壓力管道技術(shù)施工安裝.doc

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第十章 施工安裝 壓力管道的現(xiàn)場(chǎng)安裝及施工一般涉及到管子及其元件的安裝前抽檢、管道的預(yù)制及機(jī)加工、管道的焊接及檢查、管道的吹掃及試驗(yàn)、工程驗(yàn)收等內(nèi)容，除此之外，它還包括現(xiàn)場(chǎng)施工程序編制、現(xiàn)場(chǎng)施工組織、現(xiàn)場(chǎng)施工管理等方面的內(nèi)容。這些問(wèn)題是施工技術(shù)人員研究的問(wèn)題。本書仍按既定原則，即僅從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)介紹有關(guān)的問(wèn)題。 在壓力管道的現(xiàn)場(chǎng)施工中，焊接占去了大部分的施工工作量，而且它也是全部施工工作中最關(guān)鍵的一個(gè)內(nèi)容，同時(shí)也是技術(shù)最復(fù)雜的工作內(nèi)容，焊接質(zhì)量的好壞直接影響到壓力管道的安全。因此本章將首先介紹一些有關(guān)的焊接基本知識(shí)，然后介紹幾個(gè)常用的施工規(guī)范及其應(yīng)用注意事項(xiàng)，最后介紹設(shè)計(jì)技術(shù)人員應(yīng)如何配合管道的現(xiàn)場(chǎng)施工。 第一節(jié) 金屬焊接的基本知識(shí)（一） 焊接是使兩個(gè)分離的金屬構(gòu)件借助于原子間的聯(lián)系和擴(kuò)散，形成永久結(jié)合接頭的過(guò)程。焊接是實(shí)現(xiàn)管道連接最常用的方法之一，它與法蘭、螺紋連接相比，具有下列一些特點(diǎn)： a、接頭重量輕，可以節(jié)省大量的金屬材料； b、接頭價(jià)格便宜。因?yàn)椴捎梅ㄌm或螺紋連接時(shí)，需要采用經(jīng)過(guò)精密機(jī)加工的專用管道元件，成本較高； c、接頭強(qiáng)度高，密封性能好； d、為不可拆卸接頭； e、現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度大，且因?yàn)楹附舆^(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)光或有害氣體，需要加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)。 正因上述原因，管道的連接接頭約有90%為焊接，除非管道結(jié)構(gòu)或工藝要求必須為可拆卸或者不能焊接的接頭才采用法蘭和螺紋連接。 由于這部分的內(nèi)容較多，考慮章節(jié)的均衡問(wèn)題，故將它分為兩節(jié)介紹。 一、金屬焊接的分類 焊接的分類方法很多，常見(jiàn)的分類方法有以下三種。 （一）按接頭型式和用途分類 按接頭型式可分為角焊、對(duì)焊、點(diǎn)焊、斷續(xù)焊、塞焊、密封焊等，見(jiàn)圖10-1所示。 a、角焊 b、對(duì)焊 c、點(diǎn)焊 d、斷續(xù)焊 e、密封焊 圖10-1 焊接接頭型式分類 在壓力管道中，小口徑薄壁管子及管件常用角焊，詳見(jiàn)第五章所述。除小口徑管道外，它還經(jīng)常用于平焊法蘭接管、開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)接頭、支吊架連接接頭的焊接。根據(jù)元件的厚度不同，它又可分為單面焊和雙面焊兩種。角焊不能采用射線探傷，故其接頭強(qiáng)度和焊接質(zhì)量不易檢查。 對(duì)焊是管道器材元件連接中應(yīng)用最多的一種焊接。根據(jù)管道元件的厚度不同可分為單面焊、雙面焊、帶墊板和不帶墊板焊接等多種型式。 點(diǎn)焊是在整個(gè)接頭中僅就幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行焊接，常用于裝配定位或正式焊接前的定位。 斷續(xù)焊是在整個(gè)接頭中分段進(jìn)行焊接。它常用于某些管道支吊架的焊接，此時(shí)只需要強(qiáng)度滿足要求即可，而不需要嚴(yán)密性。斷續(xù)焊可以減少焊縫長(zhǎng)度，從而減少焊接工作量，又不容易引起過(guò)大的焊接變形。管道及其元件間的焊接是不允許采用斷續(xù)焊的。 塞焊常用于襯里層與基層的焊接，壓力管道中不常用。 密封焊是對(duì)管道元件其它連接接頭的補(bǔ)充焊接，起二次密封作用。例如，螺紋接頭的焊接、閥蓋法蘭的焊接等。密封焊常采用低熔點(diǎn)材料進(jìn)行焊接，容易清除掉，不影響原接頭的可拆性。 （二）按接頭位置分類 按焊接接頭與焊接材料（焊條）的相對(duì)空間位置不同可分為平焊、立焊、橫焊和仰焊等類型。見(jiàn)圖圖10-2所示。 a、平焊 b、立焊 c、橫焊 d、仰焊 圖10-2 焊接接頭與焊條的相對(duì)空間位置分類 平焊使得焊接人員以比較舒適的姿式工作，因此焊接速度快，生產(chǎn)率高。由于重力的作用，焊縫容易成形，外觀好，出現(xiàn)咬邊、末焊透、焊瘤等缺陷的機(jī)會(huì)少，故焊接質(zhì)量較好。但是，如果焊縫材料分渣不好，易產(chǎn)生夾渣。由于它可以有較多的熔池金屬存在，故可以采用較大的焊條直徑和焊接電流，故可提高生產(chǎn)率?？偲饋?lái)講，平焊的焊接質(zhì)量較好，故在焊接質(zhì)量評(píng)定和現(xiàn)場(chǎng)施工檢查中，對(duì)平焊和其它型式的焊接要求是不一樣的。例如一些施工規(guī)范規(guī)定，固定焊比轉(zhuǎn)動(dòng)焊的無(wú)損探傷比例大，就是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)焊可以均為平焊，而固定焊可能不得不部分采用立焊、橫焊或仰焊。 就對(duì)焊接人員的姿式影響來(lái)說(shuō)，立焊劣于平焊，但優(yōu)于仰焊，故焊接人員的工作效率和工作質(zhì)量介于平焊和仰焊之間。由于重力的作用，熔渣容易從熔池金屬中分離出去，不易使焊縫產(chǎn)生夾渣，但此時(shí)若熔池金屬太多，容易下流而產(chǎn)生焊瘤、咬邊等缺陷，焊縫外觀質(zhì)量也不如平焊，故立焊時(shí)常采用小直徑焊條和小電流焊接。 橫焊與立焊的特點(diǎn)基本相似，僅僅是其咬邊和焊瘤易出現(xiàn)的位置不同。橫焊的咬邊容易出現(xiàn)在焊縫的下邊沿。 仰焊將使焊接人員以極不舒適的姿式焊接，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)條件差，焊接質(zhì)量也較差，故施工時(shí)應(yīng)盡量減少仰焊的數(shù)量。 （三）按焊接方法分類 自從工業(yè)焊接方法問(wèn)世以來(lái)，得到了迅猛發(fā)展，到目前為止，焊接方法已有近百種之多。在這里僅就壓力管道中可能用到焊接方法進(jìn)行介紹。 壓力管道中可能遇到的焊接方法如圖10－3所示。 手工電弧焊 電弧焊 自動(dòng)埋弧焊 半自動(dòng)埋弧焊 氣焊 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊 熔化焊 氣體保護(hù)焊 惰性氣體保護(hù)焊 壓力管道焊接 等離子焊 鍛焊 壓力焊 接觸焊 高頻焊 圖10－3 按焊接方法分類 1、熔化焊 利用外部加熱使構(gòu)件連接處熔化，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的原子間結(jié)合的焊接方法稱為熔化焊。它的特點(diǎn)是焊接接頭達(dá)到完全的冶金結(jié)合，接頭的機(jī)械性能接近或完全達(dá)到甚至超過(guò)母材，因此它是目前應(yīng)用較多的一種焊接方法。 常用的熔化焊焊接方法有電弧焊、氣體保護(hù)焊、等離子焊、氣焊等。 a、電弧焊 電弧焊是在電極（通常為與電源連接的焊條或焊絲）和焊件之間造成電弧，并利用電弧產(chǎn)生的熱量，將接頭處的金屬及填充金屬熔化，形成永久性接頭的焊接方法。它是目前應(yīng)用最廣泛的一種焊接方法。電弧焊具有焊接質(zhì)量可靠，熱影響區(qū)小，焊接速度快的特點(diǎn)。 根據(jù)操作方式的不同，常用的電弧焊有手工電弧焊、自動(dòng)埋弧焊、半自動(dòng)埋弧焊之分。其中，手工電弧焊與自動(dòng)埋弧焊相比，它們的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表10-1所示。 表10-1 手工電弧焊和自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn) 比較項(xiàng)目 手工電弧焊 自動(dòng)埋弧焊 操作方式 人工夾持填充材料，并沿焊縫接頭移動(dòng)而完成焊接。焊接填充材料通常為帶藥皮的焊條 專用機(jī)械夾持焊接填充材料，并通過(guò)機(jī)械自動(dòng)運(yùn)送焊接填充材料，焊接接頭也自動(dòng)前進(jìn)，焊接填充物通常為焊絲，并通過(guò)機(jī)械自動(dòng)輸送保護(hù)材料 生產(chǎn)效率 生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)環(huán)境差 可以采用較大的焊接參數(shù)，故生產(chǎn)效率高。由于機(jī)械操作，人員只需操作機(jī)器，故勞動(dòng)強(qiáng)度低 焊接質(zhì)量 受焊接人員的技術(shù)水平、環(huán)境等影響，質(zhì)量不穩(wěn)定 受人為的影響較小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫表面質(zhì)量較好。由于焊接電流大，不易產(chǎn)生未焊透等缺陷。不存在換焊條問(wèn)題，為連續(xù)完成，故減少了由于這個(gè)原因而引起的焊接質(zhì)量問(wèn)題 焊料及電能的利用 較厚件需要開(kāi)坡口，焊縫金屬填充量較大。每根焊條均要留下一截夾持段，造成浪費(fèi) 由于焊接電流大，熔深大，較厚件也可以不開(kāi)坡口。由于焊縫金屬的燒損和飛濺少，故金屬損失也較少 生產(chǎn)設(shè)備 設(shè)備簡(jiǎn)單，一次投資低 設(shè)備復(fù)雜，為專用的焊接設(shè)備，一次投資高 焊接位置 不受位置限制，操作比較靈活 限用于焊縫形狀簡(jiǎn)單、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)成形的水平焊縫或螺旋焊縫。當(dāng)焊接構(gòu)件的尺寸、接頭型式等發(fā)生變化時(shí)，需重新調(diào)整機(jī)器的有關(guān)參數(shù) 適用場(chǎng)合 適用于小批量、接頭型式多變的場(chǎng)合，故施工現(xiàn)場(chǎng)一般均采用該方法 適用于大批量同一類型接頭型式的焊接，常用于鋼管廠制造焊接鋼管 半自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn)介于手工和全自動(dòng)埋弧焊之間。 b、氣體保護(hù)焊 氣體保護(hù)焊實(shí)際上是電弧焊的一種。對(duì)手工電弧焊來(lái)說(shuō)，其熔池金屬是通過(guò)焊條藥皮產(chǎn)生的熔渣來(lái)覆蓋，以避免與空氣的接觸。對(duì)于自動(dòng)埋弧焊，它是通過(guò)大量的焊劑材料將電弧及熔池金屬均覆蓋起來(lái)以達(dá)到隔絕空氣的目的。而氣體保護(hù)焊則是通過(guò)非氧化性氣體或惰性氣體將電弧及溶池金屬與空氣隔絕，從而達(dá)到保護(hù)焊縫金屬的目的。氣體保護(hù)焊與前二者相比，具有下列特點(diǎn)：由于沒(méi)有熔劑，整個(gè)焊接過(guò)程和熔池情況可見(jiàn)性好，便于操作控制，焊縫表面成形好。而且由于沒(méi)有熔劑的存在，焊縫的夾渣已不存在。由于保護(hù)氣體的氣流對(duì)弧柱有壓縮作用，使電弧熱量更集中，因此焊縫熱影響區(qū)減小，焊縫質(zhì)量較好，構(gòu)件變形也較小，同時(shí)也可節(jié)省能源。但焊接過(guò)程要消耗大量氣體，尤其是制取費(fèi)用較高的惰性氣體（如氬氣、氦氣），焊接費(fèi)用較高。壓力管道的焊接常用它作為單面焊雙面成形的打底焊和蓋面焊。 根據(jù)所采用的保護(hù)氣體不同，氣體保護(hù)焊可分為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、氬氣氣體保護(hù)焊（通常也稱它為氬弧焊）和氦氣氣體保護(hù)焊等。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊與氬氣、氦氣保護(hù)焊相比，其最大特點(diǎn)是氣體較廉價(jià)。但由于二氧化碳在電弧的作用下會(huì)被電離而分解出氧和一氧化碳，前者對(duì)熔池金屬易產(chǎn)生氧化作用，而后者易使焊縫產(chǎn)生氣孔等缺陷，故其焊縫質(zhì)量不如惰性氣體保護(hù)焊好。 c、等離子焊 等離子焊是利用等離子弧作為熱源，將焊接接頭的局部金屬和填充金屬熔化而進(jìn)行焊接的一種方法。作為等離子焊熱源的等離子弧，與一般電弧相比具有以下特點(diǎn)：溫度高，通?？蛇_(dá)16000K~33000K；速度高，可達(dá)300m/s~100m/s；能量密度大，可達(dá)480kw/cm2。這些特點(diǎn)使得等離子焊具有焊縫熱影響區(qū)小、焊接構(gòu)件變形小、焊接接頭質(zhì)量好及焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，它常用來(lái)焊接高熔點(diǎn)金屬或合金。但等離子焊的設(shè)備控制較復(fù)雜，設(shè)備昂貴，而且由于電離產(chǎn)生的金屬氣體對(duì)人身有害，焊接時(shí)需要良好的通風(fēng)和勞動(dòng)保護(hù)，故它在工程上的應(yīng)用并不太廣泛。 等離子焊不如等離子切割應(yīng)用廣泛。由于等離子弧具有上述特點(diǎn)，故幾乎沒(méi)有不能被它切割的金屬，并且其熱量集中，具有切割速度快、質(zhì)量好、熱影響區(qū)小及構(gòu)件變形小等優(yōu)點(diǎn)，故壓力管道器材元件的制造和施工中，常用它來(lái)切割鋼板（尤其是合金鋼板）和開(kāi)設(shè)焊接坡口。 d、氣焊 氣焊是利用可燃?xì)怏w和助燃?xì)怏w混合燃燒形成的火焰，將被焊構(gòu)件的接頭局部溶化，并另外填充焊接金屬而進(jìn)行焊接的一種方法。與電弧焊相比，由于火焰的熱強(qiáng)度較低，金屬加熱時(shí)間較長(zhǎng)，而且加熱范圍較大，故焊后構(gòu)件的變形較大。氣焊的火焰對(duì)熔池金屬的保護(hù)較差，容易造成熔池金屬的氧化，而且易出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，故其焊縫質(zhì)量較差。因此，在壓力管道現(xiàn)場(chǎng)施工中，這種焊接方法實(shí)際上已很少用。但氣焊不需要電流，設(shè)備簡(jiǎn)單，適合于野外的施工及修理工作。由于氣焊的溫度低，不象電弧焊那樣容易將較薄構(gòu)件燒穿，故它以前常用于較薄構(gòu)件的焊接。但隨著氬弧焊等焊接方法的應(yīng)用，在較薄構(gòu)件的焊接中，氣焊也逐漸被采用細(xì)焊絲的氬弧焊所代替。 2、壓力焊 利用外部加熱，使構(gòu)件連接處的金屬呈塑性或表面熔化狀態(tài)，同時(shí)對(duì)構(gòu)件施加壓力，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間原子結(jié)合的焊接方法稱為壓力焊。與熔化焊相比，它具有下列特點(diǎn)：焊接時(shí)一般不需要太高的溫度，故對(duì)母材的損傷小。不需要焊條和保護(hù)劑或保護(hù)氣，可以減小焊接成本。但其焊接接頭一般情況下冶金結(jié)合不完全，焊縫質(zhì)量較差，尤其是綜合機(jī)械性能較低，故常用于壓力和溫度不高尤其溫度不高的使用場(chǎng)合。 常用的壓力焊接方法有鍛焊（爐焊）、接觸焊（電阻焊）、高頻焊等。 a、鍛焊（爐焊） 連續(xù)爐焊（鍛焊）是在加熱爐內(nèi)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加熱，然后對(duì)已成型的邊緣采用機(jī)械加壓方法并使其焊接在一起而形成具有一條直縫的焊接方法。其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，但焊接接頭冶金結(jié)合不完全，焊縫質(zhì)量差，綜合機(jī)械性能差。石化裝置中的水、汽、風(fēng)管道常為采用該焊接方法制造的焊接鋼管。 b、接觸焊（電阻焊） 電阻焊是利用強(qiáng)大的電流在通過(guò)焊接件的接頭處時(shí)，利用接頭處的電阻產(chǎn)生熱量，將接頭金屬迅速加熱到高溫，同時(shí)施加壓力使之焊合。其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化程度高，焊接時(shí)不需要焊條和焊劑，對(duì)母材損傷小，焊接變形和殘余應(yīng)力較小。但其焊接設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格高，對(duì)焊接接頭的表面質(zhì)量要求也比較高。由于接頭處難免有雜質(zhì)存在，所以接頭處的塑性和沖擊韌性較低，不宜用于高溫情況下和重要的場(chǎng)合。 c、高頻焊 通過(guò)高頻感應(yīng)電流發(fā)熱，對(duì)焊接接頭局部加熱使表面熔化，然后加壓，使構(gòu)件焊接在一起。其特點(diǎn)與電阻焊近似，常用于制造焊接鋼管。 二、電弧焊接過(guò)程的金屬理論 壓力管道及其元件在制造和現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，基本上都是采用電弧焊，故下面就以電弧焊為例來(lái)介紹有關(guān)的焊接理論和焊接技術(shù)。 （一）焊接金屬及其填充金屬的加熱特性 一般情況下，將電焊機(jī)、焊條和焊接件連接構(gòu)成一個(gè)閉合電路。電路的電壓較低，一般為24V左右，而焊接電流較大，一般為50A~250A。當(dāng)焊條與構(gòu)件接觸時(shí)，由于接觸點(diǎn)的電阻較大，由此產(chǎn)生較大的熱量，使接觸金屬溫度升高。如果將焊條離開(kāi)構(gòu)件一較小的距離，在電壓和高溫的作用下，會(huì)使焊條與構(gòu)件間的氣體發(fā)生電離，從而產(chǎn)生連續(xù)而強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。這種因氣體介質(zhì)的電離而產(chǎn)生的連續(xù)放電現(xiàn)象就是電弧。 電弧是由一組高溫的正負(fù)離子和電子組成的。就焊條與構(gòu)件之間的電弧來(lái)說(shuō)，其各部分的溫度是不相同的。以直流電弧為例，陰極區(qū)的溫度約為2400℃，長(zhǎng)度約為10-4mm，陽(yáng)極區(qū)的溫度約為2600℃，長(zhǎng)度約為10-2mm~10-3mm，陰極與陽(yáng)極之間的弧柱區(qū)的溫度約為6000℃~7000℃。由此可見(jiàn)，對(duì)直流電來(lái)說(shuō)，正接（焊條接電源負(fù)極，焊件接電源正極）與反接（與正接相反）對(duì)焊件的熔化溫度是不一樣的，對(duì)于高強(qiáng)度鋼，采用正接可以得到較大的熔深。對(duì)于交流電來(lái)說(shuō)，由于其正、負(fù)極為交替出現(xiàn)，故不存在正接、反接之說(shuō)。總起來(lái)說(shuō)，高溫的電弧形成了電弧焊的熱源。 電弧燃燒時(shí)，弧柱便成為高度電離的氣體導(dǎo)體，而電弧的兩端加有焊接電流和焊接電壓，電弧本身又具有電阻。根據(jù)電學(xué)原理可知，當(dāng)電阻不變時(shí)，電弧發(fā)出的熱量與其電阻和電流成正比，也就是說(shuō)，焊接電流越大，電弧產(chǎn)生的熱量越多，對(duì)焊件金屬的熔化就越快，熔深越深。而焊接電壓不宜太高，這是因?yàn)楹讣旧硎亲鳛楹附踊芈返囊徊糠?，它又直接暴露于人們可接觸的地方，故如果電壓太高，會(huì)導(dǎo)致人員觸電。 由于電弧是被電離的高溫氣體，又是導(dǎo)體，故在焊接中常出現(xiàn)電弧的偏吹問(wèn)題，它主要是受環(huán)境氣流（如大風(fēng)）或電流磁場(chǎng)的影響所至。電弧的偏吹會(huì)使電弧的燃燒不穩(wěn)定，焊縫成型不規(guī)則，或因弧長(zhǎng)增長(zhǎng)而增加了有害氣體侵入的機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致焊縫質(zhì)量下降等問(wèn)題。許多施工規(guī)范中都對(duì)焊接施工環(huán)境的風(fēng)速進(jìn)行了規(guī)定正是源于這個(gè)原因。 （二）焊縫金屬的冶金過(guò)程 焊件與焊條在電弧的作用下熔化，電弧離開(kāi)后，熔化的液態(tài)金屬將結(jié)晶凝固。這個(gè)熔化凝固過(guò)程具有加熱溫度高，時(shí)間短，液態(tài)金屬少，冷卻速度快，并直接與空氣接觸發(fā)生一系列反應(yīng)等特點(diǎn)。為此，為了補(bǔ)充可能被燒損的金屬，常通過(guò)焊條或藥皮（焊劑）加入一些相應(yīng)的金屬，以保證焊縫金屬的性能。由此可以說(shuō)，焊接的過(guò)程，存在著一個(gè)冶金反應(yīng)過(guò)程。 焊接過(guò)程包括的冶金反應(yīng)基本上有以下兩個(gè)方面的反應(yīng)：其一是液態(tài)金屬與氣體間的反應(yīng)；其二是液態(tài)金屬與焊條藥皮或焊劑的反應(yīng)。 1、液態(tài)金屬與氣體間的反應(yīng) 焊接時(shí)，熔池周圍充滿了各種成分的氣體，這些氣體主要來(lái)自于周圍的空氣，焊件或焊條中的濕氣（水分），焊件表面的鐵銹、油脂和油漆受熱后蒸發(fā)出的氣體等。在這些氣體中，以氧、氮、氫對(duì)焊縫質(zhì)量的影響最大。 在第九章中已經(jīng)講到，氧的存在會(huì)造成許多金屬元素的燒損。氧與鐵形成的氧化鐵，不僅使鐵元素的量減少，還容易溶入焊縫中形成非金屬物夾雜，從而造成焊縫金屬性能的下降。氧還能與碳生成一氧化碳?xì)怏w，使焊縫中出現(xiàn)氣孔。為了減少氧的存在，應(yīng)盡量采用較短的電弧，以避免大量的空氣接觸熔池金屬。焊前應(yīng)對(duì)焊條進(jìn)行烘干，潮濕或雨雪天不能戶外焊接，以避免大量的濕氣（H2O）因電離而分解出對(duì)焊縫金屬有害的氫氣和氧氣。在焊條藥皮或焊劑中加入脫氧劑可以有效地脫除焊縫金屬中的氧。 氮的存在會(huì)使焊縫的塑性和韌性下降，故對(duì)它的存在也應(yīng)加以控制。焊縫中的氮主要來(lái)自于焊縫周圍的空氣，故焊接時(shí)一方面要采用較短的弧長(zhǎng)，另一方面要加強(qiáng)溶池熔化金屬的保護(hù)。 氫的存在會(huì)給焊縫帶來(lái)一系列不利的影響。由于氫在液態(tài)金屬和固態(tài)金屬中的溶解度差別較大，故焊縫金屬冷卻后，過(guò)飽和的氫會(huì)在晶格缺陷中聚集而還原為氫分子，從而造成局部高壓，這個(gè)高壓會(huì)導(dǎo)致晶格缺陷擴(kuò)展成微裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展為宏觀裂紋。氫是眾多合金鋼焊縫冷裂紋產(chǎn)生的主要誘因，氫在逸出過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔，氫分散存在于金屬內(nèi)部時(shí)容易造成金屬的脆性，等等。由此可見(jiàn)，焊縫金屬中的氫必須嚴(yán)加控制。氫的主要來(lái)源是潮濕的焊接環(huán)境、焊條和焊劑中的水蒸汽，焊件上的油污及油漆在高溫下也會(huì)析出氫，因此焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制這些影響因素。除此之外，在焊條藥皮或焊劑中加入CaF2(即瑩石)，它可與氫生成HF而逸出。凡是加入CaF2的焊條稱為低氫型焊條。 2、液態(tài)金屬與焊條藥皮或焊劑的反應(yīng) 在介紹這個(gè)反應(yīng)之前，首先介紹一下焊條藥皮或焊劑的作用?？偲饋?lái)講，焊條藥皮或焊劑主要有以下作用： a、焊條藥皮或焊劑隨金屬填充物熔化后（對(duì)焊劑是部分熔化），將以熔渣的形式覆蓋在焊縫金屬表面上，從而保護(hù)高溫的焊縫金屬免遭空氣的侵害； b、由于熔渣中存在金屬鈉、鉀、鈣等元素的化合物等易電離介質(zhì)，可以使電弧中的電離條件得到改善，使電弧容易點(diǎn)燃，并穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，保證焊縫成形良好； c、在焊條藥皮或焊劑中加入一些特定的物質(zhì)，可以達(dá)到對(duì)焊縫金屬進(jìn)行脫氧、脫硫、脫磷的冶金目的； d、通過(guò)在焊條藥皮或焊劑中有意加入一些特定金屬元素，可以補(bǔ)償焊接過(guò)程中的金屬燒損。 根據(jù)焊條藥皮或焊劑的組成不同，可分為堿性焊條（焊劑）、酸性焊條（焊劑）和中性焊條（焊劑）三種。堿性焊條（焊劑）中的主要成分為Na2O、K2O、CaO、MgO、FeO、MnO等；酸性焊條（焊劑）中的主要成分為SiO2、Ti2O、P2O5等；中性焊條（焊劑）的主要成分為Al2O3、Fe2O3、V2O5等。酸性焊條的焊渣呈玻璃狀結(jié)構(gòu)，外表發(fā)亮，容易形成光滑的焊縫。堿性焊條（焊劑）一般呈結(jié)晶狀，焊縫成形較差。 不同藥皮的焊條或焊劑，在焊縫的冶金反應(yīng)中的作用是不同的。下面將結(jié)合冶金反應(yīng)的目的來(lái)介紹它們的作用。 前面已經(jīng)講過(guò)，氧的存在會(huì)造成許多有用合金元素的燒損，或者易形成夾雜物，故焊條的藥皮或焊劑中常加入一些與氧親合力更高的元素如硅、錳、鈦、鋁等，并生成不溶于焊縫液態(tài)金屬的焊渣而排出。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，酸性、堿性、中性焊條或焊劑均能達(dá)到該目的。 第三章中已經(jīng)講過(guò)，硫的存在能與鐵生成FeS，并以低熔點(diǎn)的FeS-Fe（熔點(diǎn)為985℃）或FeS-FeO(熔點(diǎn)為940℃)共晶存在于晶界上。在高溫下，這些共晶物容易引起材料的紅脆，降低材料的耐蝕性和材料的強(qiáng)度及塑性，在焊縫中它還容易導(dǎo)致結(jié)晶裂紋（熱裂紋）的出現(xiàn)。在焊接冶金反應(yīng)中，往往在焊條藥皮或焊劑中加入比鐵對(duì)硫親合力更大的錳、鈣等元素，焊接時(shí)生成難溶于金屬溶液而容易溶于熔渣的MnS、CaS，從而達(dá)到脫硫的目的。從脫硫的目的來(lái)講，堿性焊條或焊劑更好些。 磷在鋼中可全部溶于鐵素體中，使鐵素體難以變形，從而使鋼材呈現(xiàn)脆性。它也可能以Fe3P的形式存在，并與鐵形成低熔點(diǎn)共晶物分布于晶界上，但Fe3P與FeS不同，前者強(qiáng)度較高，會(huì)阻礙晶界的常溫變形，故總起來(lái)說(shuō)，磷主要是導(dǎo)致金屬材料冷脆的有害元素。焊接冶金反應(yīng)中脫磷的方法是靠FeO將磷氧化，然后再與CaO、MgO、MnO等生成復(fù)雜的磷酸鹽，從而達(dá)到脫磷目的。脫磷的反應(yīng)式為： 2P + 5FeO P2O5 + Fe 2Fe3P + 5FeO P2O5 + 11Fe P2O5 + 4CaO 4CaOP2O5 CaOP2O5易溶于熔渣而排走。由此可見(jiàn)，只有堿性焊條才能脫磷，酸性焊條是不能脫磷的。 在焊接過(guò)程中，由于蒸發(fā)、氧化等原因，會(huì)損失一部分有用的合金元素，使焊縫的組織和性能受到影響。為了補(bǔ)償損失的合金元素，或者為了有意識(shí)地去改善焊縫金屬的組織和性能，可以在焊條藥皮或焊劑中加入相應(yīng)的元素，使它們?cè)诤缚p冶金反應(yīng)過(guò)程中熔入到焊縫金屬中，使焊縫的合金成分達(dá)到希望的要求。當(dāng)然，在焊接材料中直接提高可能被燒損的合金元素含量或者有意識(shí)加入某些特定的合金元素也能達(dá)到該目的。對(duì)于氣體保護(hù)電弧焊，因?yàn)椴淮嬖诤笚l藥皮或焊劑，故只有通過(guò)改善焊接材料（焊絲）的成分來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。 （三）焊接接頭的組織與性能 焊接接頭在經(jīng)歷了一個(gè)從熔化到凝固的結(jié)晶過(guò)程之后，其組織和性能相對(duì)于原材料金屬已發(fā)生了一系列變化，這個(gè)變化又直接影響到壓力管道的使用性和可靠性。為了便于理解，在介紹焊接接頭的組織和性能之前，先介紹幾個(gè)基本定義。 a、母材：被焊接的管子、管件等原構(gòu)件稱為母材； b、焊接材料：焊絲、裸焊條等填充金屬與焊劑和焊條藥皮統(tǒng)稱為焊接材料； c、熔池：焊接時(shí)，被加熱熔化的母材和焊接材料處于一個(gè)池形固態(tài)金屬中，這一由固態(tài)金屬所形成的包圍液態(tài)金屬的池子稱為熔池； d、熔合線：熔池與母材的邊界線稱為熔合線。它實(shí)質(zhì)上也是焊接接頭的液態(tài)金屬與未被熔化的母材金屬的交界線。 e、焊縫：熔池內(nèi)的液態(tài)金屬凝固后所形成的區(qū)域稱為焊縫。顯而易見(jiàn)，焊縫是被熔合線所包絡(luò)的一個(gè)區(qū)域； f、熱影響區(qū)：熔合線外側(cè)的母材金屬，由于受到加熱的影響，在靠近熔合線的一段區(qū)域內(nèi)，將經(jīng)歷一次不同程度的熱處理，從而使其組織和性能也發(fā)生了不同于母材的變化。這樣的區(qū)域稱為熱影響區(qū)； g、焊接接頭：焊縫和其熱影響區(qū)總稱為焊接接頭。 由上述的各名詞定義中不難看出，焊接接頭相對(duì)于母材來(lái)說(shuō)，其組織和性能的變化可以分為兩部分討論：其一是發(fā)生在焊縫區(qū)域內(nèi)的熔化結(jié)晶變化；其二是發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)的熱處理變化。 1、焊縫金屬的組織和性能 焊縫金屬在經(jīng)歷了一次熔化結(jié)晶過(guò)程之后，其組織和性能已完全不同于母材，此時(shí)的組織為鑄造組織，即為粗大的柱狀組織，鑄造組織中存在的缺陷它也可能存在（在下面的焊接缺陷部分中將詳細(xì)介紹）。但有別于鑄造組織的地方是，它可以通過(guò)焊接材料加入較母材金屬更多的合金元素，因此焊接接頭的機(jī)械性能要比鑄造材料高，有時(shí)焊縫金屬的機(jī)械性能能達(dá)到甚至超過(guò)母材金屬。通過(guò)改變焊接工藝，可以改變焊縫金屬的組織。例如，減少焊接電流，即減少加熱熱量和熔池體積，使焊縫金屬結(jié)晶速度加快，獲得的焊縫組織就比較細(xì)。工程上對(duì)厚壁管子、管件的焊接，常采用小電流多層焊的方法，就是基于這樣的道理；增大焊接速度，也能使結(jié)晶速度加快，獲得的組織也比較細(xì)；在焊接材料中，有意識(shí)地加入一些熔點(diǎn)較高的合金元素，可增加結(jié)晶時(shí)的晶核數(shù)量，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的；焊接前的預(yù)熱會(huì)降低結(jié)晶速度，對(duì)改善組織是不利的，但它有助于防止某些合金焊接時(shí)的開(kāi)裂問(wèn)題。該問(wèn)題將在下面講到。 2、焊縫熱影響區(qū)金屬的組織和性能 焊縫熱影響區(qū)的金屬由于經(jīng)歷了一次熱處理過(guò)程，故其組織和性能也將發(fā)生一系列變化。不難理解，由焊縫到母材的遠(yuǎn)處，溫度是呈梯度分布的。焊縫金屬溫度最高，從焊縫到母材遠(yuǎn)處，溫度逐漸降低。焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，由于距焊縫的距離不同，發(fā)生的熱處理并由此造成的金屬組織是不一樣的。根據(jù)所發(fā)生的熱處理和金屬的組織不同，可將熱影響區(qū)劃分為半熔化區(qū)、過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)、再結(jié)晶區(qū)和藍(lán)脆區(qū)等六個(gè)部分。見(jiàn)圖10-4所示。 a、半熔化區(qū)： 它位于焊縫金屬與母材的交界處。在焊接過(guò) 程中，該區(qū)域的金屬被加熱到半熔化狀態(tài)，金屬 組織為鑄造組織和粗晶組織共存，組織的化學(xué)成 分和機(jī)械性能有較大的不均勻性。因此，該區(qū)域 金屬的機(jī)械性能較差，常常是產(chǎn)生裂紋和局部脆 性的多發(fā)區(qū)。該區(qū)域較窄（約為0.1mm~1mm）， 有時(shí)很難分出，但它對(duì)焊接接頭性能的影響卻是 比較大的。 b、過(guò)熱區(qū)： 該區(qū)域的金屬處在AC3以上100℃~200℃至 固相線的溫度區(qū)間內(nèi)。即金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，得 到的組織相對(duì)于母材來(lái)說(shuō)比較粗大，常出現(xiàn)過(guò)熱 組織。該區(qū)域金屬的性能特點(diǎn)是沖擊韌性顯著降 低，一般可降低25%~30%。它也是焊接接頭開(kāi) 裂的多發(fā)區(qū)。影響過(guò)熱區(qū)組織和性能的因素有焊 圖10－4 焊縫熱影響區(qū) 接電流、高溫停留時(shí)間等。焊接電流過(guò)大，過(guò)熱 現(xiàn)象越嚴(yán)重；氣焊加熱溫度雖然較低，但其加熱時(shí)間較長(zhǎng)，故它比電弧焊更容易使焊接接頭的過(guò)熱區(qū)惡化。 c、正火區(qū) 該區(qū)域的金屬處于AC3以上100℃~200℃溫度區(qū)間內(nèi)，而且冷卻過(guò)程中一般為自然冷卻，故具有正火熱處理的過(guò)程特征和條件，得到的組織也為細(xì)晶粒的正火組織，其機(jī)械性能一般優(yōu)于母材性能。當(dāng)然，如果母材原來(lái)就為正火組織，此時(shí)該區(qū)域的組織和性能則基本上不發(fā)生變化，或者由于再次被加熱而稍有一點(diǎn)負(fù)面影響。 d、部分相變區(qū) 該區(qū)域的金屬處于AC1至AC3溫度之間。溫度接近于AC3的部分，其珠光體和鐵素體能全部發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，冷卻時(shí)可得到晶粒較細(xì)的鐵素體和珠光體組織。溫度稍高于AC1的部分，一般只能發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，而由于溫度較低，鐵素體沒(méi)能發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，或者沒(méi)能完全轉(zhuǎn)變。沒(méi)能轉(zhuǎn)變的鐵素體會(huì)長(zhǎng)大。因此，部分相變區(qū)的組織是一個(gè)不均勻的組織，其機(jī)械性能較差。同樣道理，如果母材本身就是正火組織，則此時(shí)只有晶粒長(zhǎng)大的機(jī)會(huì)，故機(jī)械性能也會(huì)變差。 e、再結(jié)晶區(qū) 該區(qū)域的金屬被加熱到450℃至AC1溫度區(qū)間，處于再結(jié)晶的溫度范圍。當(dāng)母材有加工變形時(shí)，會(huì)發(fā)生金屬的再結(jié)晶。當(dāng)母材為正火組織（即不存在加工變形等問(wèn)題時(shí)）時(shí)，不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，并且也沒(méi)有奧氏體的轉(zhuǎn)變，一般也不會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象（因?yàn)闇囟容^低，時(shí)間又短），故此時(shí)該區(qū)域的組織沒(méi)有變化，金屬性能也沒(méi)有改變。 f、蘭脆區(qū) 該區(qū)域的金屬被加熱到200℃~500℃溫度區(qū)間，此時(shí)原母材中的少量殘余奧氏體可能發(fā)生轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)馬氏體，且有少量的滲碳體從鐵素體中析出，并以細(xì)小的微粒存在于鐵素體中，使材料的強(qiáng)度和硬度略有升高，而塑性和韌性下降，有時(shí)甚至在焊接應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。蘭脆區(qū)的顯微組織基本上同母材組織。 由此可見(jiàn)，上述的六個(gè)區(qū)都會(huì)對(duì)母材的組織和（或）性能帶來(lái)一些變化，而且大多數(shù)帶來(lái)的都是不利影響，因此在焊接過(guò)程中，應(yīng)盡量減少熱影響區(qū)的寬度，并通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗秃附右?guī)范來(lái)消除其不利影響。 熱影響區(qū)的寬度一般是比較窄的，而且一般情況下，顯微鏡下只能看到過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)三個(gè)區(qū)域。以低碳鋼為例，在不同焊接方法中各區(qū)域的寬度見(jiàn)表10-2所示。 表10-2 不同焊接方法的熱影響區(qū)寬度 各焊接熱影響區(qū)的平均尺寸，mm 熱影響區(qū)總寬， 焊接方法 過(guò)熱區(qū) 正火區(qū) 部分相變區(qū) mm 手工電弧焊 2.2 1.6 2.2 6.0 氣焊 21.0 4.0 2.0 27 埋弧自動(dòng)焊 0.8~1.2 0.8~1.7 0.7 2.5 三、焊接接頭缺陷 前面已經(jīng)講過(guò)，焊接接頭包括焊縫及其熱影響區(qū)兩部分，熱影響區(qū)的組織和性能特點(diǎn)已作了詳細(xì)介紹，也提到了焊縫本身的組織為鑄造組織，那么鑄造組織常出現(xiàn)的缺陷也容易出現(xiàn)在焊縫中。但焊縫與鑄件兩者也有不同之處，焊縫本身液態(tài)金屬少，結(jié)晶速度快，故它出現(xiàn)偏析和縮松的可能性和嚴(yán)重性不如鑄件。壓力管道中的焊縫由于受結(jié)構(gòu)的影響，其焊接變形較難發(fā)生，從而容易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力（結(jié)晶速度快同樣也是導(dǎo)致焊接應(yīng)力產(chǎn)生的一個(gè)重要原因，下面將詳細(xì)介紹）。較大的焊接殘余應(yīng)力容易使焊接接頭產(chǎn)生裂紋，還容易使材料的耐腐蝕性降低。由于這些差別，有必要將焊縫中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷及防止方法進(jìn)行介紹。 （一）焊接殘余應(yīng)力及焊接變形 1、焊接殘余應(yīng)力及焊接變形的產(chǎn)生 被熔化的焊縫金屬，在冷卻過(guò)程中將會(huì)收縮。就壓力管道的焊縫來(lái)說(shuō)，焊縫金屬的收縮可能以三種型式出現(xiàn)：其一是橫向（即沿管道長(zhǎng)度方向）收縮，它使管道的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度趨于變短，使熔合線金屬處于拉應(yīng)力狀態(tài)；其二是縱向（即徑向）收縮，它使焊縫金屬與母材處于受剪應(yīng)力的狀態(tài)；其三是角向收縮。當(dāng)焊縫坡口尺寸上下不一致時(shí)，焊縫金屬上下的收縮量也不同，從而使焊縫金屬承受一個(gè)彎曲應(yīng)力。這些應(yīng)力的存在都使得壓力管道的結(jié)構(gòu)形狀趨于發(fā)生變化，如果壓力管道受結(jié)構(gòu)的限制而不能發(fā)生形狀或尺寸的變化，那么這些應(yīng)力便以殘余應(yīng)力的形式存在于焊縫金屬中，通常稱之為焊接殘余應(yīng)力。由此可見(jiàn)，焊縫的殘余應(yīng)力與焊件的變形是互為影響的，其產(chǎn)生的原因都是由于焊縫的不均勻收縮或收縮受阻引起的。 就壓力管道的焊縫來(lái)說(shuō)，其橫向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力有時(shí)是可以避免的，如預(yù)制過(guò)程中的焊接接頭即如此。有些是不可避免的，如已裝配和固定好的一條管道的最后一道焊縫即如此；其縱向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力是不可避免的，尤其是當(dāng)焊縫金屬與母材金屬的熱脹系數(shù)差別較大時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)很大；其角向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力可以通過(guò)改變坡口形狀來(lái)緩解，尤其是當(dāng)管子及管件的壁厚較厚時(shí)，通過(guò)采用X型或U型坡口，可以緩解較大的角向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力。 從微觀上來(lái)講，焊接殘余應(yīng)力由以下三部分組成： a、熱應(yīng)力 這是由于焊縫本身各部分收縮量不同或者是由于加熱不均勻（局部加熱）而產(chǎn)生的應(yīng)力。前者如焊縫的角向收縮、縱向收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力；后者如由于焊接是移動(dòng)的，沿焊縫方向的金屬先后加熱和冷卻而造成的應(yīng)力。它們都是由于焊縫金屬各部分的不均勻收縮而產(chǎn)生的，故稱為熱應(yīng)力。 b、結(jié)晶應(yīng)力 結(jié)晶應(yīng)力是熔池金屬自液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，體積收縮受阻引起的應(yīng)力。如前面所提到的橫向整體收縮受阻引起的應(yīng)力就是結(jié)晶應(yīng)力。在一般的情況下，當(dāng)熔池金屬結(jié)晶時(shí)，其周圍的固態(tài)母材金屬還處于高溫狀態(tài)，此時(shí)其塑性較好，可以通過(guò)它的塑性變形來(lái)補(bǔ)償熔池金屬的收縮，因此不會(huì)在母材中引起裂紋。如果母材金屬塑性較差（如鑄鐵、銅等），或者母材有嚴(yán)重的偏析，在較大的結(jié)晶應(yīng)力作用下就會(huì)引起裂紋。在焊件剛性比較大的情況下也容易引起裂紋。 c、組織應(yīng)力 組織應(yīng)力是固態(tài)金屬發(fā)生相變時(shí)，體積改變受阻而引起的應(yīng)力。例如，馬氏體的比容比較大，由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)，其體積要膨脹。而馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度較低（一般在200℃左右），此時(shí)材料的塑性很低，很難通過(guò)塑性變形對(duì)其體積膨脹進(jìn)行補(bǔ)償，因此將產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。對(duì)于淬硬性較強(qiáng)的金屬材料，如果焊后冷卻速度較快，很容易出現(xiàn)這樣的組織應(yīng)力。由于馬氏體組織性能較脆，在組織應(yīng)力作用下會(huì)引起冷裂紋。 2、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭的影響 焊接殘余應(yīng)力的存在會(huì)對(duì)焊件帶來(lái)一系列不良影響。前面已經(jīng)提到，它會(huì)使焊件發(fā)生變形。因此對(duì)于焊后需要進(jìn)行機(jī)加工的管道元件，或者對(duì)焊接變形比較敏感的管道元件，均應(yīng)在機(jī)加工前或裝配前進(jìn)行熱處理，或者從結(jié)構(gòu)上采取措施。例如，對(duì)于DN≤40的焊接連接合金鋼閥門，由于其結(jié)構(gòu)尺寸較小，焊接變形和焊后熱處理會(huì)影響到其閥座的密封性，故一般要在它的兩端各加裝150mm長(zhǎng)的短管，該短管在制造廠焊好，這樣就使得現(xiàn)場(chǎng)的焊縫離閥門較遠(yuǎn)，從而不致于因焊接或熱處理變形而影響到閥門的密封性；焊接殘余應(yīng)力的存在還影響到焊接接頭金屬的耐腐蝕性能，因?yàn)榻饘僭趹?yīng)力的作用下處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，甚至處于晶格畸變的高能狀態(tài)，此時(shí)更容易遭受腐蝕，特別是應(yīng)力腐蝕。事實(shí)上也證明，大多數(shù)應(yīng)力腐蝕的開(kāi)裂都是由焊接殘余應(yīng)力或加工殘余應(yīng)力引起的。因此，對(duì)于有應(yīng)力腐蝕破壞潛在危險(xiǎn)的壓力管道，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理；對(duì)于淬硬性較強(qiáng)的高強(qiáng)度管道元件，或者是大壁厚元件，因前者會(huì)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，后者會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力（因參于凝固結(jié)晶的金屬較多），容易導(dǎo)致冷裂紋或熱裂紋的產(chǎn)生，故也應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。 3、焊接殘余應(yīng)力的消除 前面已多次提到，進(jìn)行焊后熱處理是消除或緩解焊接殘余應(yīng)力影響的最好途徑。根據(jù)熱處理進(jìn)行的方式不同，可以分為兩種：其一是采用整體高溫回火熱處理，即將整個(gè)焊件（包括焊縫和母材）置于加熱爐中進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的消除。這種方法僅適用于焊件結(jié)構(gòu)尺寸較小的情況，在壓力管道中則常用于管道元件在制造過(guò)程中的焊接和焊補(bǔ)修理熱處理；其二是采用局部高溫回火熱處理，即僅對(duì)焊縫及其附近的母材金屬加熱到600℃~650℃左右進(jìn)行熱處理。它是施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的熱處理，因?yàn)榇藭r(shí)進(jìn)行整體熱處理是不現(xiàn)實(shí)的。 無(wú)論是采用整體熱處理還是局部熱處理，都不能將焊接殘余應(yīng)力全部消除，因?yàn)楹负鬅崽幚聿荒芨淖儫釕?yīng)力的大小，而僅對(duì)消除組織應(yīng)力最有效，但它對(duì)熱應(yīng)力和結(jié)晶應(yīng)力能起到平衡緩解的作用，即通過(guò)金屬的再結(jié)晶使應(yīng)力重新分布，降低其峰值。一般情況下，焊后熱處理可以消除60%~80%的焊接殘余應(yīng)力。除此之外，采用合理的施焊順序，采用較小的焊接電流和較大的焊接速度，采用焊前預(yù)熱等措施都有助于減少焊接殘余應(yīng)力。 （二）焊接裂紋 裂紋是最嚴(yán)重的焊接缺陷，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的危害性也最大，它不僅會(huì)使產(chǎn)品報(bào)廢，有時(shí)甚至?xí)购附咏Y(jié)構(gòu)破裂而造成嚴(yán)重的事故。因此，焊接裂紋的產(chǎn)生與否是評(píng)定焊縫質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，也是工程上嚴(yán)格控制的一個(gè)缺陷。 按裂紋產(chǎn)生的機(jī)理和時(shí)間不同，可將焊接裂紋分為熱裂紋和冷裂紋兩種。 1、熱裂紋 熱裂紋是在熔池金屬結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生的，因此又稱它為結(jié)晶裂紋。因?yàn)樗l(fā)生在高溫下，裂紋斷面有明顯地氧化顏色，故由此可以判別某焊接裂紋是熱裂紋還是冷裂紋。熱裂紋在金屬凝固之后的冷卻過(guò)程中，在焊接應(yīng)力的作用下可進(jìn)一步擴(kuò)展，乃至危害焊接接頭的金屬?gòu)?qiáng)度。 熱裂紋一般發(fā)生在結(jié)晶過(guò)程中金屬冷卻到固相線附近的溫度，此時(shí)金屬的結(jié)晶即將完成，而晶粒之間尚存在著少量的低熔點(diǎn)共晶體的液態(tài)薄層尚未凝固。當(dāng)這些低熔點(diǎn)液態(tài)薄層凝固時(shí)，因得不到液體金屬的補(bǔ)償，會(huì)形成強(qiáng)度很低的疏松組織。由于此時(shí)有熱應(yīng)力的存在，疏松組織在熱應(yīng)力的作用下就很容易產(chǎn)生裂紋。由此可見(jiàn)，焊縫中存在低熔點(diǎn)的共晶體是產(chǎn)生熱裂紋的內(nèi)因，而焊接應(yīng)力則是產(chǎn)生熱裂紋的外因。同樣道理，如果母材本身也存在低熔點(diǎn)的共晶物，那么在靠近焊縫的高溫區(qū)，母材中低熔物的強(qiáng)度因受熱而急劇降低，在焊接應(yīng)力的作用下，低熔物會(huì)發(fā)生斷裂而導(dǎo)致母材中的熱裂紋產(chǎn)生。 實(shí)踐證明，碳與硫的含量多少是影響熱裂紋產(chǎn)生的主要因素。前文已講過(guò)，硫常與鐵形成低熔點(diǎn)共晶物，故它是直接導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生的主要根源。一般情況下，焊接材料中的硫含量應(yīng)控制在0.03%~0.04%以下。采用堿性焊條，對(duì)焊縫進(jìn)行較好的脫硫也是降低熱裂紋產(chǎn)生傾向的途徑之一。碳含量的增加，將減小硫在金屬中的熔解度，使更多的硫集中分布在晶界上，從而促使硫與鐵的低熔點(diǎn)共晶物的形成。因此，含碳量越高，焊接接頭出現(xiàn)熱裂紋的危險(xiǎn)性越大。采用焊前預(yù)熱和合理的焊接順序等焊接工藝，可緩解熱裂紋產(chǎn)生的傾向。 2、冷裂紋 冷裂紋一般發(fā)生在組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中，并具有延遲出現(xiàn)的特點(diǎn)。 導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下兩個(gè)方面： a、淬火作用引起的冷裂紋 對(duì)于容易淬硬的材料，焊接冷卻條件下容易產(chǎn)生馬氏體組織。從第三章中已經(jīng)知道，馬氏體硬而脆，而且伴隨著較大的組織應(yīng)力，使金屬組織處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，在復(fù)雜焊接應(yīng)力的作用下，很容易產(chǎn)生冷裂紋。對(duì)碳素鋼來(lái)說(shuō)，含碳量越大，材料的淬硬性就越大，產(chǎn)生的馬氏量就越多，故出現(xiàn)冷裂的危險(xiǎn)性就越大。由此可見(jiàn)，含碳量的增加，同時(shí)會(huì)增加材料焊接冷裂和熱裂的危險(xiǎn)性，故壓力管道的焊接元件中，對(duì)于碳素鋼材料，一般限制其含碳量不超過(guò)0.25%。對(duì)于高合金（奧氏體不銹鋼除外）來(lái)說(shuō)，由于合金元素的存在，使材料的淬硬性增加，從而導(dǎo)致其產(chǎn)生冷裂紋的危險(xiǎn)性增加。對(duì)于合金鋼，常用碳當(dāng)量的多少來(lái)衡量其產(chǎn)生冷裂紋傾向的大小，詳見(jiàn)第三章所述。 b、氫作用引起的冷裂紋 在焊接高溫下，一些含氫的化合物會(huì)分解出原子氫，使得大量的原子氫溶入熔池金屬中。不同的組織，氫溶解量是不同的，奧氏體溶解量較大，鐵素體溶解量較小，前者一般是后者的4~5倍。在焊縫冷卻過(guò)程中，金屬組織將發(fā)生由奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，同時(shí)釋放出大量的氫。由于焊縫冷卻速度較快，以致大量的氫來(lái)不及逸出而殘留在焊縫金屬中。當(dāng)材料由奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于焊縫中心的金屬含碳量較低，而焊縫邊沿金屬含碳量較高，故中心金屬首先發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，此時(shí)它的過(guò)飽和氫將向母材側(cè)遷移。由于焊縫冷卻速度極快，當(dāng)過(guò)飽和的氫遷移的焊縫的熔合線附近時(shí)，已沒(méi)有擴(kuò)散到母材內(nèi)的溫度能量，故它將在熔合線周圍的馬氏體組織或材料的微觀孔隙內(nèi)聚集。聚集到馬氏體組織內(nèi)的氫使馬氏體更加脆化，在焊接應(yīng)力的作用下會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。聚集到材料微觀孔隙內(nèi)的氫會(huì)結(jié)合成氫分子，造成局部高壓，這個(gè)高壓產(chǎn)生的應(yīng)力與焊接應(yīng)力交互作用的結(jié)果也將使金屬產(chǎn)生裂紋。這也就說(shuō)明了為什么冷裂紋容易出現(xiàn)在焊縫邊沿的道理。 注：焊縫中心的金屬多為填充金屬，而填充金屬一般具有比母材更高的質(zhì)量，包括其含碳量低，含有害雜質(zhì)元素 低等。 由此可見(jiàn)，氫的存在是金屬材料焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂的主要根源之一。氫在金屬中的擴(kuò)散速度受溫度的影響比較大，也與金屬的組織有關(guān)。一般情況下，氫在高溫下的擴(kuò)散速度較快，低溫下的擴(kuò)散速度則較慢。氫在鐵素體中的擴(kuò)散速度較快而在珠光體或奧氏體中的擴(kuò)散速度較慢。對(duì)低碳鋼來(lái)說(shuō)，由于氫的擴(kuò)散速度較快（因?yàn)樗蔫F素體含量較高），氫原子很容易逸出金屬而跑到大氣中，故不易產(chǎn)生冷裂紋。對(duì)奧氏體鋼來(lái)說(shuō)，由于它溶氫量較大，雖然擴(kuò)散速度較慢，也不會(huì)發(fā)生局部聚集而導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。只有在高碳鋼或合金鋼中，由于它溶氫的能力較小，氫的擴(kuò)散速度又比較慢，以致它不能在焊縫冷卻過(guò)程中逸出，故它們很容易產(chǎn)生冷裂紋。由于冷裂紋的產(chǎn)生與氫的擴(kuò)散有關(guān)，而氫的擴(kuò)散又與時(shí)間有關(guān)，故冷裂紋往往在焊后一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生，故又稱冷裂紋為延遲裂紋。 減少氫的來(lái)源，使氫有機(jī)會(huì)逸出焊縫金屬，避免出現(xiàn)淬硬組織等，都可防止或減少焊接冷裂紋的出現(xiàn)。從減少氫的來(lái)源考慮，應(yīng)采用低氫型焊接材料，焊前嚴(yán)格烘干焊接材料，不要在濕度較大的雨雪天焊接等都可減少焊縫金屬中的氫含量；控制焊后冷卻速度和多層焊的層間溫度，使其不發(fā)生或少發(fā)生馬氏體的轉(zhuǎn)變，既可防止組織脆化，又利于氫的逸出，故有利于防止冷裂紋的出現(xiàn)；焊后進(jìn)行熱處理，可以起到除氫、消脆和消除焊接應(yīng)力的作用，因此可以防止冷裂紋的產(chǎn)生。工程中進(jìn)行焊后熱處理是防止焊后產(chǎn)生冷裂紋的常用方法。 （三）焊縫的氣孔和夾渣 焊縫的氣孔和夾渣也是常見(jiàn)的焊接缺陷。它們的存在會(huì)降低焊縫金屬的致密性，削弱焊縫金屬的強(qiáng)度，增加焊縫金屬的脆性，降低其耐蝕性。因此，它們也是評(píng)定焊縫質(zhì)量的重要指標(biāo)。 1、氣孔 氣孔的產(chǎn)生是多方面的，大致可以歸納為以下幾個(gè)方面： a、冶金反應(yīng)方面 前面已經(jīng)講到，在焊接冶金反應(yīng)中，可能會(huì)產(chǎn)生多種氣體，在這些氣體中，除了外界帶來(lái)的氫、氮等氣體外，還有冶金反應(yīng)生成的一氧化碳，它們都是產(chǎn)生氣孔的主要?dú)怏w。 溶池中的氧和金屬中的碳在焊接高溫下結(jié)合生成一氧化碳，一氧化碳不溶于金屬，可以從焊縫金屬中逸出。結(jié)晶過(guò)程中生成的一氧化碳可能來(lái)不及逸出金屬外，而在晶界處形成氣孔。母材或焊接材料的含碳量越高，或焊接過(guò)程中脫氧不完全時(shí)，容易產(chǎn)生一氧化碳?xì)饪住? 前文已講過(guò)，氫氣若在焊縫冷卻時(shí)聚集在材料的微觀孔隙內(nèi)，可還原為氫氣。高壓的氫氣可擴(kuò)展原來(lái)的微觀孔隙而成為氣孔。氫氣形成的氣孔與一氧化碳等其它氣體形成的氣孔性質(zhì)不同，它可使氣孔進(jìn)一步擴(kuò)展而成為裂紋。 氮?dú)獾挠绊懪c氫相似，但焊接過(guò)程中由于嚴(yán)格控制了焊縫金屬與空氣的接觸，故焊縫出現(xiàn)氮?dú)鈿饪椎默F(xiàn)象較少。 b、藥皮和焊劑的物理性能影響 藥皮和焊劑在焊接過(guò)程中所形成的熔渣覆蓋在焊縫金屬表面上，以保護(hù)高溫的焊縫金屬不與空氣接觸而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果熔渣透氣性不好，不利于焊縫中的氣體逸出，則容易造成焊縫中氣孔的產(chǎn)生。但如果熔渣的透氣性太大，容易造成空氣的侵入，使熔渣起不到應(yīng)有的保護(hù)作用。 c、焊接工藝方面的影響 如果焊接速度較快，金屬的冷卻速度也較快，不利于氣體的逸出，容易產(chǎn)生氣孔。焊接電弧較長(zhǎng)時(shí)，容易使空氣侵入，產(chǎn)生氣孔的可能性就越大。焊前對(duì)焊條嚴(yán)格烘干，焊件進(jìn)行預(yù)熱，清除干凈焊件表面的油物、油漆等，都可以減少氣孔的生成。 2、夾渣 夾渣是指焊接過(guò)程中因來(lái)不及浮出而夾在焊縫金屬內(nèi)的熔渣等非金屬化合物。一般情況下，它呈塊狀或條狀存在于焊縫金屬中。 夾渣產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面： a、焊接電流過(guò)小，或者焊接速度太快，使焊縫金屬冷卻速度太快，以致熔渣來(lái)不及浮出焊縫金屬； b、手工焊接時(shí)由于運(yùn)條不當(dāng)，以致熔化金屬和熔渣混淆在一起； c、多道焊接時(shí)，前道焊接時(shí)的熔渣清除不干凈。 工程上，焊縫的內(nèi)部夾渣是嚴(yán)格控制的缺陷，常通過(guò)無(wú)損探傷檢驗(yàn)并進(jìn)行評(píng)級(jí)。對(duì)于高壓管道，一般不允許有條狀?yuàn)A渣存在。 （四）其它焊接缺陷 除了上述的幾種主要的、也是影響比較大的缺陷之外，焊接中還經(jīng)常出現(xiàn)下列一些缺陷。這些缺陷對(duì)焊接接頭的性能都會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，因此一般的焊接施工規(guī)范中對(duì)它們都有具體的限制。 1、外部缺陷 外部缺陷除了前面提到的裂紋、氣孔和夾渣外，常見(jiàn)的還有咬邊、焊瘤、未焊滿、燒穿、焊縫尺寸超差等缺陷。 a、咬邊 它是焊件母材沿焊縫邊緣在焊接過(guò)程中被熔去的溝槽。咬邊的存在會(huì)減少焊縫金屬的有效受力面積，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)焊縫的強(qiáng)度不利。一般咬邊的深度不應(yīng)超過(guò)0.5mm，如果存在較大的咬邊，可采用補(bǔ)焊（如果允許的話）進(jìn)行修理。 b、焊瘤 它是熔化金屬流敷在未熔化的母材表面，形成的未熔合的瘤狀物。焊瘤的存在容易引起夾渣、未焊透和焊接接頭應(yīng)力集中等問(wèn)題，使接頭強(qiáng)度降低。焊瘤可進(jìn)行鏟除修理。 c、弧坑或未焊滿 它是在焊縫邊緣或焊縫收尾處因熔化金屬未填滿焊縫而留下的溝槽或凹坑?；】踊蛭春笣M對(duì)焊接接頭性能的影響類似咬邊，可采用補(bǔ)焊修理。 d、燒穿或焊漏 它是指熔化金屬?gòu)暮缚p的另一面漏出，甚至燒穿成洞。燒穿或焊漏會(huì)嚴(yán)重影響焊接接頭的強(qiáng)度和嚴(yán)密性，是不允許存在的缺陷。產(chǎn)生燒穿或焊漏的原因可能是焊接電流過(guò)大，電弧停留時(shí)間太長(zhǎng)或者焊縫裝配間隙過(guò)大等。 e、焊縫尺寸超差 它是指焊縫尺寸的過(guò)寬或過(guò)窄，過(guò)高或過(guò)低，角焊縫的焊腳高不一致等問(wèn)題。焊縫尺寸的過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)引起應(yīng)力集中。焊縫過(guò)低時(shí)還會(huì)削弱焊接接頭強(qiáng)度，過(guò)高時(shí)容易增加焊接應(yīng)力，且浪費(fèi)焊接材料，故均應(yīng)進(jìn)行控制。 2、內(nèi)部缺陷 內(nèi)部缺陷除上面提到的裂紋、氣孔和夾渣外，經(jīng)常見(jiàn)到的還有末焊透。末焊透是指焊件母材與熔化金屬之間或多層焊的焊層之間存在的局部未熔化。它的存在會(huì)削弱焊接接頭的強(qiáng)度，并造成應(yīng)力集中，它是斷裂裂紋產(chǎn)生的根源，因此它也是不允許存在的缺陷。產(chǎn)生未焊透的原因可能是焊件表面有油污、銹蝕等污物未除干凈，或者焊接電流過(guò)小、焊接速度過(guò)高，以致熱量不夠所至。 四、焊接接頭的檢查與試驗(yàn) 前文已經(jīng)講到，焊接接頭相對(duì)于母材金屬來(lái)說(shuō)，發(fā)生了一系列組織和性能的變化，而且常常出現(xiàn)各種缺陷。正因?yàn)槿绱?，工程中有必要?duì)焊接接頭進(jìn)行相應(yīng)的檢查和試驗(yàn)，以確定它是否滿足工程使用要求。 對(duì)焊縫采用的檢查試驗(yàn)方法有外觀檢驗(yàn)、無(wú)損檢驗(yàn)、壓力及密封試驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)、化學(xué)成分分析和金相組織分析等。 1、外觀檢驗(yàn) 焊縫的外觀檢查一般以肉眼觀察為主，有時(shí)也可利用（5~20）倍的放大鏡進(jìn)行觀查。觀查的內(nèi)容主要有焊縫的外部缺陷，如焊縫的尺寸超差、咬邊、焊瘤、弧坑、未焊滿、燒穿、焊漏、外部氣孔和外部裂紋等。在檢查之前，應(yīng)清除掉焊縫表面的熔渣、飛濺等物。值得注意的是，在清除熔渣之前，應(yīng)觀查熔渣的覆蓋情況。一般情況下，根據(jù)熔渣覆蓋的特征，可以粗略地估計(jì)該處可能出現(xiàn)的焊縫缺陷。例如，熔渣中有裂紋時(shí)，往往預(yù)示著焊縫金屬也有裂紋存在。另外，在檢查外部缺陷時(shí)，也可以推測(cè)其內(nèi)部可能存在的缺陷。如焊縫表面出現(xiàn)咬邊或焊瘤時(shí)，往往預(yù)示著焊縫內(nèi)部可能存在著未焊透或未熔化；焊縫表面有氣孔和夾渣時(shí)，焊縫內(nèi)部也可能存在著氣孔和夾渣。 當(dāng)外觀檢查不能立即判定某些缺陷是不是裂紋時(shí)，應(yīng)作標(biāo)記，以便用無(wú)損探傷方法（如磁粉探傷或滲透探傷）進(jìn)一步檢查確認(rèn)。 2、無(wú)損檢查 對(duì)于重要的焊接接頭，可以采用無(wú)損探傷方法對(duì)其焊縫的表面缺陷和內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查。無(wú)損檢驗(yàn)的應(yīng)用往往標(biāo)志著施工費(fèi)用的增加，故應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合必要性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。常用的無(wú)損檢驗(yàn)方法有射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、液體滲透探傷等。前兩者常用于內(nèi)部缺陷的檢查，后兩者則用于外部缺陷的檢查。關(guān)于各種無(wú)損檢驗(yàn)方法的特點(diǎn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)定方法已在第九章中做過(guò)介紹，有關(guān)它們的應(yīng)用將在本章第三節(jié)中結(jié)合常用的施工規(guī)范進(jìn)行介紹。 3、壓力及密封試驗(yàn) 常用的壓力試驗(yàn)為水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，它可以綜合考查焊縫的強(qiáng)度和嚴(yán)密封。一般情況下，試驗(yàn)的壓力比較高，對(duì)壓力管道來(lái)說(shuō)，約為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍。 密封性試驗(yàn)的方法很多，常用的有煤油滲透試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)等方法。 針對(duì)焊縫的水壓試驗(yàn)和密封性試驗(yàn)在工程上很少單獨(dú)去做，而常常是與系統(tǒng)的水壓試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)一起做。有關(guān)這方面的內(nèi)容將在本章第三節(jié)中介紹。 4、機(jī)械性能試驗(yàn) 在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，很少針對(duì)焊縫進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)（硬度檢驗(yàn)除外），也不便進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)（因?yàn)樗瞧茐男栽囼?yàn)），它常常用在焊接工藝評(píng)定上。施工現(xiàn)場(chǎng)一般僅檢查焊接接頭的硬度，用于判斷焊后熱處理的效果。 對(duì)于新材料、新工藝，在沒(méi)有獲得成熟的焊接工藝和焊接參數(shù)之前，都要進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。SHJ509《石油化工工程焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)給出了有關(guān)焊接工藝評(píng)定的具體要求。機(jī)械性能檢驗(yàn)是工藝評(píng)定中的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一，它包括的內(nèi)容有拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)（包括面彎、背彎和側(cè)彎三種）和沖擊試驗(yàn)（包括焊縫區(qū)沖擊試驗(yàn)和熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)兩種）。有關(guān)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)要求見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)SHJ509和本書第九章。 5、化學(xué)成分分析 化學(xué)成分分析常于焊接材料的研究中，對(duì)于成熟的母材和焊接材料，工程上或焊接工藝評(píng)定中是很少進(jìn)行化學(xué)成分分析的，有時(shí)偶爾在事故分析中用到，故在此不再進(jìn)一步介紹。 6、金相組織分析 通過(guò)金相組織分析，可以了解焊縫金屬中各種夾雜物的數(shù)量和分布情況、晶粒的大小及熱影區(qū)的組織狀況等。根據(jù)檢驗(yàn)分析的結(jié)果，可以改進(jìn)焊接工藝，制定合理的熱處理工藝，選擇合適的焊接材料等，以期獲得較好的焊接接頭。事實(shí)上，焊接接頭的金相分析在工程施工中也很少用，工藝評(píng)定中也不包括該項(xiàng)內(nèi)容。只有對(duì)重要的場(chǎng)合，或作為事故分析，當(dāng)設(shè)計(jì)技術(shù)人員或用戶提出時(shí)，才做該項(xiàng)分析。 思考題： 1、什么叫焊接？焊接與其它管道連接方式相比，有什么特點(diǎn)？ 2、什么叫熔化焊？常用的熔化焊焊接方法有哪些？ 3、什么叫氣焊？什么叫電弧焊？二者相比，各有何優(yōu)缺點(diǎn)？ 4、什么叫壓力焊？常用的壓力焊焊接方法有哪些？各有何特點(diǎn)？ 5、試述電弧焊接的加熱特性？ 6、金屬電弧焊接時(shí)有哪些冶金反應(yīng)？ 7、什么叫母材？什么叫熔池？什么叫熔合線？什么叫焊縫？什么叫焊縫熱影響區(qū)？什么叫焊接接頭？ 8、試述電弧焊焊縫的組織和性能特點(diǎn)？ 9、試述電弧焊焊接熱影響區(qū)