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二、常用的焊接设备及选用原则

（一）焊接电源

1．弧焊电源一般有弧焊变压器、直流弧焊发电机和弧焊整流器。

弧焊电源的外特性应是陡降的，即随着输出电压的变化，输出电流的变化应很小。

熔化极气体保护电弧焊和埋弧焊可采用平特性电源，它的输出电压在电流变化时变化很小。

2．弧焊变压器提供的是交流电，应用较广。

与直流电源相比具有结构简单、制造方便、使用可靠、维修容易、效率高、成本低等优点。

3．直流弧焊发电机其稳弧性好、经久耐用、受电网电压波动的影响小，但制造较复杂，消耗材料较多，空载损耗大，已被列入淘汰产品。

4．弧焊整流器是采用硅二极管或可控硅作整流器的直流弧焊电源。

5．晶体管式弧焊电源用大功率晶体管组成，能获得较高的控制精度和优良的性能，但成本较高。

6．电阻焊变压器，空载电压范围为1～36V，电流可达几万安，适用于交流电阻焊机。

（二）焊机

1．焊机的分类

焊机根据焊接自动化程度可分为手工焊机和自动焊机。

（1）手工焊机。

主要有CO。

气体保护焊机、氩弧焊机、混合气体保护焊机等类型，其中氩弧焊机对工人的操作技能要求较高。

（2）自动焊机。

是由电气控制系统；并根据需要配备送丝机、焊接摆动器、弧长跟踪器、各种回转驱动装置、工装夹具、滚轮架、焊接电源等组成的一套自动化焊接设备。

包括焊接机械手、环纵缝自动焊机、变位机、焊接中心、龙门焊机等。

2．常用的焊机

（1）埋弧焊机特性

1）埋弧焊机分为自动焊机和半自动焊机两大类。

生产效率高、焊接质量好、劳动条件好。

2）埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成保护条件，主要适用于平位置（俯位）焊接。

3）适用于长缝的焊接。

4）不适合焊接薄板。

（2）钨极氩弧焊机特性

1）氩气能充分而有效地保护金属熔池不被氧化，焊缝致密，机械性能好。

2）明弧焊，观察方便，操作容易。

3）穿透性好，内外无熔渣，无飞溅，成形美观，适用于有清洁要求的焊件。

4）电弧热集中，热影响区小，焊件变形小。

5）容易实现机械化和自动化。

（3）熔化极气体保护焊机特性

1）CO2气体保护焊生产效率高、成本低、焊接应力变形小、焊接质量高、操作简便。

但飞溅较大、弧光辐射强、很难用交流电源焊接、设备复杂。

有风不能施焊（环境风速达到或超过2m/s，在没有采取防风措施的情况下，不能施焊），不能焊接易氧化的有色金属。

2）熔化极氩弧焊的焊丝既作为电极又作为填充金属，焊接电流密度可以提高，热量利用率高，熔深和焊速大大增加，生产率比手工钨极氩弧焊提高3～5倍，最适合焊接铝、镁、铜及其合金、不锈钢和稀有金属中厚板的焊接。

（4）等离子弧焊机特性

具有温度高、能量集中、较大冲击力、比一般电弧稳定、各项有关参数调节范围广的特点。

（三）焊接设备选用原则

1．选用原则

（1）安全性。

必须通过国家对低压电器的强制性“CCC”认证。

（2）经济性。

价格服从于技术特性和质量，其次考虑设备的可靠性、使用寿命和可维修性。

（3）先进性。

提高生产率、改善焊接质量、降低生产成本。

（4）适用性。

充分发挥应有的效能。

2．淘汰落后设备

根据《住房和城乡建设部公告》第659号（2007年6月14日公布），立即淘汰落后设备清单中，焊接设备有：

直流弧焊机；电动机驱动旋转直流弧焊机全系列；交流弧焊机BX1-135；BX2-500；直流弧焊机电动发电机AX1-500；AP-1000；箱式电阻炉SX系列。

【1】1H412032焊接方法与工艺评定

焊接方法是直接影响焊接成本、焊接效率和焊接质量的主要因素。

焊接工艺评定是指为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价，是在具体条件下解决初步拟定的焊接工艺是否可行的问题，是焊接质量保证的有效措施。

本条主要知识点是：

常用的焊接方法；焊接工艺评定。

一、常用的焊接方法

（一）电弧焊

以电极与工件之间燃烧的电弧作为热源，是目前应用最广泛的焊接方法。

1．焊条电弧焊

以外部涂有涂料的焊条作为电极及填充金属，电弧在焊条端部和被焊工件表面之间燃烧，熔化焊条和母材形成焊缝。

涂料在电弧作用下产生气体，保护电弧，又产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体相互作用，又向熔池添加合金元素，改善焊缝金属性能。

2．埋弧焊

以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。

焊接时，在焊接区上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化，形成焊缝。

埋弧焊可以采用较大焊接电流，其最大优点是焊接速度高，焊缝质量好，特别适合于焊接大型工件的直缝和环缝。

3．钨极气体保护焊

（1）属于不（非）熔化极气体保护电弧焊，是利用钨极与工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝。

焊接中钨极不熔化，只起电极作用，电焊炬的喷嘴送进氩气或氦气起保护电弧和熔池作用，还可根据需要另外添加填充（焊丝）金属。

是连接薄板金属和打底焊的一种极好方法。

（2）属于不（非）熔化极电弧焊，它是利用电极和工件之间的压缩电弧（转移电弧）实现焊接，电极常用钨极，产生等离子弧的等离子气可用氩气、氮气、氦气或其中两者的混合气，焊接可添加或不添加金属。

等离子电弧挺直，能量密度大，电弧穿透能力强。

焊接时产生的小孔效应，对一定厚度内的金属可不开坡口对接，生产效率高，焊缝质量好。

4．熔化极气体保护电弧焊

是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作为热源，利用电焊炬喷嘴喷出的气体来保护电弧进行焊接。

熔化极气体保护焊的保护气体有氩气、氮气、CO。

或这些气体的混合气体。

以氩气、氮气为保护气体的称熔化极惰性气体保护焊，以惰性气体和氧化性气体（O2、CO2）的混合气体或CO2或O2+CO2的混合气体作为保护气时，称为熔化极活

性气体保护焊。

熔化极气体保护焊的优点是可以方便地进行各种位置焊接，焊接速度快、熔敷率较高。

5．药芯焊丝电弧焊

属于熔化极气体保护焊的一种类型，也是利用连续送进的焊丝与工件间的电弧作为热源的，焊丝芯部装有各种成分药粉。

焊接时外加气体主要是CO2，药粉受热分解熔化，起到造气、造渣、保护熔池、渗合金及稳弧作用。

若不另加保护气体时，叫自保护药芯焊丝电弧焊。

（二）电阻焊

以电阻热为能源的焊接方法，包括以熔渣电阻热为能源的电渣焊和以固体电阻为能源的电阻焊，主要有点焊、缝焊、凸焊及对焊等。

（三）钎焊

利用熔点比被焊材料的熔点低的金属作钎料，经过加热使钎料熔化，靠毛细管作用将钎料吸入到接头接触面的间隙内，润湿金属表面，使固相与液相之间相互扩散而形成钎焊接头。

（四）螺柱焊

将螺柱一端与板件（或管件）表面接触通电引弧，待接触面熔化后，在螺柱上加一定压力完成焊接的方法。

LNG罐顶部防潮层钢板外侧需焊接大量的混凝土挂钉。

采用螺柱焊的方法可提高功效十几倍。

（五）其他焊接方法

电子束焊、激光焊、闪光对焊、超声波焊、摩擦焊、爆炸焊、电渣焊、高频焊、气焊、气压焊、冷压焊、扩散焊等。

二、焊接工艺评定

（一）焊接工艺评定及其作用

1．焊接工艺评定：

在产品正式焊接以前，对初步拟定的焊接工艺细则卡或其他规程中的焊接工艺进行的验证性试验。

即按准备采用的焊接工艺，在接近实际生产条件下，制成材料、工艺参数等均与产品相同的模拟焊接试板，并按产品的技术条件对试板进行检验。

2．若全部有关指标符合技术要求，则证明初步拟定的焊接工艺是可行的，此时即可根据焊接工艺评定报告编制正式的焊接工艺细则卡，用以指导实际产品的焊接。

3．若检验项目指标中有一项不合格，则表明该焊接工艺不能用于生产，需作相应修改或重新拟定后，再做焊接工艺评定试验。

4．焊接工艺评定作用：

用于验证和评定焊接工艺方案的正确性，其评定报告不直接指导生产，是焊接工艺细则（卡）的支持文件，同一焊接工艺评定报告可作为几份焊接工艺卡的依据。

（二）焊接工艺评定依据

根据不同产品和焊接工艺评定的具体要求，按相应的工艺评定标准的规定进行评定。

（三）焊接工艺评定的步骤

1．编制焊接工艺评定委托书。

2．拟定焊接方式，需要考虑的因素主要包括：

（1）母材的物理特性，例如，现在LNG罐普遍采用的9%N1钢（也有称为Ni9钢，化学式为06Ni9DR，属低温容器钢）由于其磁化特性，在用普通的逆变焊机施焊时，会出现磁偏吹现象。

所以根据9%Ni母材的这一物理特性，宜选用具有消磁特性的焊机进行施焊。

无定形树脂如ABS/PC、PVC、PMMA及PES：

半结晶树脂如HDPE、PA、PP、TPO的焊接宜采用振动焊。

（2）母材的化学特性，例如钛及钛合金的化学活性大，易被氧、氮等污染，所以不能采用手弧焊、二氧化碳气体保护焊等焊接方法。

目前常用的是氩弧焊、埋弧焊和真空电子束焊。

铝、镁合金和合金钢焊接多采用钨极和熔化极惰性气体保护焊。

（3）焊缝的受力状况，例如板材的搭接焊缝一般作为密封焊，其焊缝抗折弯性能较差，储罐底板的焊接多采用这种形式，这类焊接多采用手工电弧焊和二氧化碳气体保护焊。

（4）待焊部件的几何形状，例如大型构件或重型结构，其焊缝规则且填充量较大，宜采用埋弧自动焊。

而对于薄板的点焊和焊缝，宜采用电阻焊。

（5）焊接位置，例如必须采取仰焊的焊缝，则无法使用埋弧焊。

3．按焊接工艺评定标准或设计文件规定，拟定焊接工艺指导书或评定方案、初步工艺。

确定焊接方法后，需制定焊接工艺参数。

焊接工艺参数的种类各不相同，如手弧焊主要包括：

焊条型号（或牌号）、直径、电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数、检验方法等。

4．按照拟定的焊接工艺指导书（或初步工艺）进行试件制备、焊接、焊缝检验（热处理）、取样加工、检验试样。

5．根据所要求的使用性能进行评定。

若评定不合格，应重新修改拟定的焊接工艺指导书或初步工艺，重新评定。

6．整理焊接记录、试验报告，编制焊接工艺评定报告；评定报告中应详细记录工艺程序、焊接参数、检验结果、试验数据和评定结论，经焊接责任工程师审核，单位技术负责人批准，存人技术档案。

7．以焊接工艺评定报告为依据，结合焊接施工经验和实际焊接条件，编制焊接工艺规程或焊接作业指导书、工艺卡，焊工应严格按照焊接作业指导书或工艺卡的规定进行焊接。

（四）焊接工艺评定要求

1．一般要求

（1）焊接工艺评定应以可靠的钢材焊接性能为依据，并在工程施焊之前完成。

焊接工艺评定所用的焊接参数，原则上是根据被焊钢材的焊接性试验结果来确定的，尤其是热输入、预热温度及后热温度。

对于焊接性已经被充分了解，有明确的指导性焊接工艺参数，并已经实践中长期使用的国内外生产的成熟钢种，一般不需要由施工企业进行焊接性试验。

对于国内新开发生产的钢种，或者由国外进口未经使用过的钢种，应由钢厂提供焊接性试验评定资料。

否则施工企业应收集相关资料，并进行焊接性试验，以作为确定焊接工艺评定参数的依据。

（2）焊接工艺评定所用的设备、仪表应处于正常工作状态，钢材、焊接材料必须符合相应标准，由本单位技能熟练的焊接人员使用本单位焊接设备焊接试件。

（3）主持评定工作和对焊接及试验结果进行综合评定的人员应是焊接工程师。

（4）完成评定后资料应汇总，由焊接工程师确认评定结果。

（5）经审查批准后的评定资料可在同一质量管理体系内通用。

例如，对压力容器焊接工艺评定的基本要求有：

从焊缝处的部位来讲，受压壳体上的纵、环焊缝，法兰、接管、管板上的焊缝和受压元件上的点固焊、吊装焊、组装焊点及耐蚀堆焊层等均要求进行焊接工艺评定。

评定时分别按对接焊缝、角焊缝和堆焊焊缝三种方式制备试板。

其中对接焊缝试板要进行外观检查、射线探伤（无损探伤）、拉伸试验和冲击试验等；耐蚀堆焊层试板要进行渗透探伤、弯曲试验和化学成分分析。

2．评定规则

（1）改变焊接方法必须重新评定；当变更焊接方法的任何一个工艺评定的重要因素时，须重新评定；当增加或变更焊接方法的任何一个工艺评定的补加因素时，按增加或变更的补加因素增焊冲击试件进行试验。

（2）任一钢号母材评定合格的，可以用于同组别号的其他钢号母材；同类别号中，高组别号母材评定合格的，也适用于该组别号与低组别号的母材组成的焊接接头。

（3）改变焊后热处理类别，须重新进行焊接工艺评定。

（4）首次使用的国外钢材，必须进行工艺评定。

（5）常用焊接方法中焊接材料、保护气体、线能量等条件改变时，需重新进行工艺评定。

3．评定资料管理

（1）评定的所有原始资料应全部收集，进行系统整理、建档，作为技术资料保存。

（2）企业应明确各项评定的适用范围。

（3）评定资料应用部门根据已批准的评定报告，结合施焊工程或焊工培训需要，按工程或培训项目，分项编制《焊接工艺（作业）指导书》，也可以根据多份评定报告编制一份《焊接工艺（作业）指导书》。

（4）《焊接工艺（作业）指导书>的编制，必须由应用部门焊接专业工程师主持进行。

（5）《焊接工艺（作业）指导书》应在工程施焊或焊工培训考核之前发给焊工，并进行详细技术交底。

【2】1H412033焊接应力与焊接变形及其控制

焊接残余应力和变形会对焊接构件的承载力和构件的加工精度造成影响。

应从设计、焊接工艺、焊接方法、装配工艺等方面着手，采取相应的措施以降低焊接残余应力和减小焊接残余变形。

本条主要知识点是：

焊接应力与变形产生机理；焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施；焊接变形的危害性及预防焊接变形的措施。

一、焊接应力与变形产生机理。

（一）焊接应力

焊接过程中由于温度场的变化及焊件间的约束，在焊缝及附近区域产生的应力称为焊接应力。

焊接过程中产生的应力超过材料的弹性极限，以致冷却后在焊件中留有未能消除的应力称为焊接残余应力。

（二）变形产生的机理

焊接热输入引起材料局部加热，使焊缝区熔化，而熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，受压产生变形。

在冷却过程中，已发生变形的这部分材料又受到周围材料的制约，不能自由收缩，在不同程度上又拉伸而产生变形。

与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生了相应的收缩拉应力和变形。

这种随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为瞬态应力与变形。

在室温条件下，焊后残留于构件中的内应力场和宏观变形称为焊接残余应力与焊接残余变形。

二、焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施

（一）焊接残余应力的危害

影响构件承受静载能力；造成结构脆性断裂；影响结构的疲劳强度；影响结构的刚度和稳定性；应力区易产生应力腐蚀和开裂；影响构件精度和尺寸的稳定性。

1．对结构刚度的影响

当外部载荷产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外部载荷的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。

2．对受压杆件稳定性的影响

当外部载荷引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点，这一部分截面就丧失进一步承受外部载荷的能力。

这就削弱了构件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。

3．对静载强度的影响

没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。

反之，如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外部载荷应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。

4．对疲劳强度的影响

残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。

这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。

结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。

因此，如应力集中处存在着残余应力，疲劳强度将降低。

5．对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响

把一部分材料从焊件上机械切除时，此处的残余应力也被释放。

残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。

6．对应力腐蚀开裂的影响

应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。

应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。

（二）降低焊接应力的措施

1．设计措施

（1）构件设计时尽量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）构件设计时应避免焊缝过于集中，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

（1）采用较小的焊接线能量

较小的焊接线能量的输入能有效地减小焊缝热塑变的范围和温度梯度的幅度，从而降低焊接应力。

（2）合理安排装配焊接顺序

合理的焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力。

例如，在大型储罐底板的焊接中，先进行短焊缝的焊接，焊接过程中不要加外力约束，使其能够自由收缩，可以有效地降低短焊缝中的残余应力。

（3）层间进行锤击

焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属晶粒间的应力得以释放，能有效地减少焊接残余应力从而降低焊接应力。

例如，在进行铸铁部件的焊接时，不及时进行敲击以释放应力，焊缝周边的母材会出现明显的裂纹。

（4）预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）

对于那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，采用预热或机械方式，使之与焊接区同时拉伸（膨胀）和同时压缩（收缩），就能减小焊接应力，这种方法称为预热拉伸补偿法。

（5）焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条

选用塑性较好的焊条施焊，由于焊缝的金属填充物具有良好的塑性，通过塑性变形，可有效地减小内应力。

（6）采用整体预热

构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。

焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。

（7）消氢处理

采用低氢焊条以降低焊缝中的含氢量。

焊后及时进行消氢处理。

都能有效降低焊缝中的氢含量，减小氢致集中应力。

消氢处理的温度一般为300～350℃，保温2～6h后冷却。

消氢处理的主要目的是使焊缝金属中的扩散氢迅速逸出，降低焊缝及热影响区的含氢量，防止氢致应力集中而产生冷裂纹。

（8）采用热处理的方法

整体高温回火、局部高温回火或温差拉伸法（低温消除应力法，伴随焊缝两侧的加热同时加水冷却）。

由于构件残余应力的最大值通常可达到该种材料的屈服点极限，而金属在高温下屈服点将降低。

所以将构件的温度升高至某一定数值时，内应力得以部分释放，残余应力的最大值也减少到该温度对应的屈服极限以下。

如果要完全消除结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以一般所取的回火温度接近于这个温度。

（9）利用振动法来消除焊接残余应力

构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次振动后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。

一般大型焊件使用振动器消除应力。

振动法的优点是设备简单、成本低，时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。

例如，大推力火箭的焊接组件，就采用振动平台来消除内应力。