技术要求高、劳动条件差、生产效率低、焊接质量依赖程度高等的特点。所以被广泛应用于造船、锅炉及压力容器的制造、机械制造、建筑结构、化工设备制造等工业领域。3.1.2 焊前准备用气割或碳弧气刨加工坡口时，应保证加工面的质量，防止其表面凸凹不平，不合格的予以修磨，坡口表面不得

19、有裂纹、夹渣、分层等缺陷，否则予以去除或修补。清除坡口及其两侧1020mm范围内的油污、铁锈、氧化皮等赃物。焊条应按照规定的温度烘干，入炉和出炉的温度不应过高，以防药皮脆裂。3.1.3 焊接接头形式、坡口和焊缝（1）接头形式 用焊接方法连接的接头成为焊接接头常用的接头形式有：对接接头、搭接接头、角接接头、和T型接头。选择焊接接头形式主要根据产品的结构，并综合考虑受力条件、加工成本等因素。（2）坡口 坡口是根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状并经装配后构成的沟槽。坡口形式取决于焊件接头形式、焊件厚度以及对接头质量的要求，国家标准GB/T985-1988对此作了详细的规定。 对接

20、接头是焊接结构中最常见的接头形式。根据板厚不同对接接头常用的坡口形式有I形，Y形，X形，带钝边U形等。角接接接头和T形接头的坡口形式可分为I形、带钝边的单边V形坡口和K形坡口等。（3）焊缝 焊缝是指焊件经焊接后所形成的结合部分。按空间位置可分为平焊缝、横焊缝、立焊缝及仰焊缝四种形式；按结合方式可分为对接焊缝、角焊缝及塞焊缝。按焊缝断续情况可分为连续焊缝和断续焊缝两种形式。3.1.4 焊接工艺参数及选择焊条电弧焊的焊接工艺参数包括：焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源种类和极性、焊接层数等。焊接工艺参数选择的正确与否，直接影响焊缝形状、尺寸、焊接质量和生产率。（1）焊条直径 焊条直径指焊

21、芯直径。它是保证焊接质量和效率的重要因素。焊条直径的选择一般根据焊件厚度选择，还应考虑接头形式、施焊位置和焊接层数，对于重要的焊接结构还要考虑焊接热输入的要求，一般情况，焊条直径与焊件厚度之间关系的参考数据见表3-1。表3-1 焊条直径与工件厚度之间的关系焊件厚度mm2 3 45 612 13焊条直径mm 2 3.23.2445 46（2）焊接电源种类和极性的选择 用交流电源焊接时，电弧稳定性差。采用直流焊接时，电弧稳定、飞溅少，但电弧磁偏吹较交流严重。低氢型焊条稳弧性差，通常必须采用直流焊接电源，且一般来说用反接，因为反接的电弧比正接稳定。 （3）焊接电流的选择 选择焊接电流时，应根据焊条类

22、型、焊件直径、焊件厚度、接头形式、焊接位置和层数等因素综合考虑。焊接电流选择不当易造成未焊透、夹渣或咬边、焊穿金属飞溅等。对于一定的直径的焊条有一个合适的电流范围，可参考表2-2。表3-2 焊接电流和焊条直径的关系焊接直径mm1.62.02.53.2456焊接电流A254040655080100130160210200270260300在相同焊条直径的条件下，平焊电流可大一些，其它位置焊接电流应小一些。相同条件下，碱性焊条的焊接电流比酸性焊条小10左右（4）焊缝层数的选择 在焊接厚度较大时，往往要进行多层焊，对于低碳钢和强度低的低合金钢的多层焊时，焊层厚度不能太大，对于质量要求高的焊缝，每层厚

23、度不超过45mm。焊层厚度主要依据焊件厚度、焊条直径、坡口形式和装配间隙等来确定，可按下面公式估算：n=d式中, n为焊接层数: 为焊接厚度(mm): d为焊条直径(mm)。(5)电弧电压与焊接速度 焊条电弧焊的电弧电压主要由电弧长度来决定:电弧越长,电弧电压越大；电弧越短，电压越小。在焊接的过程中应尽量使用短弧焊接。立焊、仰焊时，焊接电弧应比平时更短，以利于溶滴的过渡。3.1.5 焊接应严格按照焊接工艺或焊接文件的要求进行。焊接过程中，焊接速度应该均匀适当，既要保证焊透又要保证不焊穿，同时还要使焊缝宽度和余高符合设计的要求。3.2 埋弧焊的简介及工艺分析埋弧焊是目前广泛使用的一种生产效率较高

24、的机械焊接方法。它与焊条电弧焊相比，虽然灵活性差一些，但焊接质量好、效率高、成本低，劳动条件好。3.2.1 埋弧焊的原理及特点 埋弧焊（英文缩写SAW，ISO代号为12），是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。是利用焊丝和焊件之间燃烧的电弧产生热量，熔化焊丝、焊剂和母材而形成焊缝的。 焊接过程如图3-2图3-2 埋弧焊焊接过程1V型坡口 2焊道 3焊渣 4焊剂挡板 5接电源 6接自动送丝装置 7接焊剂漏斗 8焊剂输入导管 9焊剂 10接电源11母材 12电极（焊丝或焊带） 13引弧板14衬垫埋弧焊主要有生产率高、焊缝质量好、焊接成本低、劳动条件好的优点，有难以在空间位置施焊、对焊件装配质量要求高

25、、不适合焊接薄板和短焊缝。它广泛用于造船、锅炉、化工容器、大型金属结构和工程机械等工业制造部门，是当今焊接生产中普遍使用的焊接方法之一。 3.2.2 焊前准备检查焊件坡口角度、钝边尺寸是否符合工艺文件的要求坡口面凸凹不平处应打磨修补，有裂纹、分层等缺陷应予清除。并清除破口及两侧各2030mm范围内的油污、铁锈、氧化物、熔渣和水分等有害物质。也应保证焊剂清洁粒度均匀，焊丝应清除表面的油渍和锈斑等。3.2.3 坡口的选择由于焊件的厚度为40mm，厚度较大，坡口应选择双V形、双U形，双Y形，必须保证能够焊透。本设计所选的坡口形式如图3-3。 图3-3 双Y形坡口3.2.4焊接工艺参数及选择埋弧焊工艺

26、参数分为主要参数和次要参数。主要参数是指那些直接影响焊缝质量和生产效率的参数，它们是焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝和焊剂的成分与配合、电流的种类及极性和预热温度等。对焊缝质量产生有限或无多大的影响的参数称为次要参数。厚板的工艺参数如下表3-3所示。表3-3 厚板多层焊接工艺参数 焊接层数焊丝直径 (mm) 焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度（m/h）第一、二层460070035372832 中间各层570080036382530 盖面层665075038422832焊接工艺方法确定后，即可按照钢材、板厚、和对接接头的要求，选择合适的焊剂和焊丝牌号，对于厚板或窄间隙埋弧焊接头，应选择能满足

27、接头性能要求又具有良好工艺性和脱渣性的焊剂。常用埋弧焊焊剂与匹配的焊丝牌号如表3-4。表3-4 常用埋弧焊焊剂的用途及配用的焊丝焊剂类型焊剂型号成分类型用途配用焊丝适用电流类型使用前焙烘（b）熔炼型熔炼型HJ130无Mn高Si低F低碳钢低合金钢H10Mn2交直流2250HJ131无Mn高Si低FNi基合金Ni基焊丝交直流2250HJ150无Mn中Si中F轧辗堆焊H2Cr13直流2250HJ151无Mn中Si中F奥氏体不锈钢相应钢种的焊丝直流2300HJ172无Mn低Si高F含Nb、Ti不锈钢相应钢种的焊丝直流2400HJ173无Mn低Si高FMn、Al高合金相应钢种的焊丝直流2250HJ230

28、低Mn高Si低F低碳钢低合金钢H08MnA H10Mn2交直流2250HJ250低Mn中Si中F低合金高强钢相应钢种的焊丝直流2350HJ251低Mn中Si中F珠光体钢CrMo钢焊丝直流2350HJ252低Mn中Si中F15MnVH08MnMoA直流2350HJ260低Mn高Si中F不锈钢不锈钢焊丝直流2400HJ330中Mn高Si低F低碳钢低合金钢H10Mn2交直流2350HJ350中Mn中Si中F低合金高强钢MnMo MnSi焊丝交直流2400HJ351中Mn中Si中FMnMo合金钢相应钢种的焊丝交直流2400HJ430高Mn高Si低F低合金高强钢H08AH08MnA交直流2250HJ43

29、1高Mn高Si低F低碳钢低合金钢H08A交直流2250HJ432高Mn高Si低F低碳钢低合金钢H08A交直流2250HJ433高Mn高Si低F低碳钢H08A交直流2350烧 结 型SJ101碱性重要的低合金钢H08MnA H08MnMoA交直流2350SJ301中性低碳钢锅炉钢H08MnAH08MnMoA交直流2350SJ401酸性低碳钢低合金钢H08A交直流2250SJ501酸性低碳钢低合金钢H08AH08MnA交直流2350SJ502酸性低碳钢低合金钢H08A交直流2300由于埋弧焊的电弧热效率较高，焊缝及热影响区的冷却速度较慢，因此对于一般焊件结构，板厚40mm以下的接头可不预热；厚度5

30、0mm以下的普通低合金钢，如施工现场的环境温度在10以上，焊前也不必预热；强度极限600MPa以上的高强钢或其他低合金钢，板厚20mm以上的接头应预热100150。后热焊后热处理通常只用于低合金钢厚板的焊接接头。综上所述，本设计将选择埋弧焊工艺。3.3 二氧化碳气体保护电弧焊的简介及工艺分析二氧化碳气体保护电弧焊（简称CO2焊，ISO代号为135），是利用CO2作为保护气的熔化极电弧焊方法。它以CO2气体作为保护介质，使电弧及熔池与周围空气隔离，防止空气中的氧、氮、氢对溶滴和熔池金属的有害作用，从而获得优良的机械保护性能。3.3.1 CO2焊的特点和应用CO2焊的成产率高、焊接成本低、焊接变形

31、小、焊接质量高、操作简便和使用范围广的优点，并且有飞溅率较大和焊缝表面成型差、抗风能力差、不能焊接容易氧化的有色金属和很难使用交流电源焊接的缺点。CO2焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属，焊缝要求不高的不锈钢焊件，还可以用于耐磨零件的堆焊、铸钢件的焊补以及电铆焊。目前CO2焊已在汽车制、机车和车辆制造、化工机械、农用机械、矿山机械等部门得到了广泛的应用。3.3.2 焊前准备检查焊件坡口角度、钝边尺寸是否符合工艺文件的要求坡口面凸凹不平处应打磨修补，有裂纹、分层等缺陷应予清除。并用氧乙炔火焰清除破口及两侧各2030mm范围内的油污、铁锈、氧化物、熔渣和水分等有害物质，焊丝应清除表面的油渍和

32、锈斑等。3.3.3 坡口的选择由于焊件的厚度为40mm，厚度较大，坡口应选择双Y形，必须保证能够焊透。坡口形式如图3-4。 图3-4 双Y形坡口3.3.4 焊接工艺参数及选择在CO2焊中，为了获得稳定的焊接过程，溶滴的过渡通常有两种形式，即短路过渡和细滴过渡。短路过渡在我国应用最为广泛，由于本设计高压蒸汽锅炉的板厚为40mm，应选用短路过渡。短路过渡CO2焊的特点是电弧电压比较低，焊接电流比较小。溶滴细小而过渡频率高，电弧非常稳定，飞溅小，焊缝成形美观。主要用于焊接薄板及全位置焊接。焊接薄板时生产率高，变形小，焊接操作容易掌握，对焊工技术水平要求不高。因而短路过渡得到广泛应用。（1）电弧电压与

33、焊接电流 为了实现短路过渡，电弧电压必须选取在1725V范围内。焊接电流则根据焊丝直径来选择。对于不同的焊丝直径，实现细滴过渡的焊接电流与电压是不同的。表3-5列出了不同直径焊丝选用的焊接电流与电弧电压。在一定焊丝直径下，选用较大的焊接电流，就要匹配较大的焊接电弧电压。合适的电流与电压的范围如图3-5所示。因为随着焊接电流增大，电弧对熔池金属的冲刷作用增加，势必恶化焊缝的成形。只有相应地提高电弧电压，才能减弱这种冲刷作用。表3-5 不同直径焊丝选用的焊接电流与电弧电压焊丝直径/mm电弧电压/V焊接电流/A0.5171930700.81821501001.01822701201.21923902

34、001.62226140300 焊接电流/A图3-5 合适的电弧电压和焊接电流（2）焊接速度 在其他条件不变的情况下，焊接速速减小时，单位长度上填充金属的熔敷量增加，使溶深有所减小焊缝宽度增加。焊接速度过慢，则引起过热，焊缝组织粗大，甚至烧穿。焊接速度的提高，熔池深度和焊缝宽度则减小。焊接速度过快，会引起焊缝两侧咬边或产生气孔、未焊透等缺陷。细滴过渡CO2焊的焊接速度较高，与同样直径焊丝的埋弧焊相比，焊接速度高0.51倍。常用的焊接速度为2036m/h。（3）焊丝伸出长度和焊丝直径 焊丝直径的选择，应根据工件厚度，施焊位置而确定。焊丝伸出长度越长，电阻热越大，焊丝熔化速度也越快，但保护效果差，

35、焊丝伸出长度过小时，喷嘴至工件的距离减小，易被堵塞，一般焊丝伸出长度为焊丝直径的10倍，约为515mm。（4）保护气流量 应选用较大的气体流量来保证焊接区的保护效果。保护气流量与焊接电流有关，在200A以下的薄板焊接时气体流量为1015L/min。通常在200A以上的厚板焊接时气流量为1525L/min。（5）电源极性 电源极性一般采用直流反极性，因为反极性接法飞溅小，电弧稳定，成行较好；同时焊缝焊氢量低，熔池深度大。3.3.5 CO2焊接时容易出现的问题合金元素烧损、气孔和飞溅是焊中的三个主要问题。（1）合金元素烧损 在焊接过程中，电弧高温氧化作用会使Fe、Si、Mn和C等合金元素烧损，在电

36、弧中，Ni、Cr、Mo过渡系数最高，烧损最少。Si、Mn的过渡系数则较低，因为它们中的想当一部分要耗于熔池中的脱氧。Al、Ti、Nb等元素的过渡系数更低，烧损比Si、Mn还要多。（2）气孔 CO2焊时，由于熔池表面没有熔渣的覆盖，CO2气流又有冷却作用，而熔池凝固快。如果焊接材料或焊接工艺处理不当，可能会出现CO气孔、氮气孔和氢气孔。CO气孔是由于C与Fe反应产生的CO气体来不及逸出而产生的。可用含有足够脱氧剂且含碳量低的焊丝或在工艺上用较大的热输入的焊接参数的措施来防止。氮气孔 是由于在熔池冷却过程中氮气没有及时逸出而形成的。可能的原因有：CO2保护气体的纯度不够，CO2气体的流量过小，喷嘴

37、被飞溅物堵塞，喷嘴与焊件之间的距离过大或焊接场有侧向风。防治措施有:选用较纯的，焊接时采用适当的焊接气体流量参数，检查气路是否有漏气或堵塞，增加室外焊接的防风措施。 氢气孔 氢气孔的产生原因是熔池在高温时溶入了大量的氢气，再结晶过程中又不能充分的排除，留在焊缝金属中的为气孔。氢气孔产生的原因有：焊件、焊丝表面有油污及铁锈，CO2气体中含有水分。防止的措施有：出去焊件及焊丝上面的铁锈、油污及其他杂质，更要注意CO2气体中的含水量，因为它是引起氢气孔的主要原因。（2）飞溅 飞溅是CO2焊最主要的缺点，它产生的原因：气体爆炸、电弧斑点压力、短路过渡时由于液态小桥爆断或焊接参数选择不当。防治措施有:选

38、择正确的焊接电流和焊接电压；焊的飞溅率与电流的关系如图9所示。焊丝的伸出长度越长，飞溅率就越大，所以在保证不堵塞喷嘴的情况下，尽可能的缩短焊丝的伸出长度；在细滴过渡时，CO2中加入Ar气，改变了纯CO2气体的物理性质，随着Ar气比例的增加，飞溅率逐渐减小；采用低飞溅率的焊丝。焊接电流/A图3-6 CO2焊飞溅损失与电流的关系1 短路过渡区 2混合过渡区 3细滴过渡区 4 高压蒸汽锅炉焊接时容易出现的问题 及防止措施焊接是压力容器焊接过程中一道重要工序 ，只要有焊接的地方，就有出现焊接缺陷的可能性。焊接缺陷不仅给生产带来许多麻烦，而且也可能带来灾难性的事故，造成巨大的损失。本设计主要用采用埋弧焊

39、，因此必须重视压力容器的焊接裂纹、气孔等缺陷，否则造成的损失将不可估量。4.1 焊接裂纹4.1.1 焊接冷裂纹由国际焊接学会（W）碳当量计算公式：CE=C+Mn/6+ (Cr+Mn+V)/5+(Cr+ Ni)/15()计算出13MnNiMoNbR 的含碳量为0.573说明有一定的冷裂倾向，需要采取必要的工艺措施。防止冷裂纹的措施：(1)应选用优质焊接材料超低氢、高强高韧性的焊接材料。 (2)焊前预热 焊前预热可以降低冷却速度，从而改善接头组织，降低拘束应力，并有利于氢的析出，可有效的防止冷裂纹。(3)控制线能量 线能量的增加可以降低冷却速度，从而降低冷裂倾向。(4)焊后热处理 可以降低和消除残

40、余应力、消除扩散氢、改善组织等作用。4.1.2 焊接结晶裂纹结晶裂纹是热裂纹的一种表现形态，它是焊缝金属在结晶过程中处于固相线附近的温度范围内，由于凝固金属的收缩，而此时残余的液相又不充足，在承受拉伸应力时，就会造成沿晶界的开裂。它主要产生在含杂质较多的碳钢焊缝中，特别是含S,P,C,Si较多的碳钢及低、中合金钢焊缝中，以及单相奥氏体钢、镍基合金及某些铝合金的焊缝中。部位通常在焊缝金属上，也有少数在焊接热影响区。 结晶裂纹是沿焊缝树枝状交界处发生和发展的，因此焊缝结晶过程中的晶界是薄弱环节。因为在焊缝结晶过程中，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属含杂质较多。焊缝中的杂质富集在晶粒的周界，而且它们

41、的熔点都较低，在钢中易形成低熔点共晶，如FeS一Fe(熔点98890 ), P, Si也易在钢中形成低熔点共晶。这些低熔点共晶在焊缝金属的结晶过程中，被排挤到晶粒的交界处，而形成晶粒之间的“液态薄膜”，由于先凝固的焊缝的金属收缩而使后冷却的焊缝中心区域受到了一定的拉伸内应力，这时焊缝中的液态薄膜就会被拉伸而形成结晶裂纹。因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的根本因，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件之一。防止结晶裂纹产生的措施1 冶金方面(1) 控制焊缝中有害杂质的含量在被焊金属和焊丝中应该限制S, P含量0.03%0.04%。对于焊接低碳钢和低合金钢用的焊丝其含C0.12%。在焊高合金钢时，S、P0

42、.03%，C0.03%。(2) 适当调整焊缝的化学成分，控制易熔点共晶的数量，因易熔点共晶数量超过一定时，有“愈合”裂纹作用。(3) 改善金属的一次结晶现在普遍采用的方法是在焊缝金属中过渡些可以细化晶粒的合金 ，如钼、钒、钛、妮、锆、铝等，以提高抗裂性。在焊接铬、镍、奥氏体不锈钢时，为了提高其抗裂性，希望得到，十双相组织的焊缝，而相一般控制在5%左右为好。2 接头形式接头形式不同，使每种接头的散热条件、结晶特点也不同，最终反应在接头上，产生结晶裂纹的倾向也不一样。如:堆焊和熔焊较浅的对接接头，其焊缝抗裂性比较好;熔深大的对接接头和各种角接头(包括搭接头、丁字接头和外角接头焊缝等)，其抗裂性就较

43、差。因为这些焊缝所受的应力刚好作用在焊缝的结晶面上，由于这个面上晶粒之间的联系比较弱，又是聚积杂质的地方，所以易产生裂纹。3 焊接工艺和规范适当提高预热温度To和适当增加线能量q/v，就可减少金属的变形率e/t，从而降低结晶裂纹的倾向。4 焊接顺序同样的焊接方法和焊接工艺材料，由于焊接顺序不当，也会产生较大的结晶裂纹的倾向，所以合理安排焊接顺序的原则，就是尽量使大多数焊缝能够在比较小的刚度下焊接，也就是使每条焊缝都有收缩的可能性，在设计焊缝结构时，就应该考虑减小接头的刚度或拘束度。4.2 气孔在埋弧自动焊中，由于焊剂潮湿，接头部分未清理干净，焊剂里中存在垃圾等原因，会使焊缝中产生气孔。气孔的产

44、生会使焊缝的力学性能，结构强度降低，达不到要求，所以必须严格控制工艺，把气孔的产生因数控制在合理的范围。4.2.1 气孔的产生因素：1）接头未清理干净。2）焊剂潮湿。3）焊剂中混有垃圾。4）焊剂覆盖层厚度不当，或焊剂斗堵塞。5）电压过高。防止措施1)接头必须清理干净。2)焊剂按规定烘干。3)焊剂必须经过过筛、吹灰、烘干。4)调节焊剂覆盖厚度，疏通焊剂斗。5)调节电压，使电压合适。4.3 咬边咬边会使焊缝的结构强度严重降低，产生应力集中，裂纹的起点源。因此必须严格杜绝这种现象。产生咬边的原因有以下几种情况：1）焊丝位置不当，或角度不正确。2）焊接参数选择不当，焊接电压过高。防止措施1）调整焊丝的位置和角度，使焊丝尽量对中。2）调整焊接电压，使电压，电流和焊接速度匹配。4.4 未熔合产生的原因1）焊丝未对准。2）焊缝局部弯曲过度。防止措施1）调整焊丝。2）精心操作。4.5 未焊透产生的原因1）焊接参数选择不当。2）坡口不合适。3）焊丝未对准。防止措施1）调整焊接参数，使电流和电压匹配。2）修正