【正文】 度升高。就焊條與構件之間的電弧來說，其各部分的溫度是不相同的?？偲饋碚f，高溫的電弧形成了電弧焊的熱源。 由于電弧是被電離的高溫氣體，又是導體，故在焊接中常出現(xiàn)電弧的偏吹問題，它主要是受環(huán)境氣流（如大風）或電流磁場的影響所至。這個熔化凝固過程具有加熱溫度高，時間短，液態(tài)金屬少，冷卻速度快，并直接與空氣接觸發(fā)生一系列反應等特點。 液態(tài)金屬與氣體間的反應 焊接時，熔池周圍充滿了各種成分的氣體，這些氣體主要來自于周圍的空氣，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。氧還能與碳生成一氧化碳氣體，使焊縫中出現(xiàn)氣孔。 氮的存在會使焊縫的塑性和韌性下降，故對它的存在也應加以控制。氫是眾多合金鋼焊縫冷裂紋產(chǎn)生的主要誘因，氫在逸出過程中容易產(chǎn)生氣孔，氫分散存在于金屬內部時容易造成金屬的脆性，等等。凡是加入CaF2的焊條稱為低氫型焊條。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SiOTi2O、P2O5等；中性焊條（焊劑）的主要成分為Al2OFe2OV2O5等。下面將結合冶金反應的目的來介紹它們的作用。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度及塑性，在焊縫中它還容易導致結晶裂紋（熱裂紋）的出現(xiàn)。它也可能以Fe3P的形式存在，并與鐵形成低熔點共晶物分布于晶界上，但Fe3P與FeS不同，前者強度較高，會阻礙晶界的常溫變形，故總起來說，磷主要是導致金屬材料冷脆的有害元素。P2O5易溶于熔渣而排走。當然，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加入某些特定的合金元素也能達到該目的。 a、母材：被焊接的管子、管件等原構件稱為母材； 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，被加熱熔化的母材和焊接材料處于一個池形固態(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。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。通過改變焊接工藝，可以改變焊縫金屬的組織。 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)歷了一次熱處理過程，故其組織和性能也將發(fā)生一系列變化。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)、過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)、再結晶區(qū)和藍脆區(qū)等六個部分。因此，該區(qū)域金屬的機械性能較差，常常是產(chǎn)生裂紋和局部脆性的多發(fā)區(qū)。該區(qū)域金屬的性能特點是沖擊韌性顯著降低，一般可降低25%~30%。 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，而且冷卻過程中一般為自然冷卻，故具有正火熱處理的過程特征和條件，得到的組織也為細晶粒的正火組織，其機械性能一般優(yōu)于母材性能。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變，而由于溫度較低，鐵素體沒能發(fā)生奧氏體轉變，或者沒能完全轉變。 e、再結晶區(qū) 該區(qū)域的金屬被加熱到450℃至AC1溫度區(qū)間，處于再結晶的溫度范圍。蘭脆區(qū)的顯微組織基本上同母材組織。表102 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，焊接方法過熱區(qū)正火區(qū)部分相變區(qū)mm手工電弧焊氣焊27埋弧自動焊~~ 三、焊接接頭缺陷 前面已經(jīng)講過，焊接接頭包括焊縫及其熱影響區(qū)兩部分，熱影響區(qū)的組織和性能特點已作了詳細介紹，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。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行介紹。這些應力的存在都使得壓力管道的結構形狀趨于發(fā)生變化，如果壓力管道受結構的限制而不能發(fā)生形狀或尺寸的變化，那么這些應力便以殘余應力的形式存在于焊縫金屬中，通常稱之為焊接殘余應力。 從微觀上來講，焊接殘余應力由以下三部分組成： a、熱應力 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)生的應力。如前面所提到的橫向整體收縮受阻引起的應力就是結晶應力。 c、組織應力 組織應力是固態(tài)金屬發(fā)生相變時，體積改變受阻而引起的應力。由于馬氏體組織性能較脆，在組織應力作用下會引起冷裂紋。例如，對于DN≤40的焊接連接合金鋼閥門，由于其結構尺寸較小，焊接變形和焊后熱處理會影響到其閥座的密封性，故一般要在它的兩端各加裝150mm長的短管，該短管在制造廠焊好，這樣就使得現(xiàn)場的焊縫離閥門較遠，從而不致于因焊接或熱處理變形而影響到閥門的密封性；焊接殘余應力的存在還影響到焊接接頭金屬的耐腐蝕性能，因為金屬在應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)，此時更容易遭受腐蝕，特別是應力腐蝕。根據(jù)熱處理進行的方式不同，可以分為兩種：其一是采用整體高溫回火熱處理，即將整個焊件（包括焊縫和母材）置于加熱爐中進行焊接殘余應力的消除。一般情況下，焊后熱處理可以消除60%~80%的焊接殘余應力。 按裂紋產(chǎn)生的機理和時間不同，可將焊接裂紋分為熱裂紋和冷裂紋兩種。 熱裂紋一般發(fā)生在結晶過程中金屬冷卻到固相線附近的溫度，此時金屬的結晶即將完成，而晶粒之間尚存在著少量的低熔點共晶體的液態(tài)薄層尚未凝固。同樣道理，如果母材本身也存在低熔點的共晶物，那么在靠近焊縫的高溫區(qū)，母材中低熔物的強度因受熱而急劇降低，在焊接應力的作用下，低熔物會發(fā)生斷裂而導致母材中的熱裂紋產(chǎn)生。采用堿性焊條，對焊縫進行較好的脫硫也是降低熱裂紋產(chǎn)生傾向的途徑之一。 冷裂紋 冷裂紋一般發(fā)生在組織轉變過程中，并具有延遲出現(xiàn)的特點。由此可見，含碳量的增加，同時會增加材料焊接冷裂和熱裂的危險性，故壓力管道的焊接元件中，對于碳素鋼材料，%。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。而焊縫邊沿金屬含碳量較高，故中心金屬首先發(fā)生奧氏體轉變，此時它的過飽和氫將向母材側遷移。這也就說明了為什么冷裂紋容易出現(xiàn)在焊縫邊沿的道理。氫在金屬中的擴散速度受溫度的影響比較大，也與金屬的組織有關。對奧氏體鋼來說，由于它溶氫量較大，雖然擴散速度較慢，也不會發(fā)生局部聚集而導致冷裂紋的產(chǎn)生。從減少氫的來源考慮，應采用低氫型焊接材料，焊前嚴格烘干焊接材料，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)；焊后進行熱處理，可以起到除氫、消脆和消除焊接應力的作用，因此可以防止冷裂紋的產(chǎn)生。因此，它們也是評定焊縫質量的重要指標。母材或焊接材料的含碳量越高，或焊接過程中脫氧不完全時，容易產(chǎn)生一氧化碳氣孔。 氮氣的影響與氫相似，但焊接過程中由于嚴格控制了焊縫金屬與空氣的接觸，故焊縫出現(xiàn)氮氣氣孔的現(xiàn)象較少。 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。一般情況下，它呈塊狀或條狀存在于焊縫金屬中。 （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。咬邊的存在會減少焊縫金屬的有效受力面積，并產(chǎn)生應力集中，對焊縫的強度不利。焊瘤可進行鏟除修理。燒穿或焊漏會嚴重影響焊接接頭的強度和嚴密性，是不允許存在的缺陷。焊縫過低時還會削弱焊接接頭強度，過高時容易增加焊接應力，且浪費焊接材料，故均應進行控制。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，或者焊接電流過小、焊接速度過高，以致熱量不夠所至。 外觀檢驗 焊縫的外觀檢查一般以肉眼觀察為主，有時也可利用（5~20）倍的放大鏡進行觀查。一般情況下，根據(jù)熔渣覆蓋的特征，可以粗略地估計該處可能出現(xiàn)的焊縫缺陷。 當外觀檢查不能立即判定某些缺陷是不是裂紋時，應作標記，以便用無損探傷方法（如磁粉探傷或滲透探傷）進一步檢查確認。前兩者常用于內部缺陷的檢查，后兩者則用于外部缺陷的檢查。 密封性試驗的方法很多，常用的有煤油滲透試驗、氣密試驗等方法。施工現(xiàn)場一般僅檢查焊接接頭的硬度，用于判斷焊后熱處理的效果。有關的試驗方法和試驗要求見標準SHJ509和本書第九章。事實上，焊接接頭的金相分析在工程施工中也很少用，工藝評定中也不包括該項內容。因此，在焊接前應首先合理的確定這些技術參數(shù)和焊接工藝。 焊條直徑的選擇 焊條直徑越大，焊接生產(chǎn)率越高。影響焊條直徑選取的因素有構件的壁厚、接頭的坡口型式、焊接的位置等。焊接電流過小，電弧不穩(wěn)定，容易造成未焊透和夾渣等缺陷，而且生產(chǎn)率低；電流過大，會增加金屬的飛濺，焊縫容易產(chǎn)生咬邊、焊漏和燒穿等缺陷。 電弧電壓的選擇 前面已經(jīng)講過，焊接回路的電壓不能太高，以避免現(xiàn)場人員觸電。一般情況下，堿性焊條焊接時應控制其電弧電壓在23V~26V，酸性焊條則控制在24V~29V。為了提高生產(chǎn)率則常采用大電流、快速焊的焊接參數(shù)。因此，焊接材料質量的好壞、選擇的是否合理將直接影響到焊縫金屬的組織和性能，并對其起著決定性的作用。其中，堿性焊條與酸性焊條的特點對比如下： a、酸性焊條中由于存在氧化硅、氧化鈦等強氧化物，使得焊縫的氧化冶金反應比較劇烈，因此焊縫金屬的有益合金元素容易被燒損，且不利于摻合金。故酸性焊條對焊縫接頭的鐵銹、油污等敏感性較小，且不易產(chǎn)生氣孔。堿性焊條則較差些； g、堿性焊條焊接時產(chǎn)生的煙氣多，且由于其中含有氟化氫這一有毒氣體，故焊接時要有良好的通風措施。其代號表示如下： E ＃＃ ＃ ＃＃ 表示焊接電流種類及藥皮類型； 表示焊條使用位置。其代號表示如下： E ＃＃ ＃ ＃＃ A1 后綴字母。 例如，E5018－A1表示：焊條；熔敷金屬抗拉強度的最小值為50N/mm2；適用于全位置焊接；焊條藥皮為鐵粉低氫型，可采用交流或直流反接焊接；熔敷金屬的化學成分分類代號，見有關標準。 例如，E001910MO215表示：焊條；熔敷金屬中的碳含量≤%；鉻的含量為19%；鎳的含量為10%；鉬的含量為2%；焊條為堿性藥皮，適用于直流反接焊接。由于焊縫組織為鑄造組織，有時為了不使焊縫強度降低過多，常選用焊條金屬的強度略高于母材金屬。 b、焊條藥皮的選擇 母材中如果含硫、磷等雜質元素較高時，應選用脫硫、脫磷且抗裂性較好的堿性焊條；對于承受動載荷或沖擊載荷的情況，為了保證焊縫金屬的塑性和韌性，宜選用堿性焊條；對于形狀復雜或壁厚較厚的焊件，由于它易產(chǎn)生焊接裂紋和較大的焊接應力，也宜選用堿性焊條；對于易產(chǎn)生冷裂的高強度鋼，應選用低氫型焊條；對于受結構、位置等方面的影響，其焊接接頭的鐵銹、油污等難以清除干凈時，宜選用對它敏感性較小的酸性焊條；對于固定焊縫，應選用全位置焊接的焊條；當沒有直流電焊機時，應選用交流或交直流兩用焊條。 烘干溫度不宜太低，時間不宜太短，否則達不到烘干的目的，即此時仍有部分水分留在焊條藥皮中，它仍將影響到焊縫的質量。 烘干后的焊條應存在烘干箱或保溫箱中備用，不宜露天放置，否則使用前應再次烘干。 從F101中可知，常用的接頭型式可以分為三大類：即對焊接頭、角焊接頭和丁字接頭。這三種坡口型式相比，Y型坡口加工最簡單，但其金屬填充量最大。故當構件壁厚較薄時，可選用Y型坡口，構件壁厚較厚時應優(yōu)先選用U型坡口。然而，加墊環(huán)的焊縫，其焊接準備工作量較大，故實際工程上也很少用。但它最大的缺點是內側焊接時需要有足夠的焊接空間，也就是說，對于壓力管道，只有當管道及其元件直徑足夠大時，才有可能采用這種坡口型式。該過渡區(qū)的坡度一般不宜大于15176。在壓力管道中，它常用于直徑較?。ㄒ话鉊N≤40mm）、壁厚較薄的管道元件連接中。 丁字接頭 兩個焊件成丁字型結合的焊接接頭稱為丁字接頭。 關于焊接坡口的制備，常用的方法有火焰切割、等離子切割和機械制備等。 上節(jié)中已經(jīng)講到，等離子切割具有溫度高、熱量集中的特點，它幾乎能切割一切金屬材料，所以在工程上的應用日益增多。因此它是最理想的制備坡口方法。 （四）焊前預熱和焊后熱處理 前文已經(jīng)多次提到，焊接的過程都是對焊件進行局部加熱的過程，局部加熱就意味著被加熱區(qū)與周圍的金屬之間存在一個溫度梯度。對于高強度鋼或壁厚較厚的鋼構件，由于快速升溫，會產(chǎn)生較大的熱應力，這個熱應力會導致構件的開裂。但焊縫的預熱惡化了焊接的工作環(huán)境，尤其是對手工焊接來說，它不利于焊接的操作。由于熱處理也是局部加熱，且影響到母材金屬，故對有些焊接接頭，如果焊后熱處理不當，還會適得其反，使焊接接頭的性能變壞。如有濕硫化氫、苛性堿存在時； d、有特定的防腐蝕要求時。事實上，正如前面所說的那樣，對于任何焊接接頭，其焊后殘余應力是必然存在的，只不過不同的人對什么情況下必須通過熱處理加以清除、什么情況下不必清除的界定范圍認識不同而已。通過焊后熱處理，不僅可以消除或減緩焊接殘余應力，還可改善焊接接頭的組織，降低接頭區(qū)的含氫量，提高焊接接頭的耐腐蝕性和韌性，防止焊縫區(qū)產(chǎn)生脆性破壞和延遲裂紋等。但正火可使原焊縫中的過熱組織繼續(xù)惡化，也使處于焊縫熱影響區(qū)的母材正火組織有晶粒長大的傾向。由于焊接接頭最突出的問題就是焊接殘余應力和冷裂紋的問題，而高溫回火對改善這些問題帶來的不利影響是有效的，又由于它對母材的損傷小，成本又低，故焊縫的高溫回火是應用最多的焊后熱處