第1-4章-焊接工艺规程设计.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,西安交通大学能源与动力工程学院,153-,*,第1篇,第4章 焊接工艺规程设计,4.1,焊接工艺规程设计概念,4.2,焊接符号与标注,4.3,焊接接头及坡口型式,4.4,金属焊接性与焊接工艺评定,4.,5,焊接工艺要素和规范,4.6,焊接应力与变形,4.7,焊接缺陷与检验,4.,8,锅炉与压力容器用钢焊接工艺特点,1,4.1,焊接工艺规程设计概念,1.,基本概念,(1),生产过程,利用相应制造工艺将原材料转变为成品全过程。,(2),制造工艺,生产过程中,制造方法,和,制造工艺过程,的总称。,(3),工艺过程,改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质使其成为成品或半成品过程。,(4),工艺规程,规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件称为,工艺规程。,2,4.1,焊接工艺规程设计概念,2.,工艺规程作用,工艺规程还是连接设计和制造的桥梁,。工艺规程是指导生产、组织生产、管理生产的主要工艺文件，是加工、检验、验收、生产调度与安排的主要依据。,3.,焊接工艺过程,焊接工艺过程是利用焊接方法使原材料毛坯改变结构形状和尺寸使其成为合格零部件的过程。,焊接工艺过程对焊接产品质量有决定性影响。,4.,焊接工艺规程,规定焊接结构件焊接工艺过程和焊接操作方法等的工艺文件。,3,4.1,焊接工艺规程设计概念,5.,焊接生产过程,焊接生产过程是指从投料开始，经过一系列的工序，最后加工成焊接产品的过程。,焊接生产过程,4,4.2,焊缝符号及标注,(1),焊接图是供焊接加工时所用的图样。除了将焊接件结构表达清楚以外，还必须把与焊接有关内容表示清楚，如焊接接头型式、焊缝型式、焊缝尺寸、焊接方法等。,(2),要看懂焊接机械设备图纸，就必须了解焊缝的符号及其标注方法。焊缝代号是工程语言的一种，它可以统一焊接结构图纸上的符号。我国的焊缝符号是由国家标准,GB324,规定的。焊缝符号由以下内容组成：,(3),焊缝符号由,焊接方法代号,、,基本符号,、,辅助符号,、,补充符号,和,焊缝尺寸符号,等组成。,5,2.基本符号,见续表,。,8,3.辅助符号,辅助符号,是表示焊缝表面形状特征的符号，不需要确切地说明焊缝的表面形状时，可不用。,9,4.,补充符号,补充符号,是为了补充说明焊缝的某些特征面用的符号，见下,表,。,10,5.,焊缝的尺寸符号,焊缝尺寸符号见下,表,。,11,12,4.2,焊缝符号及标注,6.,指引线,(1)箭头线和两条基准线(细实线，虚线)组成。,(2),箭头线用细实线绘制，箭头指向有关焊缝处。,(3),需要时，焊接方法可标在尾部。,13,4.2,焊缝符号及标注,/,6.,指引线,(4)焊缝、符号和指引线位置,若焊缝在箭头侧，则将基本符号标在基准线的细实线一侧，,图,a,。,若焊缝不在箭头侧，则将基本符号标在基准线的虚线一侧，,图,b,。,标注对称及双面焊缝时，可不画虚线，,图,c,。,14,4.2,焊缝符号及标注,7.,常用焊缝尺寸标注法,(1)焊缝横截面上的尺寸，标在基本符号左侧。,(2)焊缝长度方向的尺寸，标在基本符号的右侧,(3)坡口角度,、,坡口面角度,、,根部间隙,b,标在基本符号的上侧或下侧。,(4)相同焊缝数量及焊接方法代号标在尾部。,(5)当数据较多时，可在数据前增加尺寸符号。,15,4.2,焊缝符号及标注,8.,焊缝尺寸标注示例,16,17,4.2,焊缝符号及标注,9.,焊缝的规定画法,工件经焊接后所形成的接缝称为焊缝。如需在图样中简易地绘制焊缝时，可用视图、剖视图或断面图表示，也可用轴测图示意地表示。焊缝的规定画法，如图所示。,18,4.3,焊接接头及坡口型式,1.,接头型式,常见焊接接头有对接接头、,T,形接头、角接接头和搭接接头等四种，如图所示。,焊接接头的选择：主要根据焊接结构形式、焊件厚度、焊缝强度要求及施工条件等来选择。,对接接头,T,形接头 角接接头 搭接接头,19,20,4.3,焊接接头及坡口型式,2.,对接接头,(1),对接接头特点,对接接头容易保证焊透,接头质量高,;,应力分布均匀受力情况好,;,静载和动载都具有很高连接强度,但是,:,对焊前准备和接头装配要求较高。,焊缝余高焊缝与母材过渡处易引起应力集中。锅筒和重要压力容器上的对接焊缝一般要求将焊缝余高打磨平整或喷丸后出厂。,21,22,4.3,焊接接头及坡口型式,2.,对接接头,(2),坡口形式,一般情况，手工电弧焊焊接6,mm,以下焊件和自动焊焊接14,mm,以下焊件时，可不开坡口；,钢板超过上述厚度时，电弧不能熔透钢板，应考虑开坡口，开坡口可使热源伸入根部，保证焊透，且可降低热规范，减小热影响区和减少焊件的变形。,按照焊件厚度及坡口准备的不同，对接接头可分为不开坡口、单边,V,形、,V,形坡口、,U,形坡口、单边,U,形、,K,形坡口、,X,形坡口、,U,形,V,形混合坡口和双,U,形坡口等(见图)。,23,2.,对接接头,/(2),坡口形式,坡口、钝边和间隙尺寸配合好，可保证焊透，也可避免烧穿、未焊透等缺陷。,坡口型式选择,，主要根据被焊工件厚度、焊后应力变形大小、坡口加工的难易程度、焊条消耗量以及焊接工艺等各方面因素来考虑。,24,2.,对接接头,(2),坡口形式,在不同厚度钢板对接时，由于接头处断面有突然变化，会造成应力集中，如焊缝两边钢板中心线不一致，受力时将产生附加弯矩，这些都将影响接头强度。双面或者单面削薄(图)。,25,26,3.,T,形接头,(1),根据工件厚度不同，将两块钢板互成直角连接在一起的焊缝接头,称为,T,形接头,。,(2),锅炉、压力容器插入式管接头、管板和锅壳、人孔圈和筒体焊接属于此类。,(3),适于空间类焊件，具有较高强度，如船体结构中约70的焊缝采用了,T,形接头。,(4),可分不开坡口、单边,V,形、双边,V,形及,K,形坡口，可用单面或双面焊。,27,未开坡口,T,形接头,开坡口,T,形接头,28,4.3,焊接接头及坡口型式,3.,T,形接头,对不开坡口的,T,形接头，应尽量避免采用单面角焊缝，因为，该种接头的根部有很深的未焊透缺口，且此种焊缝不能承受反方向的力矩。,29,4.3,焊接接头及坡口型式,4.,角接接头,(1),根据工件厚度不同，将两块钢板互成直角沿边沿连接在一起的焊缝接头称为角接接头。,(2),通常只起连接作用，只用来传递工作载荷。,30,4.3,焊接接头及坡口型式,4.,角接接头,图示为不允许的角接焊缝结构。这些角焊缝应力分布不均，在焊缝根部有较大应力集中，在压力容器的受压件上是禁止采用的。,31,4.3,焊接接头及坡口型式,5.,搭接接头,焊前准备简便，但受力时产生附加弯曲应力，降低了接头强度。,32,4.4,金属焊接性与,焊接工艺评定,焊接是一种复杂的加工工艺，焊接之前需要进行一系列准备工作，其中最重要的技术准备。,(1),人员准备,焊接工人及操作技能,(2),物质准备,原材料,焊接材料,焊接设备,(3),技术准备,主要介绍焊接前技术准备,制定焊接工艺,金属焊接性试验,验证焊接工艺,焊接工艺评定试验,33,4.4,金属焊接性与,焊接工艺评定,4.4.1,金属焊接性,1.,焊接性概念,采用一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即,金属对焊接加工的适应性,。两个方面：,(1),工艺焊接性,接合性能，主要指在给定的焊接工艺条件下，形成完好焊接接头的能力，特别是,焊接接头对产生裂纹的敏感性,；,(2),使用焊接性,使用性能，在给定的焊接工艺条件下，,焊接接头在使用条件下安全运行的能力,，包括焊接接头的力学性能和其它特殊性能（如耐高温、耐腐蚀、抗疲劳性能等）。,34,4.4,金属焊接性与,焊接工艺评定,4.4.1,金属焊接性,2.,金属焊接性的意义,原则上，各种金属都能进行焊接，但金属本身固有的基本性能，还不能直接表明它在焊接时会出现什么问题以及焊接以后焊接接头的性能是否能满足使用要求，所以，金属材料对焊接加工的适应性用焊接性来衡量。,金属材料焊接性是金属的工艺性能在焊接过程中的反映，了解及评价金属材料的焊接性，是焊接结构设计、确定焊接方法、焊接工艺评定、,制定焊接工艺,的重要依据。,35,4.4,金属焊接性与,焊接工艺评定,4.4.1,金属焊接性,3.,焊接性试验方法,(1),按试验者与研究对象的关系分类,间接试验：以推理或模拟为主要特征；,直接试验：以焊接试件为主要特征。,(2),按照金属焊接性的内涵分类,工艺焊接性试验：评定结合性能；,使用焊接性试验：评定使用性能。,36,37,4.4,金属焊接性与,焊接工艺评定,4.4.2,焊接工艺评定,验证焊接工艺,1.,概念,:,焊接工艺评定,是按采用焊接工艺在接近实际生产条件下焊制模拟产品试板，并从焊成试板中按产品技术条件截取拉力、弯曲和冲击韧性试样，并将焊接条件变化是否影响接头力学性能作为是否需要重新评定焊接工艺的判断准则，如果所有试样的检验结果全部符合技术要求，则证明所编制的焊接工艺是可行的，可根据工艺评定报告拟定正式的焊接工艺细则卡。,压力容器焊接工艺内容广泛，任何一种焊接工艺要素改变都会对接头性能产生影响，对将用于生产的每项焊接工艺应作相应评定。,38,4.4.2,焊接工艺评定,2.,焊接工艺评定的目的,焊接工艺评定用以评定施焊单位是否有能力焊出符合规程和产品技术条件所要求的焊接接头，验证施焊单位的焊接工艺指导书是否合适。,3.,焊接工艺评定特点和程序,焊接工艺评定是在焊接性试验基础上进行的生产前工艺验证试验。应在制定焊接工艺指导书以后，焊接产品以前进行。,焊接产品焊接前，焊接单位应按规定对焊接接头进行焊接工艺评定。,可按以下三个程序进行：,39,4.4.2,焊接工艺评定,3.,焊接工艺评定特点和程序,(1),由具有专业知识和实践经验焊接工艺人员，根据,钢材焊接性能试验,，结合产品特点、工艺条件来拟定，内容包括焊接工艺重要因素、补加因素和次要因素，拟定,焊接工艺指导书,。,(2),按照焊接工艺指导书和标准规定来,施焊试件,，检验及测定试样性能，填写焊接工艺评定报告。如果评定不合格，应,修改焊接工艺指导书,继续评定，直到评定合格。,(3),经评定合格的焊接工艺指导书可直接用于生产，也可以根据焊接工艺指导书、焊接工艺评定报告结合实际生产条件，,编制焊接工艺卡,，用于,产品施焊,。,40,焊接性试验,焊接工艺指导书,焊接试板,焊接工艺评定,焊接工艺细则卡,焊接产品,制定,验证,应用,41,4.4.2,焊接工艺评定,4.,焊接工艺评定试验,(1),由施焊单位的熟练焊工进行试件焊接；,(2),焊接工艺评定试板应具有足够的尺寸,;,SMAW,和气保焊，至少为300,mm500mm,；,埋弧焊，400,600，,电渣焊500,800。,(3),试板焊完后，应按焊接工艺指导书规定焊接工艺试件，然后对工艺试件进行外观、无损探伤、力学性能和金相等检验。,(4),试件检验合格后，加工拉力、弯曲和冲击试样,(图,),，,试样尺寸按相应国家标准规定制作。,(5),试验结果应符合产品技术条件要求。,42,对接焊缝板状试件切取试样部件图,43,角接焊缝管板试件切取宏观试样示意图,44,4.5,焊接工艺要素和规范,焊接工艺是控制接头焊接质量的关键因素。,焊接生产以焊接工艺细则卡来规定焊接工艺的要素。焊接工艺细则卡的编制依据是相应的焊接工艺评定试验结果。焊接工艺细则卡规定的焊接工艺要素：,焊前准备，焊接设备，焊接材料，坡口加工，清洗，装配；,焊接方法选择；,焊接工艺规范参数，预热、电参数、后处理；,焊接操作技术；,焊后检查等。,45,4.5,焊接工艺要素和规范,4.5.1,焊前准备,1.坡口加工,(1)剪切常用于不开坡口的薄板生产率高，加工方便，边缘平直，但不能剪切厚板，不能加工有角度坡口，一般适用于25,mm,以下板厚。,(2)刨边用于直边坡口 用刨床或刨边机加工,直边坡口，加工质量,好，坡口平直，精度高。,46,4.5.1,焊前准备,/,1.坡口加工,(3)车削用于管子坡口车削可加工出各种型式的坡口，厚壁筒体的,U,型坡口常用这种加工方法，对较长、较重等无法搬动的管子可用移动式的管子坡口机。小直径薄壁管子可用手动式坡口机，大直径厚壁管子则可采用电动车管机。,移动式管子坡口机 便携式管道坡口机,47,氧乙炔切割加工坡口,4.5.1,焊前准备,/,1.,坡口加工,(4)氧乙炔切割应用最广的加工坡口方法利用气割可以得到任何角度的,V,形、,X,形、单边,V,形、,K,形等坡口，更适合厚钢板的切割，生产率高。气割有手工、半自动和自动,，,可同时安装二三把割炬，能将,V,形、,X,形坡口一次切成)。质量好，生产率高。,48,4.5.1,焊前准备,1.坡口加工,(5)铲削用于加工坡口,清焊根用风铲来铲削坡口、劳动强度较大，噪声严重。这种方法已日益被碳弧气刨所代替。,(6)碳弧气刨常用于清焊根碳弧气刨效率比风铲高，劳动强度小特别在开,u,形坡口时更为显著，正在逐渐取代风铲。缺点是要用直流电源，刨割时烟雾大，要采取排烟措施。,49,4.5.1,焊前准备,2.坡口清洗,(1)坡口两侧的内、外表面必须清除锈斑、氧化膜和油垢等污染，这是防止焊缝产生气孔和裂 纹的有效措施。,(2)手工电弧焊清理宽度为20,mm,范围；埋弧自动焊为30,mm,；电渣焊为40,mm。,(3)焊接过程中不发生冶金反应的焊接方法,如,TIG,焊，,MIG,焊，,PAW,焊等，更应重视。,50,4.5.1,焊前准备,3.坡口装配,(1)焊件组装时，接头两侧边缘必须相互对准。,焊件组装后应进行错边量检查，在压力容器制造中，对接接头错边量的要求较高。,A，B,类焊缝对口错边量应符合下表规定。,(,错边是指对接接头中被焊的两钢板在厚度方向没对齐而形成的错位,),51,4.5,焊接工艺要素和规范,4.5.2,焊接工艺规范参数,焊接工艺规范参数包括焊前的预热温度，焊接电参数(电流、电压、电流种类、频率、焊接和送丝速度等)，后热温度和保温时间，消氢处理温度和保温时间，焊后热处理和消除应力处理制度等。在气体保护焊中，还应包括气体种类、混合比和流量等。,1.焊前预热温度的选定,焊前预热的作用：,降低焊接热影响区的冷却速度，避免淬硬组织的形成，防止冷裂纹并改善热影响区塑性；,52,4.5,焊接工艺要素和规范,4.5.2,焊接工艺规范参数,减小焊接区的温度梯度，从而降低焊接接头的内应力；,扩大焊接区加热范围，使焊接接头在较宽区域内处于塑性状态，减弱焊接应力的不利影响。,改变焊接区的应变集中区部位，降低了促使冷裂纹形成的应力峰值；,延长焊接区,l00,以上停留时间，利于焊缝金属中氢逸出，降低氢致裂纹危险。,对于结构简单的焊件，可按表47规定的温度范围进行预热。,53,54,4.5,焊接工艺要素和规范,4.5.2,焊接工艺规范参数,2.焊接电参数,(1)在使用连续的交流电和直流电焊接时，焊接规范中的电参数主要是焊接电压和焊接电流。,(2)采用脉冲电流焊接时，电参数还包括电流的交变频率、通断比,、,基本电流和峰值电流值。,(3)焊接规范参数的选择原则首先是保证接头的熔透、无裂纹并获得成形良好的焊道，同时还应保证接头的性能满足技术条件规定的各项要求，因而在选择电参数时要 考虑焊接热输入量对接头性能的影响。手工电弧焊 焊条直径选择及相应的焊接电流范围见表4-8.,55,56,4.5.2,焊接工艺规范参数,3.焊后加热和消氢处理焊后加热是指焊后将焊件或焊接区立即加热到150250，保温一定时间，该工艺简称后热。若以消氢为目的，后热处理应在300400温度范围内进行，这种处理就称为“消氢处理”。其要点是每条焊缝焊完后立即将焊件或整 条焊缝加热到上述温度，保温24,h,后空冷。,4焊后热处理常用的焊后热处理有：,(1)水调质处理，即水淬火加回火处理。淬火后回火处理温度对焊接接头的性能有很大影响。,57,4.5.2,焊接工艺规范参数,4焊后热处理,对一种钢材最适用的回火温度范围可通过预先的回火处理试验来确定。,(2)正火或正火加回火：厚壁筒节纵缝电渣焊缝晶粒粗大，达不到所要求的力学性能，因此焊后必须作正火处理以细化晶粒。某些采用埋弧焊焊成的筒节也可能在热校和热整形过程中经受正火处理。,58,4.5.2,焊接工艺规范参数,4焊后热处理,(3)消除应力处理当压力容器的壁厚超过下表所列的界限就必须将其作消除应力处理。,消除应力处理的作用：,消除残余应力，稳定构件尺寸；,改善构件母材与焊接接头的性能；,析出焊接区域有害气体，防止延迟裂纹；,提高构件抗应力腐蚀的能力；,提高耐疲劳强度。,59,60,4.6,焊接应力和变形,4.6.1,焊接应力和变形概念,1.,概念,:,在焊接过程中，焊件中产生随时间而变化的变形和内应力分别称为,焊接瞬时变形,和,瞬时应力,。焊后温度冷却至室温时留存于焊件中的变形和应力分别称为,焊接残余变形,和,焊接残余应力,(,weldingresidualstresses),。,沿焊缝的纵向裂开 船体结构焊接变形,61,4.6,焊接应力和变形,4.6.1,焊接应力和变形概念,2.,自由变形,:,焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达,1600,以上，而邻近区域温度则急剧下降。,热胀冷缩没有受到阻碍的自由变形量,:,单位长度的自由变形量,:,62,4.6.2,焊接应力和变形产生的原因,1.,焊接加热时,焊缝区不均匀加热和冷却是产生焊接应力和变形的根本原因。,焊接时，局部加热使焊件金属受热膨胀，应该产生,abcde,的伸长变形。,但钢板是一个整体，伸长不能自由地实现，只能比较均衡地伸长,。,此时，焊缝中心两侧受拉应力作用，而焊缝中心受压应力，当压应力超过屈服强度时，将产生压缩塑性变形。,63,4.6.2,焊接应力和变形产生的原因,2.,焊接冷却后：,因焊缝中心已经受到过压缩变形，冷却后的尺寸比原来尺寸短，焊缝两侧只发生弹性变形的金属应恢复原长度，焊件端面应产生,lmnop,的形状，但焊件是整体，各部位变形相互牵制，因此，焊缝两侧的金属就阻碍中间区域缩短，,焊缝中心产生拉应力，在两侧金属中则存在压应力，应力处于平衡状态。平板对接焊后比焊前缩短了,。,64,4.6,焊接应力和变形,4.6.3,焊接残余应力的分布、影响和消除,焊接应力可分为热应力、拘束应力、相变应力和焊接残余应力，焊接残余应力往往数值很 大，在厚度较大的焊接结构中，焊接残余应力一般可达到材料的屈服极限,s,。,1.焊接应力的分类,(1)纵向应力：沿着焊缝长度方向的应力;,(2)横向应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力;,(3)厚度方向应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。,65,4.6.3,焊接残余应力的分布、影响和消除,2.焊接残余应力的分布,(1)焊缝纵向应力,x,沿着焊缝纵向的应力称为纵向应力,x,；把垂直于焊缝纵向的应力称为横向应力,y,。焊缝及其附近的压缩塑性变形区内,x,的为拉应力，其值一般可达材料的屈服强度。,66,4.6,焊接应力和变形,2.焊接残余应力的分布,(2)焊缝横向应力：图为一定长度平板焊缝中横向应力,y,的分布。焊缝及其附近的压缩塑性变形区内,y,为拉应力，两端为压应力，离开焊缝中心越远，,y,迅速衰减。,67,4.6,焊接应力和变形,2.焊接残余应力的分布,(,3),厚度方向应力：厚板焊接结构中除了纵向应力和横向应力外，还存在沿厚度方向的应力。,这三个方向内应力在厚度方向分布极不均匀。厚板电渣焊时焊缝中心出现三轴向拉应力，随板厚的增加而增加，但在表面为压应力。而多层焊时，与此相反（图）。,68,4.6,焊接应力和变形,4.6.3,焊接残余应力的分布、影响和消除,3.焊接残余应力的影响,(1)对结构强度与受压件稳定性的影响在构件承受拉伸载荷时，焊接残余内应力将与载荷应力相叠加，从而影响构件的强度。,(2)对构件脆性断裂的影响增大了构件的名义应力，加上焊接接头区材料韧性的下降和焊接缺陷的产生，都会促使构件在外载不大的情况下发生低应力脆断。,(3)对疲劳强度的影响：焊缝区的残余拉应力能提高结构平均拉应力值，使疲劳寿命降低。,69,4.6,焊接应力和变形,4.6.3,焊接残余应力的分布、影响和消除,3.焊接残余应力的影响,(4)对焊件加工精度和尺寸稳定的影响,(5)对裂纹扩展的影响评定焊接区裂纹状态时，必须考虑焊接残余应力。在计算裂纹扩展驱动力应力强度因子,K,I,时，残余应力,r,用拉应力的当量值,3,来考虑残余应力对裂纹扩展的贡献，即：,3,=,r,r,其中,r,和裂纹的类型,(,穿透裂纹、埋藏裂纹、表面裂纹)及裂纹方向(和熔合线平行的裂 纹、和熔合线垂直的裂纹、角焊缝裂纹)有关。,70,4.减少和消除焊接残余应力的措施与方法,从,设计,和,焊接工艺,两方面减少焊接残余应力,(1)设计上减少焊接应力的核心是正确布置焊缝,，从而避免应力叠加，降低应力峰值。,尽量减少焊缝数量，减少焊缝尺寸和长度。,焊缝应避免过分集中,(图,),，,有足够距离，要 尽可能避免交叉，以免出现三向复杂应力。,焊缝不要布置在高应力,区及断面突变的地方，,以避免应力集中。,采用刚性较小接头。,翻边替插入管。,71,4.6,焊接应力和变形,4.6.3,焊接残余应力的分布、影响和消除,4.减少和消除焊接残余应力的措施与方法,(2)工艺上减小焊接应力的方法,采用合理的焊接顺序和方向。让大多数焊缝在刚性较小的情况下施焊。,缩小焊接区与结构整体之间的温差，从而础小焊接内应力。整体预热，采用较小的线能量。,锤击焊缝。减小焊接应力与变形。,减少氢含量及消氢处理。,(3)消除残余应力方法主要是焊后消除残余应力,对厚度超过一定尺寸的锅炉、压力容器受压元件，均应进行焊后热处理以消除内应力。,72,4.6,焊接应力和变形,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,工件焊后一般都会产生变形，如果变形量超过允许值，就会影响工件使用。,变形产生的主要原因是焊件不均匀地局部加热和冷却。因为焊接时，焊件仅在局部区域被加热到高温，但加热区域金属因受到周围温度较低的金属阻止，却不能自由膨胀；而冷却时又由于周围金属的牵制不能自由地收缩。结果这部分加热的金属存在拉应力，而其它部分的金属则存在与之平衡的压应力。当这些应力超过金属屈服极限,(,s,),时，将产生焊接变形；当超过金属强度极限,(,b,),时，则会出现裂缝。,73,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,焊接变形的形式,焊接变形可能是多种多样的，最常见的有五种基本形式或者是这几种变形的组合。,图(,a),是平板对接焊接以后产生的纵向和横向,收缩变形,；,图(,b),是平板对接后的,角变形,；,图,(c),是圆筒件焊缝布置偏离焊件形心轴形成的,弯曲变形,；,图(,d),是薄壁焊件焊后产生的,波浪形变形,。,图,(e),是梁柱结构焊接时容易出现的,扭曲变形,。其中收缩变形、弯曲变形属整体变形，而另外几种形式为局部变形。,74,75,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,2.焊接变形的影响因素,(1)焊缝位置对焊接变形的影响结构对称的焊缝，只产生纵向和横向缩短,;,不对称时，则会引起弯曲变形,;,而当焊缝截面重心偏离接头截面重心时，则会产生角变形。,(2)结构刚性的影响：受同样大小的力，刚性大的结构变形小，刚性小的结构则变形大。,焊接变形总是沿着结构 或焊件刚性的约束最小的方向进行。,76,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,2.焊接变形的影响因素,(3)装配和焊接次序的影响：多条焊缝焊接时，刚性约束大小取决于装配焊接次序。对截面对称、焊缝对称焊接结构，可采用先装配成整体的方法。,对复杂焊接结构，因为焊缝多，各焊缝引起的变形相互影响，难以控制，因此必须采用部分装配、焊接、再装配、再焊接的次序，以控制总体焊接变形。,(4)其他影响因素：焊接变形还和坡口型式、装配间隙、焊接规范、焊接方法也密切相关。,77,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,3.控制焊接变形的方法,为了控制和减小焊接变形，应采用必要的合理设计方案和工艺措施。,(1)合理的设计方案,保证承载能力条件下，应尽量减小焊缝数量、长度和尺寸。应合理安排焊缝的位置，使结构中所有焊缝尽量对称于截面中性轴，或接近中性轴，以减小焊件的变形。,(2)必要的工艺措施,预留收缩余量。在工件备料时加一定收缩余量。一般焊缝的纵向收缩量按焊缝的长度来计算。数值和坡口、接头型式及板厚有关。,78,反变形法,用经验或计算方法，须先判断工件在焊后可能发生变形大小和方向,，,在焊前装配时、预先将焊件向将要变形的反方向摆放或人为变形,，,控制得当，可使得到正确形状，防止残余变形。,79,反变形法,薄壁壳体管座焊接结构,80,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,选择合理的焊接方法和规范,采用能量集中热源和快速焊接方法,;,使用气保焊替代气焊和,SMAW,，可减小变形；,使用,SMAW,焊时，多层焊比单层焊变形小；,增加焊接速度，也能减小焊接变形。,合理的装配焊接次序,把大型结构适当地分成几个部件，分别装配焊接，然后再拼焊成整体。,81,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,刚性固定法,焊前将结构固定夹紧，依靠外加约束减小焊接变形，但是刚性夹持阻止了焊件的自由收缩，将在构件内部产生较大内应力，应针对焊件材料和结构形式慎重选择。,82,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,采用合理的焊接顺序,83,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,4.矫正焊接变形方法,即使采用控制变形方法，构件焊接后难以避免产生变形。当焊件超出产品技术要求所允许焊接变形时，都要求焊后进行矫正，使之符合产品质量要求。,矫正的实质是使焊接构件产生新的变形，以抵消焊接时所发生的变形。,矫正焊接变形过程往往增加构件的内应力。因此矫正变形之前最好先消除焊接残余应力，以免矫正变形时构件发生局部破裂。生产中常用,机械矫正和火焰加热矫正,84,4.矫正焊接变形方法,(1)机械矫正法：用机械加压或锤击产生塑性变形方法。,锤击或辗压焊缝应在刚焊完时进行。锤击应均匀、适度，避免锤击过分产生裂纹。,85,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,4.矫正焊接变形方法,(2)火焰矫正法：火焰加热矫正法是利用火焰局部加热后的冷却收缩，来抵消该部分伸长变 形。加热部位必须正确，火焰加热矫正的加热温度一般为600800。,火焰加热校正法,86,4.6.4,焊接变形的形式、影响因素及控制方法,4.矫正焊接变形方法,(3)矫形时，要特别注意钢种:,对耐腐蚀的零部件不宜使用锤击方法，以防产生应力腐蚀;,对具有晶间隙蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材不宜用火焰矫形,可能产生敏化倾向；,对冷裂倾向较大的高强钢要少用机械法矫形，因该法易产生冷作硬化。,87,4.,7,焊接缺陷及检验,1.,概念,:,焊接过程中或焊后一段时间内，由于焊接的原因(冶金、材料或内外力)，在焊接接头范围内产生的金属材料分离现象(局部断裂)。,裂纹是一种最危险焊接缺陷，端部尖锐，张开位移比裂纹长度小得多。防止焊接裂纹是焊接结构设计和制造的重大内容。,焊接裂纹 母材原始裂纹,88,4.,7,焊接缺陷及检验,现代焊接技术是完全可以得到高质量的焊接接头的。但是，焊接生产：,(1),生产工序繁多；,(2),使用多种工艺装备和焊接材料；,(3),受操作者的技术水平等许多因素影响；,因此，焊接极易出现各种各样的焊接缺陷。,89,4.7.1,焊接缺陷,1,.,焊接缺陷分类,(1),外部缺陷,分几何尺寸和形状缺陷,尺寸缺陷：焊缝长、宽不齐，高低不平；,形状缺陷：咬边，凹坑，焊瘤，烧穿；,(2),内部缺陷,分体积性和平面缝隙状缺陷,体积性缺陷,气孔,(porosity),夹渣,(inclusions),缝隙状缺陷,未熔合,(lack of fusion),未焊透,(lack of penetration),裂纹,(cracks),90,4.7.1,焊接缺陷,2.,焊接缺陷特点、形成原因,(1),尺寸缺陷,长度和宽度不够、焊道宽狭不齐、表面高低不平、焊高低于母材、焊脚两边不均。,主要原因：,坡口角度不恰当,或装配间隙不匀；,焊接电流过大或过小；,焊接速度不当,或焊条倾角不合适；,电弧长度控制不稳等。,91,4.7.1,焊接缺陷,2.,焊接缺陷特点、形成原因,(2),焊缝的形状缺陷,:,指焊缝表面形状可以反映出来的不良状态，会降低焊缝的质量。,咬边,由于焊接,参数选择不当，或,操作工艺不正确，,沿焊趾母材部位产,生的沟槽或凹陷。,咬边分为内、外咬,边或者焊缝两侧同,时咬边。,92,4.7.1,焊接缺陷,2.,焊接缺陷特点、形成原因,(2),焊缝的形状缺陷：,凹坑,焊缝表面或背面形成低于母材表面局部低洼。它发生在焊缝表面或焊缝根部。,烧穿,熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷。发生烧穿现象必须修补填平。,焊瘤,熔化金属流淌到焊缝之外的未熔化母材上所形成的金属瘤。,根部凹坑 外,(a),内,(b),焊瘤,93,4.7.1,焊接缺陷,2.,焊接缺陷特点、形成原因,(3),体积性缺陷,气孔,焊接时，熔池中气体在凝固时未能逸出所形成的空穴称为气孔。,夹渣,焊后残留在焊缝中熔渣称为夹渣。它在焊缝中形状有单个点状夹渣、条状夹渣、链状夹渣和密集链状夹渣等。,气孔 夹渣,94,4.7.1,焊接缺陷,2.,焊接缺陷特点、形成原因,(4),缝隙状缺陷,未焊透,焊接接头根部未完全熔透的现象叫未焊透。易出现在单面焊根部和双面焊中部。,未熔合,焊道与,母材之间或焊道与,焊道之间，未完全,熔化结合的部分称,为未熔合，,95,4.7.1,焊接缺陷,2.,焊接缺陷特点、形成原因,(4),缝隙状缺陷,裂纹,(cracks),焊接时，新界面产生的缝隙称为裂纹。裂纹具有尖锐的端部和大的长宽比的特征，按其产生方向及部位不同，可分为纵向、横向、熔合线、根部裂纹、弧坑裂纹以及热影响区裂纹等。,裂纹是焊缝中最危险,的缺陷，,大部分焊接,构件破坏是由裂纹造,成的。焊接接头中不,允许有裂纹存在。,96,4.7,焊接缺陷及检验,4.7.2,焊接裂纹,1.,焊接裂纹分类,：焊接裂纹种类繁多，其区分也有较大不同，一般按裂纹发生,时期和部位,分类。,(1),热裂纹,(hot cracks),；,(2),冷裂纹,(cold cracks),(3),再热裂纹,(reheat cracks),(4),层状撕裂,(lamellar tearing),97,4.,7.2,焊接裂纹,2.,焊接裂纹形态,树枝状裂纹,98,4.,7.2,焊接裂纹,2.,焊接裂纹形成的一般条件,高强钢桥梁，造船钢结构，冷裂纹，占90。石化装置或动力设备，热裂纹则占多数。,珠光体耐热钢，其再热裂纹又很容易出现。裂纹的产生有,两个原因,。按内因外因论：,(,1),内因：,一定材料在特定温度区间存在致脆因素,使接头具体部位在拉伸应力作用下发生开裂。,(,2),外因：,拘束造成的应力应变是造成开裂的主要原因之一。开裂过程必须要求有一定的应力作用，而焊接过程中的局部不均匀加热过程必然造成接头在焊接的冷却过程中由于结构整体的拘束而受到拉伸应力应变。,99,4.,7.2,焊接裂纹,3.,热裂纹,(1)焊接热裂纹的特征,大多数发生在凝固过程中，也有凝固之后。,发生在焊缝或热影响区的近缝区,多数在焊缝表面开口，有氧化色彩。,裂纹一般具有高温沿奥氏体晶界开裂性质。,SAW,凝固热裂纹,(solidification cracking),100,4.,7.3,焊接裂纹,3.,热裂纹,(2),形成机理：,焊缝及近缝区凝固过程中,当存在低熔点共晶体时，由于焊接冷却速度快，当晶粒已凝固，而晶界处于液态，变形阻力几乎为零时，若焊接拉应力较大，沿晶界拉开，形成裂纹。,101,3.,热裂纹,(3)影响因素,焊缝化学成份的影响,焊接中的许多低熔共晶体是焊接冶金反应的产物。凡能产生低熔共晶体的元素都是促进热裂的元素；凡能细化晶粒或产生高熔点化合物或能使低熔点共晶体成球状或块状分布的元素均对抑制热裂有效。,102,3.,热裂纹,(3)影响因素,焊缝断面形状的影响,深而窄的焊缝由于宏观偏析主要集中于焊缝中间，易形成热裂纹，为此在厚板埋弧自动焊时要特别注意调节焊接电流与电弧电压的比例，使焊缝形状系数大于1.31.5。手弧焊时焊缝截面小，电流低，不易造成深而窄的焊缝。,103,影响焊缝形状系数的因素,104,3.,热裂纹,(3)影响因素,焊接工艺及焊件结构的影响,焊件结构和焊接工艺直接影响到焊接接头的拘束度，反映在焊接拉伸应变大小上，它对热裂纹的影响属于力学因素。,105,3.,热裂纹,(4)预防焊接热裂纹的措施,预防热裂纹基本措施是严格控制焊缝化学成份，限制碳、硫、磷杂质元素含量，也可在焊接材料中加入足够脱硫剂。,采取工艺措施，如焊前预热、伴热、用大线能量(应保证焊缝形状系数不过小)。,尽量降低焊件刚性等，减小焊接内应力。,106,4.,冷裂纹,(,1),冷裂纹的特征,冷裂纹是焊接低合金高强度钢、中合金钢和中碳钢等易淬火钢材时最易产生的焊接缺陷。,焊后冷至较低温度下产生,对低合金高强度钢一般产生于马氏体转变温度以下或更低温度。,主要产生热影响区，产生焊缝区可能性极小。,端口具有发亮金属光泽，裂纹无分叉，常具有延迟性。,(2)产生原因：冷裂纹产生的本质，是焊件热影响区的低塑性组织(淬硬组织)、焊接接头中的氢和焊接应力综合作用的结果。,107,4.,冷裂纹,/,(3)影响因素,钢的淬硬倾向,焊接时近缝区会产生硬而脆的粗大马氏体组织，当受到焊接拉应力作用时就易开裂，淬硬倾向越大，越易产生裂纹。,钢材化学成分对硬度的影响可用碳,C,d,当量表示：,108,4.,冷裂纹,/,(3)影响因素,氢的作用,氢所诱发的冷裂纹，从潜伏、萌生、扩展，以至开裂具有延迟断裂和特征，至于延迟时间长短和焊接接头的应力水平以及氢的浓度有关。,临界应力左图，临界氢浓度右图,临界氢含量和化学成分及碳当量有关。,109,4.,冷裂纹,/,(3)影响因素,氢的作用,(,续,),研究表明：母材本身的含,氢量对冷裂纹不起主要作,用，主要焊接过程中溶解,的原子或半电离状态氢。,富氢区的形成：,电弧高温分解溶解,冷却溶解度过饱和,扩散冷却条件不同,两条温度转变线,AB,边界,热影响区富氢区,110,4.,冷裂纹,/,(3)影响因素,焊接应力的作用,当焊接应力为拉应力、氢析集和材料淬火硬化同时发生时，极易发生冷裂纹。,厚板焊接更易根部冷裂,一是因为厚板刚性大，,二是因为厚板冷却快，,促使产生淬硬性组织，,三是焊接应力大所致。,热应力,相变应力,拘束应力,左图示出氢在应力中扩展。,111,4.,冷裂纹,(4)预防冷裂纹的措施,冷裂纹是三个因素的综合作用，排除或削弱其中任何一个因素都对防冷裂有利。若仅存在某一因素的作用，冷裂纹也不致产生。,最大限度降低焊缝氢含量。焊条和焊剂要高温烘干，去除潮气，清除坡口区域的油锈水。焊后加热到200300，以利于氢扩散逸出。,焊前预热，焊后缓冷。用预热、伴热和焊后热处理以及采用大线能量施焊均利于氢的逸出和降低淬火倾向。,严格控制母材含磷量，以防冷脆。,采取有利于降低焊接残余应力的措施。,112,5.,再热裂纹,(1)再热裂纹的特征,再热裂纹是在焊后消除应力热处理再加热到540930范围内产生的,裂纹沿热影响区的粗晶区的晶界扩展；,呈树枝状分枝的晶间裂纹，裂纹扩展到焊缝或母材的细晶粒区就终止了。,热影响区粗晶区 裂纹形态,113,5.,再热裂纹,(2)再热裂纹形成机理,焊后消除应力热处理再加热受到550700时经过保温，合金碳化物弥散析出在位错线上，强化了晶内，同时粗晶区晶界的强度低，塑性差，再加热过程中，残余应力释放，晶界强度又低于晶内，导致晶界开裂。,114,5.,再热裂纹,(3