焊接工艺学和焊接设备介绍（压力容器行业）.docVIP

一 焊接金属学 由于在压力容器制造中，对焊缝金属的性能提出了相当高的要求。为保证焊缝金属完全达到所要求的性能，必须从焊接冶金上采取相应的措施。例如焊条电弧焊时，应采用优质药皮焊条，埋弧焊时必须正确选配焊丝与焊剂；气体保护焊时，必须选用合金成分恰当的焊丝等等。为选择合适的焊接材料，首先应全面了解焊接冶金过程的特点以及影响焊缝金属性能的冶金因素。 (一) 焊接冶金过程的特点 在各种熔焊方法中，焊接冶金过程实质上是焊接填充材料和母材在焊接热源高温作用下，再次熔炼的过程，参与这种冶金反应的有气体、金属蒸汽、熔渣和熔化金属。如这些冶金反应能按所要求的方向进行，则能获得优质的焊缝金属。 焊接冶金过程与炼钢过程相比，具有下列特点： ①　焊接热源温度高 焊接电弧的中心温度高达6000～8000K，等离子电弧的中心温度高达18000～24000K。金属熔池的平均温度为1700℃以上。在这样高的温度下，金属强烈蒸发，进人电弧区的气体会很快分解成原子，气体的活性大大增强。 ②　熔池体积较小 电弧焊时，熔池的最小直径仅5~6mm，最大的平均直径约50~60mm。电渣焊时，熔池的体积较大，最大可达几百立方厘米。但与熔炼炉的体积相比就显得小多了。在焊接冶金过程中，焊接熔池处于被冷态母材基体包围之中。当焊接热源移开时，熔池金属的热量很快从母材金属散失，其冷却速度相当快，平均冷却速度可达4~100℃／s。因此，焊接熔池的冶金反应时间相当短，某些冶金过程往往在尚未达到平衡就提前结束了。 ③　熔化的填充金属以滴状过渡 由于各种熔焊方法所采用的填充金属直径较小(一般在电弧焊时，熔池的最小直径为5~6mm，最大直径为50~60mm)，电流密度较大，熔化的填充金属大都以滴状过渡进入熔池，这就增大了熔化金属与气体，熔渣的接触表面积，加快了反应速度。虽然焊接冶金过程的时间短暂，然而由于有效反应速度快，仍能完成一系列冶金反应。达到净化熔池金属的目的。同时应注意到有害气体溶入熔化金属的速度和金属的蒸发也加快了。 (二) 气体对焊缝金属性能的影响 在焊接过程中，空气中的氧和氮，焊条药皮或焊剂组分在高温下分解产生的一氧化碳、二氧化碳和氢，它们与熔化金属会发生各种反应。在这些气体中，氧、氮和氢对焊缝金属可能产生严重的不利影响。 氧对焊缝金属性能的影响 氧在钢中有一定的溶解度，当氧含量超过溶解度时，氧将以氧化铁和硅酸盐的形式存在。这些夹杂物会导致钢的强度、塑性和韧度急剧下降。图l曲线示出氧含量对低碳钢性能的不利影响。氧化物还可能与硫化物形成低熔点共晶体夹杂物．加剧了焊缝金属的冷脆性和热裂敏感性。 溶解于熔化金属中氧与碳、氢会发生作用，生成不溶于钢中的一氧化碳和水汽，导致焊缝金属中形成气孔。因此，在焊接过程中应采取各种措施和 冶金手段，尽可能地减少焊缝中的氧含量。这些措施包括： 加强对焊缝区的保护；②仔细清除焊件和焊丝表面，焊 条药皮中的水分和污染物；③在焊条药皮或焊剂中加入脱 氧剂，通过熔渣与熔化金属的冶金反应去除氧气。 目前。在压力容器制造中常用的几种焊接方法已能将 焊缝金属的氧含量控制在相当低的水平(参见表1的数据)。 值得注意的是，钨极氩弧焊焊缝金属中的氧含量最低。因 此，对于一些高纯度合金和质量要求高的合金钢接头，最 好采用钨极氩弧焊焊接。 图1：氧含量对低碳钢焊缝性能的影响 表1：各种焊接方法的焊缝金属中的氧含量（体积分数，%） 焊接方法 焊缝中氧含量 焊接方法 焊缝中氧含量 焊条电弧焊 钛钙型焊条 0.05～0.07 CO2/MAG焊 O.02～0.07 低氢型焊条 0.02～O.03 埋弧焊 0.03～0.05 钨极氩弧焊 0.0017 2 氮对焊缝金属性能的影响 氮在高温下可以原子形式溶入钢中，而在常温下氮在钢中的溶解度很低，且当温度从高温下降时，氮的溶解度会发生突变，以气泡的形式向外逸出。因此，氮是焊缝中形成气孔的主要因素。在熔焊过程中，由于焊缝金属的冷却速度相当快，氮原子来不及完全从溶解状态中逸出，部分氮以过饱和状态固溶于铁素体中，另一部分氮以针状氮化物(氮化铁)的形式分布于晶界和晶粒内部，使钢的强度提高，塑性和冲击韧度急剧下降。由图2所示的曲线可见。当焊缝金属中的氮的体积分数（）超过0.01%时，氮所产生的不利影响已相当明显。此外，以过饱和状态固熔的氮，在室温和300℃以下的温度下．会逐渐脱溶，并与铁结合形成 稳定的针状氮化铁，使钢产生所谓“时效脆性”现象。也 就是说，氮含量较高的焊缝金属，在室温或100~300℃工 作温度下，经过一段时间后，塑性和冲击韧