1、1 引言 近 10 年来，国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术取得了引人注目的新 发展。随着锅炉、压力容器和管道工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩 展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求。所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接 材料和焊接设备首先应保证焊接接头的高质量，同时必须满足高效、低耗、低 污染的要求。因此，在这一领域内，焊接工作者始终面临复杂而艰巨的技术难 题，要求不断寻求最佳的解决方案。通过不懈的努力已在许多关键技术上取得 重大突破，并在实际生产中得到成功的应用，取得了可观的经济效益，使锅炉、 压力容器和管道的焊接技术达到了新的发展水平。 本 次 研 究 的 课 题 是 对 15MnVg
2、锅炉锅筒焊接工艺进行研制，我首先讨论 了锅炉的重要部件锅筒，同时也对 15MnVg 这一材料的特点和焊接性能进行了 探讨。由于锅炉的锅筒是整个锅炉的框架，要承受很大的压力，对焊接质量的 要求很高，因此需要科学的对其焊接的各项指标进行设计。我在讨论比较了各 种焊接方法后选择了适合本课题所需的焊接方法和焊接工艺，也通过查阅各项 国家标准确定了影响焊接性能的主要参数及所用焊接材料的牌号，使得整个焊 接工艺流程符合实际情况的需要，满足了焊接质量的要求。 2 锅炉的简介 2.1 锅炉的定义 锅炉是利用燃料燃烧释放出的热能或其他能量将工质(中间载热体)加热到 一定参数的设备。应用于加热水使之转变为蒸汽的锅
3、炉称为蒸汽锅炉,也称为蒸 汽发生器;应用于加热水使之提高温度转变为热水的锅炉,称为热水锅炉而应用 于加热有机热载体的锅炉称为有机热载体锅炉。 锅 炉 是 国 民 经 济 中 重 要 的 热 能 供 应 设 备 。 电 力 、 机 械 、 冶 金、化工、 纺织、造纸、食品等行业,以及工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的热能。从 能源利用的角度看,锅炉是一种能源转换设备。在锅炉中,一次能源(燃料)的化 学贮藏能通过燃烧过程转化为燃烧产物(烟气和灰渣)所载有的热能,然后又通过 传热过程将热量传递给中间载热体(例如水和蒸汽),依靠它将热量输送到用热设 备中去。这种传输热量的中间载热体属于二次能源,因为它
4、的用途就是向用能设 备提供能量。当中间载热体用于在热机中进行热一功转换时,就叫做“工质”。 如果中间载热体只是向热设备传输、提供热量以进行热利用,则通常被称为“热 媒”。 普 通 锅 炉 的 外 观 图 如 下 ： 图 1-1 锅炉 图 1-2 锅炉 2.2 锅炉的分类 锅炉的有很多种分类方法，主要有以下几种。 （1）按其用途可以分为电站锅炉、工业锅炉、船舶锅炉和机车锅炉等四类。 前两类又称为固定式锅炉,因为是安装在固定基础上而不可移动的。后两类则称 为移动式锅炉。 （2）按出口介质可以分为：蒸汽锅炉、热水锅炉、汽水两用锅炉。 （3）按锅炉公称压力可以分为： 1) 低压锅炉 小于等于 2.45
5、 MPa 2) 中压锅炉 2.944.90 MPa 3) 高压锅炉 7.8410.8 MPa 4) 超高压锅炉 11.814.7 MPa 5) 亚临界压力锅炉 15.719.6 MPa 6) 超临界压力锅炉 大于等于 22 MPa （4）按锅炉蒸发量可以分为： 1) 小型锅炉 小于 20t/h 2) 中型锅炉 20t75t/h 3) 大型锅炉 大于 75t/h （5）按燃料选择来分：燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、原子能锅炉。 （6）按燃料燃烧方式可以分为：层燃炉、室燃炉、沸腾炉。 （7）按锅炉结构可以分为：锅壳式锅炉、水管式锅炉。 2.3 锅炉工作原理 在锅炉中进行着以下三个主要过程: (1)
6、燃料在炉内燃烧,其化学贮藏能以热能的形式释放出来,使火焰和燃烧产 物(烟气和灰渣)具有高温。 (2)高温火焰和烟气通过“受热面”向工质(热媒)传递热量。 (3)工质(热媒)被加热,其温度升高或者汽化为饱和蒸汽,或再进一步被加热 成为过热蒸汽。 以上三个过程是互相关联并且同时进行的,实现着能量的转换和传递。伴随 着能量的转换和转移还进行着物质的流动和变化: (1)工质,例如给水(或回水进入锅炉,最后以蒸汽(或热水)的形式供出。 (2)燃料,例如煤进入炉内燃烧,其可燃部分燃烧后连同原含水分转化为烟气,其 原含灰分则残存为灰渣。 (3)空气送入炉内,其中氧气参加燃烧反应,过剩的空气和反应剩余的惰性气
7、 体混在烟气中排出。 水-汽系统、煤-灰系统和风-烟系统是锅炉的三大主要系统,这三个系统的 工作是同时进行的。 通常将燃料和烟气这一侧所进行的过程(包括燃烧、放热、排渣、气体流动 等)总称为“炉内过程”;把水、汽这一侧所进行的过程(水和蒸汽流动、吸热、 汽化、汽水分离、热化学过程等)总称为“锅内过程”。 2.4 锅炉主要参数 锅炉的主要参数包括锅炉产生热能的数量和质量两个方面的指标。如蒸汽 锅炉的主要参数是生产蒸汽的数量和蒸汽的压力、温度,热水锅炉的主要参数是 热水的流量和热水的压力、温度。 2.4.1 锅炉出力 蒸汽锅炉的出力是指每小时所产生的蒸汽数量,也称为锅炉的蒸发量,用以 表示其产汽的
8、能力。蒸发量又称为容量,用符号 D 来表示,常用的单位是“t/h”。 新锅炉出厂时,铭牌上所标示的蒸发量,指的是这台锅炉的额定蒸发量。所谓额 定蒸发量,是指锅炉燃用设计的燃料品种,并在设计参数下运行,即在规定的压力、 温度和一定的热效率下,长期连续运行时每小时所产生的蒸汽量。热水锅炉的出 力是指锅炉在确保安全的前提下长期连续运行,每小时输出热水的有效供热量, 称为锅炉的额定供热量。热水锅炉的额定供热量用热功率表示,其单位为“MW”。 2.4.2 锅炉压力 锅炉压力是指垂直作用在单位面积上的力,通常叫压力(实际上是压强)。用 符号 p 表示,单位是“MPa”。锅炉的压力是根据所用金属材料在一定温
9、度条件 下的强度,受压元件的几何形状以及受压特点等条件,按照国家颁布的有关强度 计算标准,对各个受压元件分别进行壁厚计算,然后从中选出一个所能承受的压 力最低值,作为这台锅炉的最高允许使用压力。蒸汽锅炉内的压力是因为锅炉内 的水吸收热量后,由液体状态变成气体状态,体积膨胀。由于锅筒是密闭容器,蒸 汽不能自由膨胀,而被迫压缩在锅筒内,因此对筒壁就产生压力。 2.5 锅炉主要设备及其作用 锅炉由一系列设备组成，这些设备可以分为主要部件和辅助设备两类。现 代锅炉所具有的主要部件及其作用如下。 1.炉膛 保证燃料燃尽并使出口烟气温度冷却到对流受热面能安全工作 的数值。 2.燃烧设备 将燃料和燃烧所需空
10、气送入炉膛并使燃料着火稳定，燃烧 良好。 3.锅筒 是自然循环锅炉各受热面的闭和件，将锅炉各受热面联结在一 起并和水冷壁，下降管等组成水循环回路。锅筒内储存汽水，可适应负荷变化， 内部设有汽水分离装置等以保证汽水品质，支流锅炉无锅筒。 4.水冷壁 是锅炉的主要辐射受热面、吸收炉膛热加热工质，并用以保 护炉墙，后水冷壁管的拉稀部分称为凝渣管用以防止过热器结渣。 5.过热器 将饱和蒸汽加热到额定过热蒸汽温度。生产饱和蒸汽的蒸汽 锅炉和热水锅炉无过热器。 6.再热器 将汽轮机高压缸排汽加热到较高温度，然后再送到汽轮机中 压缸膨胀作功。主要用于大型电站锅炉以提高电站热效率。 7.省煤器 利用锅炉尾部烟
11、气的加热量加热给水，以降低排烟温度，节 约燃料。 8.空气预热器 加热燃烧用的空气，以加强着火和燃烧；吸收烟气余热， 降低排烟温度，提高锅炉效率；为镁粉锅炉制粉系统提供干燥剂。 9.炉墙 是锅炉的保护外壳，起密封和保温作用。小型锅炉中的炉墙也 可起支承锅炉部件的作用。 10.构架 支承和固定锅炉各部件，并保持其相对位置。 本次主要的研究对象是锅筒，筒体是压力容器最主要的组成部分，包括筒 体端部、内筒、板层等，是完成一系列反应的压力空间。当直径较小时，可用 无缝钢管组成，这样的筒体无纵缝。当筒体直径较大时，筒体可用钢板卷成圆 筒或压制成两个半圆，然后通过焊接方法将钢板焊接成一个完整的圆柱形。此
12、时焊缝与筒体中心轴线平行，故称之为纵焊缝。容器直径适中时，一般只有一 条纵焊缝。容器直径逐渐增大，可能有两条或两条以上纵焊缝。 3 锅 炉 锅 筒 材 料 及 尺 寸 本 次 研 究 的 课 题 是 对 15MnVg 锅炉锅筒焊接工艺进行研制，在此讨论的 锅炉材料主要针对课题进行介绍。 3.1 15MnVg 锅炉锅筒材 料 的 介 绍 15MnVg 是一种主要含 Mn、V 两种元素的低碳合金结构钢，它是一种锅炉 用钢，它的主要性能由其中的 Mn、V 两种元素的百分比来确定的。 其中 C 含量为 0.100.18%，是钢的主要强化元素，随着含碳量的增加，钢 的强度、硬度、增加，塑性、韧性和抗腐蚀
13、性降低；含碳量对可焊性影响极大， 随着含碳量的增加，焊缝金属和焊接热影响区产生焊接裂纹的倾向增加，可焊 性变差，一般临界点在碳含量为 0.25%左右。 Mn 含量为 1.201.60%，它是强化元素之一，能溶解于铁素体中，起固溶 强化作用；当 Mn 含量小于 2%时，可以很好的提高钢的强度和硬度；又因为 Mn 有增加晶粒长大的倾向，因此也会增大钢对淬火过热的敏感性，可以有效 的减少焊后裂纹。 V 含量在 0.2%左右，它能提高钢的强度，可以细化晶粒，降低晶粒长大倾 向，能提高淬硬性，并有时效硬化作用，同时也具有回火脆性。 Si 含量为 0.200.60%，它的特点是含量小于 0.10%时对钢有
14、强化作用，大 于 0.20%时会降低钢的塑性和冲击韧性，它是一种强脱氧剂，可以提高钢在高 温下的抗氧化性，不过焊接时易形成高熔点夹杂物残留在焊缝中，所以含量也 应该适当。 P 含量为小于等于 0.035%，S 含量为 0.040.12%，这两种元素都属于有害 杂质，会降低钢的可焊性，使焊缝金属和焊接热影响区产生焊接裂纹，恶化焊 接质量，应该尽量减少其含量。 Cu 含量为小于 0.03%，属于不可避免杂质，对焊接质量也有所影响。 15MnVg 是钢的牌号，其中 g 为钢的牌号代表锅炉用钢，主要指锅炉用钢 板， （G 也是钢的牌号，主要指滚动轴承钢或锅炉用钢管） 。 15MnVg 属于压力容器用钢
15、，需要有较大的承压性能，在标准 GB6654 中 规定，该钢使用状态为热轧或正火，厚度为 660mm，允许使用温度范围为 20475，可用于工作压力一般不大于 35MPa 的锅炉中。 3.2 15MnVg 锅炉锅筒尺 寸 的 选 择 在 庞 大 的 工 业 锅 炉 家 族 中 ， 水 火 管 锅 壳 式 锅 炉 占 有 相 当 大 的 比 重 ， 它 一 直 是 工 业 锅 炉 的 主 力 之 一 。 据 统 计 目 前 水 火 管 锅 炉 的 生 产 台 数 占 工 业 锅 炉 总 台 数 的 55.5%， 蒸 吨 数 占 48%， 长 期 以 来 老 式 锅 炉 由 于 尺 寸 结 构 的
16、 不 科 学 性 ， 导 致 锅 炉 的 热 效 率 低 、 耗 钢 量 大 、 耗 煤 量 大 ， 浪 费 了 许 多 资 源 ， 由 此 可 以 看 出 锅 炉 的 设 计 是 很 重 要 的 。 在 此 我 选 择 的 是 标 准 椭 球 形 封 头 螺 纹 烟 管 DZL 系 列 锅 炉 ， DZ 是 工 业 锅 炉 形 式 代 号 ， 代 表 单 锅 筒 立 式 ， L 是 燃 烧 方 式 代 号 ， 代 表 链 条 炉 排 。 它 的 诸 多 设 计 优 于 老 式 锅 炉 ， 极 大 程 度 的 节 省 了 资 源 ， 基 本 参 数 如 下 表 。 表 2-1 标 准 椭 球
17、形 封 头 螺 纹 烟 管 DZL 系 列 锅 炉 基 本 参 数 型 号 锅 筒 直 径 (mm) 锅 筒 壁 厚 (mm) 集 箱 直 径 (mm) 螺 纹 烟 管 直 径 (mm) 锅 炉 额 定 出 力 工 作 压 力 (MPa) 锅 炉 效 率 DZL1.4-0.7/95/70-A 1200 8 159 63. 53. 5 1.4 MW 0.7 76.52% DZL2.8-0.7/95/70-A 1400 12 159 63. 53. 5 2.8M W 0.7 77.47% DZL4.2-0.7/95/70-A 1600 14 159 63. 53. 5 4.2M W 0.7 78.
18、56% DZL2-1.0-A 1200 8 159 63. 53. 5 2t/h 0.7 76.94% DZL4-1.0-A 1400 12 159 63. 53. 5 4 t/h 1.0 78.0% DZL4-1.25-A 1400 16 159 63. 53. 5 8 t/h 1.25 78.0% 我 选 用 其 中 的 DZL4-1.25-A 系 列 ， 确 定 焊 接 尺 寸 有 ： 锅 筒 直 径 为 1400mm， 锅 筒 壁 厚 为 16mm。 4 焊接的简介 4.1 焊接定义 焊接是用加热或加压，或加热又加压的方法，在使用或不使用填充金属的 情况下，使两块金属连接在一起的一种加
19、工工艺方法。 焊 接 是 一 种 重 要 的 金 属 加 工 工 艺 ， 主 要 对 象 是 钢 材 ， 目 前 在 生 产 的 钢 材 中 接 近 一 半 要 通 过 焊 接 才 能 成 为 金 属 结 构 ， 投 入 使 用 ， 同 时 焊 接 也 是 锅 炉 成 形 的 重 要 工 艺 。 4.2 焊接分类 焊接一般都是根据热源的性质、形成接头的状态及是否采用加压来进行分 类的，可以分为以下几类。 1、熔化焊 熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。它是最 基本的焊接工艺方法，包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离 子弧焊、堆焊和铝热焊等。 2、压焊 压焊是通
20、过对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的方法。它包括 爆炸焊、冷压焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、高频焊和电阻焊等。 3、钎焊 钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，在加热温度高于钎料低于母 材熔点的情况下，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散 实现连接焊件的方法。根据使用钎料的不同，可分为硬钎焊和软钎焊两类。 4.3 熔焊原理 熔焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝金属的焊接方法。它是焊接结 构中最常用的工艺，现有的熔焊方法均可以获得满意的熔焊接头。 熔焊时，加热是实现熔焊的必要条件。通过对焊件进行局部加热，使焊接 区的金属熔化、冷却后形成牢固的接头。由于金属导热能力高，
21、加热时热量必 然会向金属内部流失。为了保证焊接区金属能够迅速达到熔化状态，并防止加 热区过宽，要求焊接热源具备温度高且热量集中的特点，即热源的温度明显高 于被焊金属的熔点且加热范围小。 根据物理学知识，热量的传导有传导、对流、辐射三种基本方式。在熔焊 过程中，上述三种方式都存在：热源的热量传递到焊件主要通过对流和辐射； 母材与焊丝获得热量后在其内部传递以热传导为主。 加热与熔化焊条的热量就来自三个方面：焊接电弧经热传导给焊条的热能； 焊接电流通过焊芯时产生的电阻热热；化学冶金反应产生的反应热。 在此过程中，热源同时也使母材发生局部熔化。由熔化的焊条金属和熔化 的母材形成具有一定集合形状的液态金
22、属部分就称作熔池。 焊接过程中焊条药皮或焊剂熔化后，在熔池中参与化学反应而形成覆盖于 熔池表面的熔融状非金属物质称为熔渣。它是冶金反应的主要参与物之一，起 非常重要的作用，在焊接区形成独立的相。 焊接区内充满大量气体，这些气体不断与熔化金属发生冶金反应，从而影 响焊缝金属的化学成分与力学性能。焊接化学冶金过程，主要是指熔焊时焊接 区内各种物质之间在高温条件下的相互作用。 焊件经焊接后形成的由熔化的母材与填充金属组合而成的结合部分就是焊 缝。 5 焊接工艺的研制 5.1 焊接方法的选择 焊接方法有很多，经常使用的主要有以下几种。 1、气焊 气焊是利用气体燃烧火焰作为热源的一种熔焊方法，气体火焰由
23、可燃气体 和助燃气体燃烧形成，气焊通常使用焊丝和助熔剂。 气焊与电弧焊相比，火焰温度低，加热速度慢；火焰和焊丝是各自独立的， 气体的火焰可以自由调整，能顺利焊接需要预热和缓冷的金属材料；可以在各 种复杂位置进行焊接；设备简单，具有很大通用性，特别是没有电的情况下也 可以进行焊接。 气焊主要用于焊接薄件及要求背面成型的焊缝，熔池的温度、形状及焊缝 尺寸、背面成型较易控制。 2、焊条电弧焊 焊条电弧焊是利用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法，焊条电弧焊的焊 接材料是电焊条。焊条由焊芯和药皮两部分组成，焊接时可作为电极和填充材 料。 这种方法操作简单，易于维修，对焊接位置的装配尺寸要求较低，容易控 制
24、焊件的复杂变形，焊条品种齐全，可以获得性能优良的焊缝金属，但是工作 效率较低。 焊条电弧焊可以焊接碳钢、低合金钢、不锈钢及耐若钢，也可以用于铸铁 和铝、铜及其合金的焊接。不过由于受到焊接电流范围的限制，焊条熔敷率低， 进行长焊缝时要经常更换焊条，而且焊完后必须清渣，焊接质量受焊工技术水 平和体力影响，所以效率较低，选用时应考虑成本。 3、埋弧焊 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧以进行焊接的方法，其焊接过程容易实现机 械化操作。 埋弧焊焊缝化学成分稳定，焊接参数变动极小，单位时间内熔化的金属量 和焊剂的数量很少发生变化；焊接接头有良好的综合力学性能，由于熔渣和焊 剂的覆盖层使焊缝缓冷，熔池结晶时间较长
25、，冶金反应充分，缺陷较少，并且 焊速较大；埋弧焊适合厚度较大构件的焊接，它的焊丝伸出长度小，较细的焊 丝可采用较大的焊接电流（电流密度可达 100150A/mm2） ；焊缝美观、光滑； 埋弧焊减少金属和电能的损耗，焊接时电弧热量集中，减少了向空气中的散热 及由于金属飞溅和蒸发所造成的热量损失及金属损失，又因熔深大，可以减小 焊件坡口尺寸或甚至不开坡口；易实现自动化、机械化操作，劳动强度低，操 作简单，生产率高。 埋弧焊主要用于碳素钢、低合金高强度钢、耐热钢以及不锈钢长焊缝的水 平位置焊接，特别适用于 20mm 左右的纵缝、环缝焊接。也可以进行不锈钢和 低合金钢高强度钢的带极堆焊，这种焊接方法已
26、在锅炉等压力容器、金属构件、 船舶和车辆制造中广泛应用。 4、气体保护焊 气体保护焊是利用外加气体作为电弧介质，并保护电弧、金属熔滴、焊接 熔池和焊接区高温金属的电弧焊方法。生产中常用的外加气体有氩、氦、二氧 化碳、氩加二氧化碳和氧的混合气体等。 气体保护焊明弧焊接，可见度好，所以操作方便；焊接熔池和热影响区小， 焊接变形和裂纹倾向不大；利用氩、氦等惰性气体作为保护气体，焊接活泼金 属时，具有很高的焊接质量。 气体保护焊适应性强，薄板，厚板均可焊接，在汽车、船舶、工程机械等 领域比较普遍。 5、等离子弧焊接 等离子弧焊接是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等 离子弧进行熔焊的方法
27、。电弧经过水冷喷嘴孔道时，受到机械压缩、热收缩和 电磁收缩效应的作用，弧柱截面减小，电流密度增大，弧内电离度提高，成为 等离子弧。主要用于热敏感性很强的不锈钢及各种高合金钢和钨、铜、钴等难 熔金属材料的焊接。 根据确定的 15MnVg 锅炉锅筒的尺寸：锅 筒 直 径 1400mm、 锅 筒 壁 厚 16mm， 并 对 比 以 上 各 种 焊 接 方 法 ， 在此采用埋弧焊工艺，因为它适合较大 构件中厚板的焊接，焊接质量优良，而且比气体保护焊设备简单，容易实现机 械化。 经过查阅，埋弧焊主要应用范围见下表： 表 5-1 埋弧焊的应用范围 焊件材料 适用厚度/ mm 主要接口形式 低碳钢、低合金钢
28、 不锈钢 铜 =3150 =3 =4 对接T 形接口搭接环缝电铆焊 对接 对接 5.2 各种长度焊缝的焊接方法介绍 一般在 500mm 以下的焊缝为短焊缝；在 5001000mm 以内的焊缝为中等长度 的焊缝；焊缝长度在 1000mm 以上为长焊缝。在焊接金属结构时，为减少金属结 构的变形当焊缝长度不同时，采取的焊接顺序也有所不同，主要有以下几种。 1.直通焊接法 对于短焊缝一般采用这种方法，即从一端到另一端，焊接 方向始终保持不变。 2.对称焊法 一般使用在中等长度焊缝焊接中，即以焊缝中点为起点，交 替向两端进行直通焊，主要可以减小焊接变形。 3.分段退焊法 主要用于中等长度焊缝焊接中。 图
29、 5-1 分段退焊法 4.分中逐步退焊法 适用于长焊缝的焊接。即从焊缝中点向两端逐步退焊。 此方法运用广泛，可由两名焊工对称焊接。 图 5-2 分中逐步退焊法 5.跳焊法 适用于长焊缝的焊接，其特点是朝着一个方向进行间断焊接，要求 每段长度以 200250mm 为宜。 图 5-3 跳焊法 6.交替焊法 基本原理是选择焊件温度低的位置进行焊接，使焊件温度分 布均匀，有利于减小焊接变形。此方法缺点是要焊工不断变化焊接位置，比较 繁复。 图 5-4 交替焊法 5.3 焊接工艺的选择 埋弧焊焊接工艺主要有以下四种。 （1） 单面焊双面成形埋弧自动焊：采用较大的焊接电流，将焊件一次熔 透，由于埋弧焊熔池
30、（宽度）较大，只有采用强制成形的衬垫，使 熔池在衬垫上冷却凝固，才能达到一次成形。用这种焊接工艺可以 提高生产率，减轻劳动强度，改善劳动条件，单丝可焊透 14mm 厚 的板材；双丝可焊透 40 mm 厚的板材。 （2） 对焊接焊缝双面埋弧自动焊：1、不开坡口预留间隙双面埋弧，一般 用于焊接厚度在 20mm 以内的板材；2、开坡口双面埋弧焊，根据焊 件厚度来确定坡口类型，厚度小于 22mm 时开单面 V 形坡口，大于 22mm 时，一般开 X 形坡口；3、悬空双面埋弧自动焊，板厚在 18mm 以下时不开坡口，在 20mm 以上时，要开坡口，这种方法对 坡口质量要求较高。 （3） 多层埋弧自动焊：
31、对于较厚的钢板，常采用此方法。 （4） 对接环焊缝埋弧自动焊：主要用于圆形筒体对接。 由于单面焊双面成形埋弧自动焊必须采用较大的焊接线能量才能保证熔透 和背面成形，会导致热影响区奥氏体晶粒长大，影响接头性能，而锅炉焊接对 接头质量要求很高，所以在此不选用，不开坡口预留间隙双面埋弧对焊剂垫要 求较高，悬空双面埋弧自动焊对坡口要求高，多层埋弧自动焊用于较厚的钢板 此次板厚为 16 mm，不符合要求，对接环焊缝埋弧自动焊用于圆形筒体对接也 不符合要求。 综合考虑之后，我决定采用开坡口双面埋弧，采用此方法焊件焊好一面后 背面应清根，在进行焊接。 5.3 焊接材料的选用 焊接过程中用以进行焊接连接的消耗
32、材料统称为焊接材料。焊接生产中广 泛使用的焊接材料主要包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体和钎剂、钎料等。不 同焊接工艺条件下采用的焊接材料也有所不同，埋弧焊采用的焊接材料主要是 焊丝和焊剂。焊丝的作用相当于焊条中的焊芯，焊剂的作用相当于焊条中的药 皮。在焊接过程中焊剂的作用是隔离空气、保护焊接区金属使其不受空气的侵 害，以及进行冶金处理。此时焊丝与焊剂配合使用是决定焊缝金属化学成分和 力学性能的重要因素。 5.3.1 焊丝的选用 埋弧焊采用最常用的实芯焊丝，实芯焊丝是由热轧线材经拉拔加工而成的， 为了防止焊丝生锈，须对焊丝（除不锈钢焊丝外）表面进行特殊处理，目前主 要是镀铜，包括电镀、浸铜及化学镀
33、铜处理等方法。 焊丝的选择要根据被焊钢材种类、焊接部件的要求、焊接施工条件、成本 等综合考虑。母材是 15MnVg，属于低合金钢，应该选择锰含量在 1%以上的焊 丝，可选择的有低锰焊丝（如 H08A） 、中锰焊丝（如 H08MnA、H10MnSi） 、 高锰焊丝（如 H10Mn2、H08Mn2Si）等。 同时为满足焊接不同厚度的钢材，可以采用不同直径的焊丝，焊丝的直径 主要影响熔深，直径的选择主要取决于焊件的厚度和焊接电流值，为保证焊缝 质量，焊丝直径必须与电流保持一定的关系，因为埋弧焊时电流较大，要采用 粗焊丝，焊丝直径一般在 3.26.4mm 左右。 综合考虑后，我选用的焊丝为 H10Mn
34、Si，它适用于中板开坡口对接，焊丝 直径为 5mm。 焊丝一般都成卷供应，使用前装在焊机焊丝盘上。普通焊丝图片如下： 图 5-5 焊丝 图 5-6 焊丝 图 5-7 焊丝 5.3.2 焊剂的选用 焊剂是具有一定粒度的颗粒状物质，焊接时能够熔化形成熔渣和气体，是 埋弧焊不可缺少的焊接材料。在埋弧焊焊接过程中焊剂相当于焊条的药皮，对 焊接熔池起保护、冶金处理和改善焊接工艺性能的作用，烧结焊剂还具有渗合 金作用，但它在埋弧焊焊接过程中所起的作用比药皮更为完善。 对焊剂的要求主要有以下几点。 1.焊剂有良好的冶金性能，配合焊丝和合理的焊接工艺后焊缝金属有良好 的化学性能以及较强的抗冷、热裂纹的能力。
35、2.焊剂应有良好的工艺性、电弧燃烧稳定性，焊缝表面成形良好，以及过 程中产生的有害气体少。 3.焊剂要有一定的颗粒度，并有一定的颗粒强度，便于回收利用。 4.焊剂应有较低的含水量和良好的抗潮性。 在选用了含锰较高的焊丝 H10MnSi 后，也应该选择锰含量相当的焊剂，通 常有 HJ430、HJ431、HJ433 和 HJ434 等用于焊接低合金钢的。 在此我选择的焊剂是 HJ431，它同样适用于中板开坡口对接。 5.4 焊接坡口选择 焊接坡口的选择对焊接质量的影响也是很大的，坡口可用刨边机、铣边机、 气割机或等离子弧切割机等设备加工，加工后的坡口边缘要求平直。 坡口形式的选择原则有以下几点。
36、1.尽量减少焊缝金属的熔敷量，提高生产率。 2.应保证焊熔（焊透）和避免产生根部裂纹。 3.坡口加工方便，有利于焊接操作。 4.尽量减少工件的焊后变形。 坡口的基本形式有不开坡口、V 型坡口，U 型坡口、X 型坡口和双 U 型坡 口等；基本参数有钝边（p） 、间隙（b）和坡口角度（） 。坡口的钝边用来承 托熔化金属和防止烧穿，但应保证第一层焊透。 由于埋弧焊热量集中，利用率高，因而在单位长度焊缝上所消耗的电流大 为降低。埋弧焊焊接电流较大，熔深大，可以不开坡口或者少开坡口，减少焊 丝填充量，较厚的钢板可以采用适当的坡口，要求再高的可以用 U 形代替 V 型， 用双 U 形代替 X 形，确保焊缝
37、根部焊透和无夹渣。 在我选择的开坡口双面埋弧中，坡口形式由焊件厚度决定，根据标准，厚 度在 12mm 以下的不需要开坡口，厚度在 1220mm 以上的，为了达到全焊透， 仅需在正面开单 V 形坡口，反面不开坡口，坡口角度为 70，钝边厚度为 9mm，间隙为 2mm。 图 5-8 坡口形状示意图 5.5 埋弧焊焊接工艺及相关参数的确定 5.5.1 电源种类和极性 电源种类选择的主要依据是焊条类型，一般来说酸性焊条可用交流或直流 电源，碱性焊条要用直流电源才能保证焊接质量，当交流电源和直流电源都可 以用时，应尽量选用交流电源，因为交流电源构造简单、造价低、使用维修方 便。 若采用直流电源焊接时，又
38、存在极性选择的问题。当电焊机正极与焊件相 接、负极与焊条相接时，这种接法就称为正接法或称正极性；当电焊机负极与 焊件相接、正极与焊条相接时，这种接法就称为反接法或称反极性。 直流正接时，焊接时由于电子从钨极向焊件高速冲击，钨极温度低，焊件 温度高，焊件温度高，所以有较大的熔深。直流反接钨极温度高，而焊件温度 则较低，熔池较浅。交流电由于极性是交变的，因此一方面具有阴极雾化作用， 另一方面又不致钨极过热而大量损耗，但也存在电弧不稳定的情况，所以两者 各有利弊。 由于焊丝 H10MnSi 是呈酸性的，直流、流都可以，而埋弧焊焊接深度较大， 需要有很大的熔深，所以综合考虑后，我决定采用直流正接。 5
39、.5.2 焊接电流 埋弧焊焊接中，电流增大，可以加快焊丝熔化速度，同时电弧吹力也增大， 熔池底部未被熔化母材受到电弧的直接加热，熔深增加，对于同一直径的焊丝 来说，熔深与电流成正比，其对熔池宽度影响小，若焊接电流过大，容易产生 咬边和成形不良，使热影响区增大，若过小，使熔深减小，容易产生未渗透， 而且电弧稳定性差产生熔合不好、未焊透、夹渣等缺陷。 根据我选用的开坡口双面埋弧焊国家标准，16mm 厚钢板焊接电流电流值 正面为 830850A，反面为 600620A，电流值正面 840A，反面 620A。 5.5.3 焊接电压 电弧电压与电弧长度成正比，电压增高，弧长增加，熔宽增大，同时焊缝 余高
40、略有减小，使焊缝变得平坦，电弧电压增大后，熔剂熔化量增多。若随着 电流的增加而电弧电压不随之增加，容易出现蘑菇状焊缝，严重时可能会产生 焊瘤，这主要由于焊宽太小造成的。所以焊接电压应与焊接电流有配合关系。 根据我选用的开坡口双面埋弧焊国家标准，16mm 厚钢板焊接电压为正面 3638V，反面 3638V，在此我均采用 36V。 5.5.4 焊接速度 焊接速度对熔宽、熔深都有明显影响，当速度低时，对熔深影响小，但速 度过大时，由于电弧对母材的加热量明显减少，熔深显著下降。焊接速度过高， 会造成咬边、未焊透，焊缝粗糙不平等缺点。适当降低焊接速度，熔池体积增 大，存在时间变长，有利于气体浮出熔池，减
41、小气孔生成的倾向。但焊接速度 过低会形成易裂的蘑菇形焊缝或产生烧穿、夹渣，焊缝不规则等缺陷。 根据我选用的开坡口双面埋弧焊国家标准，16mm 厚钢板焊接速度为正面 20m/h，反面 45m/h。 5.5.5 焊丝伸出长度 一般把由导电嘴下端到焊件表面的距离定义为焊丝伸出长度。伸出长度决 定导电嘴的高度，也决定焊剂层的高度，最短伸出长度以不产生明弧为准，但 也不能过长，过长会使焊丝受电流电阻热的预热作用增强，造成焊逢成形不良， 同时也影响焊逢的平直性。若伸出长度太短时，容易烧坏导电嘴。 根据国家标准，我选用的 5mm 粗焊丝伸出长度应为 3040mm，在此我选 择 35mm。 5.5.6 焊剂粒
42、度和堆高 一般工件较薄、焊接电流较小时，可采用较小颗粒度的焊剂。埋弧焊时焊 剂的堆积高度称为堆高，当堆高合适时，电弧被完全埋在焊剂层下，不会长时 间出现电弧闪光，保护良好。若堆高过厚，电弧受到焊剂层的压迫，透气性变 差，使焊缝表面变得粗糙，容易产生不良影响。 查阅相关资料得知，埋弧自动焊中，电流在 6001200A 时，每毫米焊剂粒 度值为 0.42.5，在此我取 1.5 焊剂粒度/mm。 5.6 埋弧焊焊机的选择 5.6.1 电焊机选择原则 埋弧焊焊机的选择应该遵循以下原则。 （1） 适用性 （2） 经济性 （3） 维修方便，费用低 （4） 成套性 （5） 安全性 5.6.2 电焊机选择 根
43、据以上原则，参照国家标准，我选用 MZ-1000 型埋弧焊自动焊机。 MZ-1000 型埋弧焊自动焊机由焊接电源、控制箱和焊接小车三部分组成， 焊接小车又由送丝机头、行走小车、机头调节器、导电嘴以及焊丝盘、焊剂斗 等部件组成，通常还装有控制盒。 MZ-1000 型埋弧焊自动焊机主要参数如下。 （1） 送丝形式：弧压自动调节 （2） 焊机结构特点：焊车 （3） 焊接电流：4001200A （4） 焊丝直径：36 mm （5） 送丝速度：30120m/h （6） 焊接速度：1570m/h （7） 焊接电流种类：直流或交流 （8） 送丝速度调节方法：用电位器自动调节直流电动机转速 MZ-1000 型
44、埋弧焊自动焊机图片如下： 图 5-9 MZ-1000 埋弧焊电机 图 5-10 MZ-1000 埋弧焊电机 MZ-1000 型埋弧焊自动焊机的主要参数完全符合我所选用的焊接参数，焊 机选择合理。 6 焊接前准备工作及焊后热处理 6.1 焊接前准备工作 焊接前准备工作是很重要的，主要包括材料准备、焊接夹具选用、焊接接 头装配质量检查、清理工作和定位焊工作，在此主要讨论清理工作。 待焊的焊件在焊接前，应将焊件表面或坡口两侧 2050mm 范围内表面上的 水、锈、氧化膜、防护层、油污和有碍焊接的杂物清除掉，对焊、摩擦焊接头 的焊接面，一般都需要经过车削加工，对于化学活泼性好的材料（如铝及铝合 金）
45、，焊前还应进行化学清理。 在 15MnVg 锅炉锅筒埋弧焊焊接开始前，必须将坡口及接头部位的表面锈 蚀，油污，氧化皮，水分等清除干净，以防止焊缝产生气孔，通常用刮刀、锉 刀、砂布、金属刷和砂轮等清理锈层，也可以用氧乙炔火焰加热坡口表面， 有利于去处坡口表面的油污和水分。 6.2 焊后热处理 焊后热处理是改进焊接接头质量的重要方法之一，它能够消除焊缝附近的 内应力，改善焊缝及热影响区的组织，提高接头性能。 对于低碳钢的焊接接头，为得到良好的塑性，并有很好的塑性，最好采用 正火。 合金钢焊接后所产生的组织变化非常显著，特别是塑性和韧性急剧下降， 甚至产生裂纹。因此，热处理对合金钢显得犹为重要。 例
46、如可以把焊件整体或者局部加热到一定温度后，保温一段时间后，然后 冷却，而 15MnVg 因为其材料的特性一般不需要热处理。 7 焊接常见缺陷及相关解决方法 7.1 焊接缺陷分类 焊接缺陷按其在焊缝中的位置，可以分为内部缺陷和外部缺陷两大类。 外部缺陷位于焊缝的外表面，直接用低倍的放大镜就能看到。外部缺陷主 要包括焊缝尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、塌陷、表面气孔、表面裂纹、烧穿 等；内部缺陷主要包括未焊透、内部气孔、内部裂纹、夹渣等。内部缺陷位于 焊缝内部，须用无损探伤法或用破坏性实验才能发现。 7.2 各种焊接缺陷及解决办法 7.2.1 焊缝形状方面的缺陷 7.2.1.1 咬边 由于焊接参数选择
47、不当，或操作工艺不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟 槽或凹陷即为咬边，它减弱了接头的强度，产生咬边的主要原因是操作工艺不 当，焊接规范选择不正确，如焊接速度过快、电流过大和电弧过长等，可以在 焊接前反复审查焊接工艺，放慢焊接速度调整焊接电流，避免该缺陷的发生。 7.2.1.2 焊瘤 焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤即 为焊瘤。焊瘤不仅影响美观，而且焊瘤下面常有未焊透缺陷，容易造成应力集 中，对于管道接头来说，还会降低管道内部空间，影响其正常工作。可以改善 焊接技术来避免这种缺陷，可以主要审查焊接速度。 7.2.1.3 烧穿 焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿
48、孔的缺陷成为烧穿。烧穿 在手工电弧焊中，尤其是焊接薄板时常会出现。产生的主要原因是焊接电流过 大，焊接速度太低，或者装配间隙过大时也会出现。为了防止烧穿，必须要正 确的设计焊接坡口尺寸，确保装配质量，选用适当的焊接工艺参数。单面焊可 采用加铜垫板或焊剂垫等办法防止烧穿。手工电弧焊焊接时，可采用跳弧焊接 法或断续灭弧焊接法。 7.2.2 夹渣 夹渣与夹杂物不同，夹杂物是由于焊接冶金反映产生的，焊后残留在焊缝 金属中的非金属杂质，如氧化物、硫化物、硅酸盐等。夹杂物尺寸很小，分散 分布。夹渣一般尺寸较大，常有几毫米长。夹渣在金相试片上可以直接观察到， 用射线也可以探伤出来。 夹渣产生原因主要是因为坡
49、口边缘有污物存在、坡口太小、焊条太粗、焊 接方法不当、冷却速度快、焊接电流小等诸多因素产生。 防止夹渣的办法有认真的将坡口及焊层的熔渣清理干净、适当增加焊接电 流、调整焊条角度、正确选择母材和焊接材料等。 7.2.3 气孔 焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴成为气 孔。焊缝中形成气孔的主要是氢气、一氧化碳氮气等。 气孔对焊缝性能影响较大，它不仅使焊缝有效工作截面减少，使焊缝机能 下降，而且破坏了焊缝的致密性，容易造成泄露。 为防止气孔的产生，可以在焊前清除焊件坡口及两侧的水分、锈、油污及 防腐底漆等。在焊接工艺方面，手工电弧焊时，焊接电流不宜过大，否则焊条 发红，药皮提前分解，不能发挥作用。 7.2.4 裂纹 焊接裂纹是最危险的焊接缺陷，严重地影响着焊接结构的使用性能和安全 可靠性，许多焊接结构的破坏事故，都是焊接裂纹引起的，它除了降低焊接接 头强度外，还因裂纹的末端有一个非常尖锐的缺口，将引起严重的应力集中
