焊接结构及焊接缺陷

1,过程设备安全保障技术焊接结构,一、焊接过程 与焊接接头1、焊接过程(钢铁材料的 熔化焊) 加热熔化 冶金反应结晶 固态相变形成接头,2,2、焊接接头的组成,熔合区,热影响区,热应变脆化区,焊缝金属,3,对接焊接接头,4,角焊焊接接头,5,对接焊接接头(多道焊),6,(1).焊缝金属： 由熔池的液态金属凝固而成，由填充金属和部分母材组合而成。 熔池高温低温：结晶(液态凝固)二次结晶(温度低于相变温度)。 (2).熔合区： 温度处于固相线与液相线之间，过热组织 温度梯度大、狭窄，部分熔化状态(半熔化区)晶粒十分粗大， 化学成份与组织性能都有较大的不均匀性。 薄弱地带：过热组织、晶粒粗大塑性和韧性下降。 许多情况下是裂纹、局部脆性破坏的发源地。,7,(3).热影响区： 焊缝两侧发生组织性能变化的区域。 不同特性的母材在不同焊接热循环作用下，热影响区的组有很大差别。特别是过热区是整个焊接接头中最薄弱的地带。(4).热应变脆化区： 塑性和韧性显著下降，另一薄弱地带。 低碳钢、低合金高强度钢、低合金低温钢 氮含量较高 热应变脆化现象 温度600200、250最敏感。 脆化程度与温度及在该温度下产生的热应变量有关。,8,3、焊接接头的力学性能,9,10,11,二、焊接变形,1、焊接变形的产生及危害 P.6 焊接时焊接接头局部区域的加热和冷却很不均匀，导致焊接变形与焊接应力的产生。 局部区域内的各部分金属：液态塑性状态弹性状 态 + 热源的变化应力、变形 危害： (1).降低装配质量、降低尺寸精度、影响外观质量、造成 错 边、棱角。 (2).降低结构的承载能力：应力集中、附加应力 (3).装配困难、制造成本增加：如需矫形后方可装配。,12,2、焊接变形的基本类型 P.4(1).纵向/横向收缩变形： 平面内尺寸的减小 产生原因：冷却收缩. 纵向：平行于焊缝度方向. 横向：垂直与焊缝长度方 向,13,(2).角变形(局部变形),焊缝厚度方向上横向收缩量不均匀: 焊缝截面形状不对称、 施焊层次不合理:,14,(3).弯曲变形,由焊缝纵向和横向变形引起焊缝布置偏离焊件的形心轴,15,(4).失稳变形 (局部变形): 多见于薄壁构件 波浪变形(5).扭曲变形 变化着的角变形,16,3、影响焊接变形的因素 P.13. (1).焊缝位置的影响 (2).结构刚性的影响 刚性大的变形小 焊接变形总是沿着刚性约束最小的方向进行. (3).装配焊接程序的影响. (4).焊缝长度和坡口的型式的影响 焊缝越长,焊接变形越大 坡口内空间越大,变形也越大 (5).焊接规范和方法的影响. (6).焊接操作方法的影响 (7).材料线胀系数的影响,17,装配焊接程序的影响,18,焊接操作方法的影响,19,4、控制焊接变形的措施 P.31,结构设计、工艺改进 (1).合理的结构设计 a. 焊缝数量、长度、尺寸、焊缝金属减少 b. 用型钢、冲压件代替拼焊件 c. 合理安排焊缝位置 (2).必要的工艺措施 a. 预留收缩余量 b. 反变形法. c. 选择合理的焊接方法和规范,20,21,22,23,24,d. 刚性固定法：外加约束 硬刚性约束法、软刚性约束法、半硬刚性约束法,25,e. 合理的装配焊接次序：分装焊拼焊 f. 热调整法5、矫正焊接残余变形的方法 矫正: 产生新的变形(方向残余变形)抵消已有焊接变形 两类方法：机械矫正、火焰加热矫正. 适用条件: 依钢种定 (1).机械矫正 较短尺寸处塑性伸长(延展),26,机械矫正,27,机械矫正,28,机械矫正,29,(2).火焰加热矫正 较长尺寸处局部塑性压缩 影响矫直效果的因素: 火焰加热的位置和火焰热量 火焰加热与机械力共同作用下矫正,30,31,三、焊接残余应力,产生原因：加热和冷却不均匀+不能自由冷却(有约束)1、焊接应力的种类 (1).按应力形成的原因分类: a.热应力 b.拘束应力 c.组织应力 d.氢致集中应力. (2).按应力和焊缝位置关系分类 板形焊件: a.纵向应力b.横向应力c.厚度方向应力. 圆形构件: a.径向应力b.切向应力c.轴向应力.,32,2、焊接残余应力的危害,(1).降低结构的承载能力 工作应力+残余应力强度和稳定性降低、疲劳强度降低. (2).影响焊件加工精度和尺寸稳定性 残余应力+时间释放(时效) 变形 (3).产生裂纹、加速蠕变和应力腐蚀开裂 应力(包括焊接残余拉应力)+腐蚀介质应力腐蚀开裂 残余拉应力+焊接缺陷形成裂纹扩展 残余拉应力+高温蠕变加速 (4).增加制造成本 消除焊接残余应力费时、费力、费物,33,3、焊接残余应力的分布,厚壁(20mm)焊接构件：三向应力 薄壁(20mm)：忽略厚度方向的应力二向应力 纵向 平行(沿着)焊缝方向 横向 垂直焊缝方向(1).分布特点 焊后有收缩趋势部位 拉应力. 阻止焊后收缩部位 压应力. 局部分布 焊缝两侧200300mm很快衰减焊缝布置、施焊顺序、各焊缝之间干涉影响残余应力.,34,(2).纵向残余应力 x焊缝处xs(拉应力),35,36,(3).横向残余应力y y =y+y y 焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起 y“ 焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩不同时引起,37,38,39,40,4、焊接残余应力的测定 P.25,机械测定法、物理测定法. (1).机械测定法 应力释放法 测量宏观残余应力原理: 含残余应力部件局部分离或分割残余应力局部释测量变形应用弹性力学求出残余应力. 全破坏应力释放法: 切条法、车削法、刨削法. 半破坏应力释放法: 小孔(盲孔)释放法、套孔释放法. 工程常用方法 小孔(盲孔)法,41,小孔(盲孔)法,42,(2).物理测定法,无损测定法 测宏观和微观残余应力. X射线衍射法、电磁测量法、超声波测量法、云纹法、 脆性涂层法工程上常用方法 X射线衍射法.,43,5、减小焊接残余应力的措施,优化结构设计、调整焊接工艺 (1).设计措施 核心: 正确布置焊缝 避免应力叠加, 降低应力峰值. a. 尽量减少焊缝的数量、截面尺寸、长度 b. 避免焊缝过分集中、避免交叉、保证焊缝间的 距离,44,45,46,c. 焊缝避开应力集中区,47,48,d. 采用刚性较小的接头形式,49,(2).工艺措施,a. 合理的焊接顺序和方向. 基本原则: 减小焊接时结构刚性 减小拘束度 先短后长、先中央后两端、先焊大收缩量焊缝、先对 接焊后角焊、 先焊工作应力大的焊缝、交叉焊缝焊接顺序 b. 缩小焊接区与结构整体之间的温差：整体预热、小线能量 c. 锤击焊缝,50,51,d. 减小氢含量及消氢处理 焊条：选碱性低氢型焊条和碱性焊剂 烘干后用 焊接时：环境温度、坡口表面. 焊后:消氢处理 e. 局部加热造成反变形,52,53,6、消除焊接残余应力的方法,(1).必须消除焊接残余应力的场合 考虑因素: 构件用途、尺寸(特别是厚度)、材料、 工作条件等. a. 厚度超过一定限度的压力容器与受压元件. GB150-98钢制压力容器规定 碳素钢厚度大于32mm、16MnR厚度大于30mm、 15MnVR厚度大于28mm应做焊后热处理， 其他低合金钢任意厚度均需进行焊后热处理.,54,b. 有应力腐蚀危险的结构c. 盛装毒性为极度危害或高度危害介质的容器d. 有发生脆断危险的厚截面复杂结构. e. 不消除残余应力难以保证加工精度的结构,55,(2). 焊后消除残余应力的方法 热处理法、加载法,a. 焊后热处理 目的：消除焊接残余应力、防止产生裂纹 改善焊接接头的性能、提高塑性、降低硬度. 原理：利用高温时材料屈服强度下降和蠕变现象， 使焊接残余应力松弛. 方法：整体法、局部法.,56,b. 加载法 原理：力焊接接头拉伸 残余应力区塑性伸长松弛残余应力. 方法：机械拉伸法、温差拉伸法、振动法,57,机械拉伸法：maxs,58,温差拉伸法 温差塑性变形消除应力,59,四.焊接结构的缺陷分析,1.焊接缺陷的分类 (1)一般分类 a. 按缺陷位置分:内部缺陷、外部缺陷 b. 按缺陷形状分:二元（平面）缺陷、 三元（体积型）缺陷 c.按缺陷特征分: 裂纹、夹渣、气孔、 未焊透、未熔合、咬边等 d.按缺陷部位分: 表面缺陷、埋藏缺陷、 贯穿缺陷,60,（2）ISO分类,ISO65201982“金属熔化焊缺陷分类与说明”， 按缺陷特征分为： a. 裂纹 b. 孔穴(气孔和缩孔) c. 固体夹渣(金属夹渣、 熔剂夹渣物、氧化物夹渣） d. 未熔合和未焊透 e. 成型缺陷 f. 其它缺陷（飞溅、弧伤、磨痕等）,61,（3）国标分类,GB641786 “金属熔化焊缺陷分类与说明” 与ISO65201982等效 a. 裂纹 b. 孔穴 c. 固体夹渣 d. 未熔合和未焊透 e. 形状缺陷 f. 上述以外的其它缺陷,62,（4）焊接裂纹分类,裂纹面型缺陷最危险的缺陷 a. 按所在区域分：焊接接头裂纹、热影响区裂纹、 母材裂纹 b. 按所在部位分：内部裂纹和外部裂纹、或分为 焊趾裂纹、焊根裂纹、焊道下裂纹、 终端裂纹及表面裂纹 c. 按裂纹的尺寸分：宏观裂纹、微观裂纹 d. 按裂纹的走向分：纵向裂纹、横向裂纹、星形裂纹、 八字裂纹与网状裂纹 e. 按裂纹的成因和本质分 ：冷裂纹、热裂纹、再热裂纹 层状撕裂,63,64,2. 外部缺陷,（1） 形状缺陷外观质量粗糙 危害：应力集中、降低疲劳承载能力、影响美观,65,（2）尺寸缺陷焊缝几何尺寸不符标准,危害： 尺寸过小 承载面减小 尺寸过大 削弱疲劳强度,66,（3）咬边焊趾的母材部位产生凹陷或沟槽,危害：减少母材的承载面、产生应力集中要求：咬边深度不大于0.5mm,67,（4）弧坑焊道末端形成低洼部分,危害：弧坑处往往有气孔、夹渣、裂纹等缺陷允许深度：0.5mm,68,（5）烧穿穿孔,69,（6）焊瘤熔化金属流淌道焊缝以外未熔化的 母材上所形成的金属堆积,危害: a. 焊瘤下面往往伴随着未熔合、未焊透等缺陷 b. 形状突变应力集中 c. 管内焊瘤影响物流,70,3.内部缺陷,(1)气孔 位置: 内部气孔、外部气孔 分布: 疏散气孔、密集气孔、连续气孔 危害: 密集气孔不允许存在,疏散气孔危害小,71,(2)夹渣,危害: 易引发裂纹,造成应力集中,72,(3)未焊透接头根部未完全熔透而留下空隙的现象,危害: 减小有效承载面积,产生应力集中,易引发裂纹 评定时当作裂纹处理允许:未焊透允许存在,但其尺寸(长、深)均有严格限制,73,(4)未溶合,部位: 焊道与母材间, 焊道与焊道间危害: 类似于裂纹当作裂纹处理,74,(5) 过热组织结构缺损过热组织、晶粒粗大,危害: 显著降低焊接接头的塑性和韧性措施: 通过正火处理细化晶粒,改善接头性能(6) 过烧晶粒粗大、且晶间氧化危害:比过热危害程度更大,且无法通过热处理改善接头性能(7) 裂纹不允许存在分类: 冷裂纹、热裂纹、层状撕裂,75,a. 热裂纹高温裂纹、凝固裂纹,接头冷却过程中温度处于固相线附近的高温区产生的裂纹，热裂纹主要发生在晶界，并