焊接原理及实际操作doc.docx
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焊接原理及实际操作doc
生产，工程及信息技术
焊接原理及实际操作
目录
绪论4
学习目标4
焊接事项5
焊接工艺6
钨极气体保护焊6
焊接要点7
吹扫7
GTAW技术9
GTAW的优点10
GTAW局限性10
GTAW间断10
GTAW填充金属11
不锈钢焊接冶金12
焊接位置17
坡口焊和接头命名18
焊缝间断和缺陷20
间断危险程度20
验收标准21
焊缝的验收检查24
焊接安全事项26
GTAW工作流程27
手工电弧焊28
手工电弧焊的填充金属28
手工电弧焊的预热29
手工电弧焊的技巧29
手工电弧焊的优点31
手工电弧焊的局限性31
手工电弧焊的常见缺陷31
角焊缝接头术语31
有缺陷的焊接34
焊接中的气孔34
焊接裂纹35
咬边35
变形36
飞溅36
未熔合36
焊瘤37
未焊透37
夹渣37
按TP12对钢构件焊接进行检查38
验收标准38
角焊检验尺的使用39
检测咬边39
焊接方法规程39
焊接质量41
TP12的焊接要求41
TP60的焊接要求41
焊接安全41
手工电弧焊（SMAW）工作流程41
GTAW试验室工作流程41
手工电弧焊试验室工作流程41
绪论
在安海斯—布希公司，焊接工艺对管道系统的质量有着直接的影响。
不当的焊接方式或不当的操作都可能导致管道及构件对产品质量及整个系统的结构完整性产生负面影响。
本焊接原理和实际操作课程，覆盖钨极气体保护焊（GTAW）和手工焊（SMAW）工艺及焊接检查，并将对安海斯—布希公司使用的焊接程序进行详尽介绍，尤其是啤酒厂不锈钢管道和结构钢管道的焊接以及使用上述焊接工艺而实现的合格焊接品的特点。
学习目标
完成本课程的学习，你将能够：
∙辨别在对奥氏体不锈钢进行氧炔焊时可能影响到GTAW质量的因素。
∙描述啤酒厂不锈钢管道焊接质量的验收标准。
∙辨别在用纤维素和低氢焊条进行焊接时可能影响到SMAW质量的因素。
∙描述结构钢焊接的验收标准。
∙应用验收标准，对焊接进行外观检查从而确认何为合格焊接成品的能力。
焊接事项
工艺管道的焊接对最终产品的质量至关重要。
不合规格的焊接会为微生物的滋生提供温床，于是不合格的焊缝就成为导致操作上出现问题的主要原因之一。
再加上很难确定微生物衍生的区域，因此会花费很多的人工时甚至停产的代价来进行检修。
不合规格的焊接同样会导致管道表面粗糙。
除了上面提到的不卫生状况以外，粗糙表面对啤酒质量也会产生负面影响。
谷物管道的突起或不平会使得谷物磨碎的比要求的要细。
谷物的外壳被磨得太细，会释放过多的丹宁酸从而引起啤酒变味。
此外在过滤桶中会形成一层过紧的过滤床。
类似于水通过沙砾和沙是不一样的情况，啤酒在被磨得太细的谷壳过滤时也会产生不同效果，从而对啤酒的质量产生负面影响。
不合规格的焊接同样会破坏结构完整性。
在蒸汽管道或其它有压力的管道中，不合格的焊接会导致接合错误，而这种接合错误又会威胁人员安全及系统运行。
管道支撑焊接不合规格会导致压力错误，关键支撑焊接错误则会引起管道系统出现灾难性故障。
焊接工艺
如果进行外观检查的人对焊接及焊缝缺陷的了解不甚全面，在检查时必然会出现严重失误，不仅在定位错误区域时举步维艰，也不能准确的根据外观进行辨别，因为有些是能接受的而有些不能。
如果掌握焊缝缺陷发生的原因、位置及焊成件的外观特点，检查者就能更好的定义和解释在检查过程中可能遇见的那些缺陷的类型。
为了协助检查，要求承包商提供试块板，为工程中会使用的各种焊接程序设立质量基准。
这个样板作为焊接质量参照。
（参看TP-60第九节）
本课程中介绍的焊接工艺请参看TP60第八节。
钨极气体保护焊
GTAW，也被称为钨极气体保护焊（TIG），是一种电弧焊接工艺，将待焊接的各部件用位于不可耗钨焊条和工件之间的电弧加热并熔合。
如图一，焊接保护是从外部注入惰性气体,如氩气，或混合气体将O2和N2与电弧和焊接区隔离。
必须采取适当的吹扫措施来保护管道内部（焊根）。
∙直径在1/2至6英寸的管Sch5不使用填充金属。
∙填充金属只使用在直径在1/2英寸以下或6英寸以上的管道上。
母材
固体焊接金属
焊弧
钨极
熔融焊接金属
保护气体
焊炬
图一：
钨极气体保护焊（TIG）
在GTAW中，焊条是非可耗性的钨合金（不能熔化），在焊接时不会成为焊缝的一部分。
填充金属是可熔性插入物，比如裸焊丝。
GTAW焊接适用于多种金属及金属厚度，适用范围非常广泛。
在安海斯—布希公司，GTAW焊接用于以下范围：
1.奥氏体不锈钢接头焊接（A1）
2.镍合金接头焊接（A9）
3.在氨管道和气体输送管道上进行根部焊道焊接（B3）
焊接要点
∙焊条尺寸
∙焊接电流
∙弧长
∙焊接速度
∙焊接角度
（请参看焊接指南手册14，15页，简称为PWG）
吹扫
吹扫是将不锈钢管道中的有害气体和其它气体污染物排出，以防止焊缝背部（根部）氧化。
氧化会导致各种问题发生，例如根部氧化（沙化），未熔合，气孔及焊缝金属化学成分改变，这会影响焊接金属机械性和防腐性，形成不卫生焊缝。
在进行不锈钢焊接，镍合金焊接及大部分非铁素体焊接时都要求进行吹扫处理，而在进行铝焊接，碳钢焊接及某些低合金钢焊接时则不做要求。
在准备吹扫时，应先用吹扫塞隔离焊接根部。
用于吹扫的气体（使用和进行焊接保护时相同的惰性气体）必须有一个入口和出口。
AB公司使用氩气进行GTAW焊接，氩气的密度大于空气，因此必须在最低点有一个入口，在最高点有一个出口以避免气陷发生。
出口必须和入口一般大小或大于入口以防止压力形成。
要采取防范措施，确保所有的泄漏途径都已切断，防止空气再次进入吹扫系统和发生吹扫气体损失。
管道系统中所有空气可能进入的地点必须通风以确保氩气进行完全吹扫。
在吹扫管道前先装上吹扫塞。
吹扫塞可用多种材料制成，例如遮蔽胶带，夹板，厚纸张，纸板等。
在吹扫塞处注入最小量吹扫气体，并通过其它一个（或多个）吹扫塞排出。
氩气出口
I形坡口焊缝对接接头
氩气入口
充满氩气
注意氩气出口和入口处的尺寸和位置
图二：
吹扫一条简单的管道系统
一般来说，吹扫气体的初始流量和持续时间应能保证5至10倍被吹扫管道的系统容积。
在焊接开始前，必须使用氧气分析仪确认氧气的含量等于或低于2%。
图三：
不当吹扫导致的根部凹陷
GTAW技术
进行GTAW时，尤其是在管道连接处焊接根部焊道时，要使巧劲而非蛮力。
尽力使自己处于放松和舒适的姿势。
焊工都有自己的技巧。
“手工”焊接是很普遍的一种方式，是气罩不停留在管道上的焊接技术。
焊工可结合使用“支撑”法或“手指支撑”法。
使用“支撑”法时，焊工将其手臂或肘尽量远离焊接区，同时沿着焊接方向滑动手腕来稳定焊炬。
这种方式将焊工限制在一定区域内，使其不会沿着接头移动。
“手指支撑”法，是指焊工将某种材料粘在带手套的中指上，中指是用来操纵焊炬的。
支撑由此沿着管道滑动，稳定焊炬，使焊工更好的控制熔池和弧长。
大部分焊工在进行质量焊接时都不够稳，缺乏适当的技术来稳定焊炬。
当钨和焊件或多余弧长相遇时，会导致焊炬发生不可控制的活动。
“气罩行走法”中，因为气罩是直接放在管道上的，所以焊工能够很好的控制根部焊道。
因此气罩的尺寸非常重要。
气罩要足够大以防止氩气跟管道相接触，同时保持适当的焊条角度。
气罩上任何可能接触到管道的突起都必须清除。
对易滑动的部位施小量压力或将气罩两边均匀地往前移动。
如果用劲过大，而巧劲不足，气杯会滑到管道表面，从而失去对气杯的控制。
将气杯直接放到管道上，感觉会更放松。
钨焊条要距离气杯约1/4英寸处。
焊炬角度应为45度到60度之间，这是“气杯行走法”的要求。
注意这跟“手动”焊接法不同，后者焊条更直接的指向管道中央。
GTAW的优点
∙焊接质量高，一般无缺陷
∙焊接外表美观（如果方法得当）
∙无焊渣或烟雾遮蔽熔池或发生夹钨
∙无飞溅，SMAW中经常会出现飞溅
∙可不添加填充金属，如果需要也可添加填充金属
∙在管道上进行根部焊道焊接时控制良好
∙因为供热良好，适应于焊接管Sch5
∙几乎能对所有金属进行焊接
GTAW局限性
∙焊接速度缓慢，耗时多
∙手动焊接要求焊工技术熟练，也对焊工之间的合作有要求
∙由于GTAW是气体保护工艺，在有风的区域进行焊接具有一定难度
∙可能发生夹钨，因为它不象手工焊，是用非耗损性焊条进行的焊接。
∙由于它对污染的要求很高，所以材料必须清洁，TP60规定不允许在不锈钢上使用动力钢丝刷
∙保护和吹扫气体花费大
GTAW间断
∙气孔
∙未熔合
∙未熔透
∙夹钨
∙焊缝根部或表面发生氧化
在GTAW焊接前清洗奥氏体不锈钢能有效防止焊接间断，根据TP60中D部分第二节所说：
彻底清洁焊接部位，去除所有毛刺及鳞皮。
去除所有异物，如切削油污、记号笔印、火油，及含硫化物、铅或锌、金属颗粒、研磨合成剂的物质等。
清洁时仅可使用不含碳的氧化铝翼片砂轮；Norton“Metalite265”,Merit“Grind-O-Flex”或同类产品。
在蓝色的《管配件辅助小册子》中，清洗部分请参看A部分，第二节，第一页第三段，第五页第五部分以及第八页H部分。
GTAW填充金属
使用填充金属前，焊工应先确认这是焊接程序中注明的正确类型。
参看美国焊接协会（AWS）的填充金属规格。
表一：
AWS填充金属规格
规格号
名称
A5.9
防腐铬及铬镍钢
A5.14
镍和镍合金裸焊条
看起来一次成功的GTAW焊接可以使用跟母材一样的合金裸线或裸焊条进行焊接，但实际上是不允许的。
必须调整填充金属化学成分，以确保和母材具有相同的强度和防腐性。
给填充金属添加去氧剂，确保高质量焊接。
AWS规格中会列举各种分类。
例如：
ER316L
ER=焊条
316=特殊合金
L=低碳（出于冶金考虑）
TP60，D部分中——
在进行所有300系列奥式体不锈钢管子的焊接时，若需要使用填充金属，必须使用316L型奥式体不锈钢填充金属。
这是因为各种级别如304和308可能在焊接时遇见。
不锈钢焊接冶金
冶金学是研究金属内部结构的科学。
在焊接冶金学中，我们研究的是以热处理如GTAW和SMAW来对金属进行切割和连接时，金属内部发生的各种变化，尤其是机械性能和物理性能。
“不锈”一词用于不锈钢时有些不够贴切，因为不锈钢主要是用来防腐的。
不锈钢是指铬含量低于12%。
要了解金属的冶金性质，首先需要了解物质的原子结构和各种物态，如固态，液态，气态及离子状态。
金属在被焊接或热切时会经历这些物态变化。
构成上面四种物态的原子非常非常的小，用最先进的显微器也无法看见。
在这些极小的原子中，存在次原子微粒如电子（负极）和质子（正极）。
这些微粒的引力和推力作用于彼此，就影响了物质的形态。
举例说明，一种固体，如不锈钢，它的原子结构使得当各原子被推到一起时会产生一股强大的排斥力来中和压缩力。
而试图将各原子分开也将产生一股强大的吸引力来中和张力。
即使原子处于持续运动状态，它们总是试图保持在一个地方。
当焊接电弧产生的热能作用于固态的钢工件时，原子运动更加活跃，原子结构也随着温度升高而膨胀。
当温度升高到熔点之上时，原子能够自由移动，固体变成液体。
如果温度升得更高达到气化温度，液体转成气体。
如果气体再被高强加热，就变成离子状态。
固态金属呈现三维晶体结构，这是因为原子按行列层整齐排列。
观察金属或焊缝的断面，能很明显的看出这种晶体结构。
金属不呈现晶体状态，是因为金属已经老化或过热，但实际上还是晶体状态的。
金属最普遍的状态或结晶结构见表四，包括：
∙体心立方晶格BCC
∙面心立方晶格FCC
∙BCT
∙
BCC
FCC
HCP
BCT
HCP
图四：
金属晶体结构图
表二：
晶体结构及相关金属
晶体结构
结构
描述
此种类型的金属
BCC
立方体，八个角上各有一原子，立方体中心一原子
铁，碳钢，铬，钼，钨
FCC
立方体，八个角上各有一原子，六个面中央各有一原子
铝，铜，镍，银，奥氏体不锈钢
BCT
BCC结构有一轴线，拉长结构，构成长I形，中心有一原子
高碳和合金钢，当快速冷却时，形成马氏体，一种非常坚硬，易断裂的形态
HCP
两个六边形构成棱镜的顶和底，中心和六个角上各有一原子。
一三角形位于正中央，在三个角上各有一原子
锌，镉和镁
液态金属的固化通常开始于液态焊接金属和温度相对较低、尚未熔化的热影响区的分界面上。
这簇原子形成晶体和晶界，见图五。
假想模型
固态晶格
液态
初始晶格
液态
固态
晶界
3完全固化
2持续固化
1初始晶格构成
图五：
原子簇形成晶格和晶界，始于焊接分界面
注意看虚线标出的假想模型。
这在原理上近似于钢制造工艺上将一勺子钢液注入锭模中，因此焊缝也能看作是一个铸造组织。
晶体尺寸的大小影响金属的力学性能。
精制晶体金属有：
∙良好的抗拉强度
∙良好的延展性
∙良好的低温性能
而粒状金属：
∙强度稍低
∙延展性稍差
∙良好的高温性能
焊接对颗粒大小有很大影响的因素：
∙线能量
∙冷却速度（预热）
∙焊弧长短
∙焊接速度
∙在参数范围内最高或最低点进行焊接
∙工艺选择
因此，承包商必须有一个焊接工艺，焊工们必须遵守此工艺。
另外一种影响机械性能的方法是合金法，改变纯金属整齐的行，列和层排列。
小原子例如碳，氮和氢能占据物质结构中原子之间的空隙。
这被称为间隙合金法。
而大点的原子如碳和镍会取代物质结构中的原子，这被称为取代合金法。
如图六所示，增加这些类型的合金元素会在原规则排列结构中造成不规则情况。
取代合金法
间隙合金法
图六：
间隙合金和取代合金典型代表
合金元素会发出各种程度的吸引力和排斥，扭曲微粒结构，从而增加金属的内部能量，改善机械性能。
预先加热和层间温度能控制晶格尺寸，硬度和各种性能。
在焊接前，焊缝金属要预先从32华氏度加热到70华氏度。
有五种主要类型的不锈钢：
∙铁素体不锈钢
∙马氏体不锈钢
∙奥氏体不锈钢
∙沉淀硬化型不锈钢
∙双炼不锈钢
本课程重点讲解300系列奥氏体不锈钢，如304，408和316。
奥氏体类不锈钢具有很强的可焊性。
一般来说，焊接不会影响焊缝，母材或融化区的强度或展延性。
如果使用金属填充物，应和母材兼容或有相似构成。
铬镍不锈钢的热传导性比低碳钢要低大约50%，同时具有很强的热伸展性，从而易发生扭曲。
奥氏体不锈钢焊接中存在的一个普遍问题是碳化或贫铬。
当加热到800至1600华氏度时，金属中的铬和碳结合，形成铬碳化物。
这些碳化物一般形成在晶粒边界。
金属晶粒中的废铬削弱了金属防腐性，在某些情况下，金属会腐蚀。
金属晶粒边缘腐蚀很快，称为晶间腐蚀，见图七。
使用性质稳定的母材和金属填充物能有效防止晶间腐蚀的发生。
这是在300系列合金中加入的钛或铌作用的结果。
由于碳要和铬结合，在母材和金属填充物中减少碳的加入量能控制贫铬的发生。
这被称为超低碳，简称为ELC。
目前以L指代，例如316L。
图七：
在焊接时由贫铬引起的奥氏体不锈钢晶间腐蚀现象
焊接位置
用数字来表示焊接的位置。
数字一般和焊接类型相结合，如以F表示角焊缝，以G表示坡口焊。
参看PWG，第26和27页。
表三：
焊接位置指示图
数字
位置描述
1
平焊
2
横焊
3
立焊
4
仰焊
5
水平固定（不旋转），包含1，3，4位置
6
45度固定，包含2，3，4位置
焊接位置是可变的，焊工必须胜任生产中所要求的各种位置的焊接。
∙进行管道焊接时，一般要求焊工能以6G或“ArkansasBellHole”的方向进行焊接，也就是能在管道或管板上从各种方向进行焊接，无论是角焊或坡口焊。
∙进行结构钢焊接时，焊工一般能以3G和4G方向进行焊接，这一般只在管板上进行。
除非管径达到24英寸，否则他们无法在管道上进行焊接。
坡口焊和接头命名
坡口焊接能在五种基本接头设计中的任何一种上进行。
这些基本接头见PWG第28页。
坡口的名字取自于槽的断面。
坡口焊能在I形，V形，斜口，U形，J形，V形喇叭，斜喇叭形坡口上进行，如PWG第28页所示。
这是在TIG工艺中最常见的几种坡口形式。
坡口焊以其焊透-熔合的深度来度量。
它的尺寸不包括焊缝表面和焊根的加强高部分。
坡口焊一般指不完全焊透（PJP）或完全焊透（CJP）。
这些命名用于坡口焊，如果一种坡口焊没有尺寸可查，则被认为是完全焊透。
很多焊工认为过大的加强高能增强接头的强度。
实际上并非如此。
在可接受的限度上过度焊接不仅是对时间和焊接金属的浪费，同时也降低了接头的工作强度，因为在焊趾处应力集中。
过大的焊接角度会极大的降低在疲劳负荷下的疲劳极限。
很明显，另一方面上看，加强高不足或不充分焊透也会缩小焊缝的尺寸。
在TP60中没有对加强高作出明确说明，但是应该做到最小。
尽管在TP60中没有对坡口焊缝宽做出明确说明，下面的可作为参考。
在I形坡口上进行自动GTAW焊接，焊缝宽应至少为2T（两倍壁厚）。
在V形坡口上焊接，焊缝宽不得超过坡口宽1/8英寸以上。
在接缝两边的熔化最多允许超过坡口宽1/6英寸。
坡口接缝以外的焊接金属是对时间和焊条的浪费，同时也增加了线能量和残余应力。
多余的焊缝金属增加了耗费并降低了接头的强度。
当一个接缝要求进行坡口焊接时，焊缝的大小对于接头能否承受施加其上的压力有很大影响。
要了解坡口焊缝尺寸，需要了解坡口上的一些术语，比如图八中的I形坡口。
同时，也要了解喇叭形坡口角度，斜口角度，钝边和间隙。
坡口的尺寸跟焊接熔入接缝的深度有关。
坡口要完全填充。
多余的填充，称为加强高，应做到最小。
任何多余的加强高都将降低接缝处的强度，在焊趾处产生额外应力。
多数情况下，焊缝尺寸不计任何焊缝加强高。
图八：
I形坡口对接焊完全焊透术语编号
F：
焊趾
G：
焊缝表面
M：
焊缝加强高
N：
背部加强高
P：
连接焊透
Q：
坡口焊缝尺寸
R：
间隙
S：
坡口表面
T：
背缝
坡口焊的断面对判断整体焊接质量十分重要。
图九中所示断面，摘自美国焊接协会D1.1结构焊接规范-钢。
对接接头（过渡）——非等效厚度板
对接街头——等效厚度板
加强高不得超过规范要求的区域
焊瘤
超标咬边
厚度不够
过高
图九：
坡口焊断面
焊缝间断和缺陷
焊缝间断是指焊接正常流程中的任何间断，可以出自材料或焊件物理上，机械上或者冶金性能的原因。
如果间断超过了验收标准，就成为缺陷。
所有的金属和焊接都有间断，因为它们都是晶体结构，晶格上的间断表现为整个材料焊接流程上的间断。
但是要考虑到产品的尺寸，方位，范围及其他因素来看是否适用于其用途。
说一个产品存在缺陷，是指缺陷已经超出了规范许可的范围，如TP60。
间断危险程度
间断的危险程度是定义缺陷的重要评定方法之一。
间断的修复可能会比不去修复引发更多的问题增加残余应力。
间断是线性（断裂）或非线性的（球状气孔-夹钨）？
什么是最终状态？
是尖利（断裂）的还是有一个圆弧（咬边）？
间断是否破坏了表面或者是次表面？
间断是纵向还是横向于荷载发生？
荷载是疲劳荷载，冲击荷载或静态荷载？
焊件的环境温度是多少？
工程师在设计焊件，选择材料，制定焊接工艺，确定验收标准和选择遵守何种规范时必须考虑到这些因素。
验收标准
根部开口
图十所示的标准摘自TP60，应用于不锈钢管道I形坡口对接接头的自动GTAW焊接。
管道参考表见表四。
错位
直径
最大允许范围管道尺寸
1/32”《=4”
3/64”>4”
最大0.010”
最大允许度
管壁厚
管道尺寸
最大凹陷
最大凸起
图十：
TP60中的验收标准
管道尺寸
（OD）英寸
PipeSchedule
5s
5
10s
10
20
30
40sSTD
40
60
80s&E.H
80
100
120
140
160
DBLEE.H
1/8
.405
.035
.1383
.049
.1863
.049
.1863
.068
.2447
.068
.2447
.095
.3145
.095
.3145
1/4
.540
.049
.2570
.065
.3297
.065
.3297
.088
.4248
.088
.4248
.119
.5351
.119
.5351
3/8
.675
.049
.3276
.065
.4235
.065
.4235
.091
.5676
.091
.5676
.126
.7388
.126
.7388
½
.840
.065
.5383
.065
.6838
.083
.6710
.083
.6710
.109
.8510
.109
.8510
.147
1.088
.147
1.088
.188
1.304
.297
1.174
¾
1.050
.065
.6838
.065
.6838
.083
.8572
.083
.8572
.113
1.131
.113
1.131
.154
1.474
.154
1.474
219
1.937
.308
2.441
1
1.315
.065
.8678
.065
.8678
.109
1.404
.109
1.404
.133
1.679
.133
1.679
.179
2.172
.179
2.172
.250
2.844
.358
3.659
1¼
1.660
.065
1.107
.065
1.107
.109
1.806
.109
1.806
.140
2.273
.140
2.273
.191
2.997
.191
2.997
.250
3.765
.382
5.214
1½
1.900
.065
1.274
.065
1.274
.109
2.085
.109
2.085
.145
2.718
.145
2.718
.200
3.631
.200
3.631
.281
4.859
.400
6.408
2
2.375
.065
1.604
.065
1.604
.109
2.638
.109
2.638
.154
3.653
.154
3.653
.281
5.022
.281
5.022
.344
7.444
.436
9.029
21/2
2.875
.083
2.475
.083
2.475
.120
3.531
.120
3.531
.203
5.793
.203
5.793
.276
7.661
.276
7.661
.375
10.01
.552
13.70
3
3.500
.083
3.029
.083
3.029
.120
4.332
.120
4
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