钢管焊接及力学性能.ppt

钢质管道焊接及力学性能,主要介绍焊接种类、方法、焊材、母材（工件）、焊接方案的选择、焊接焊接工艺评定、常见焊接缺陷、应力集中。,一、焊接的概念及焊接分类,1、焊接定义：通过加热、加热熔化加压的方法，或加热加压两者并用的方法，得到永久牢固的联接。 2、焊接分类 熔化焊： *弧焊特点：线能量小，焊剂包住电弧 *气焊（ofw）； *气体保护焊：二氧化碳、钨极氩弧焊（gtaw）； *熔化极气体保护焊gmaw（含药芯焊丝电弧焊fcaw） *电渣焊esw ； *摩擦焊frw ；,焊接分类,压力焊：电阻焊、摩擦焊、爆炸焊等； 钎焊：铜焊、锡焊；。,二、手工电弧焊（焊条电弧焊）,原理：手弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，即是利用焊条与焊件间的电弧热，将焊条和焊件熔化，从而形成接头的焊接方法。焊接过程中，焊条药皮熔化分解生成气体和熔渣，在气、渣的联合保护下，有效的排除了周围空气的有害影响，通过高温下熔化金属与熔渣间的冶金反应、还原与净化金属得到优质的焊缝。,手工电弧焊特点,设备简单，使用灵活、方便。 适应性强，适用于室内外平、立、横、仰各种位置的焊接。 生产效率低。 焊工劳动强度大。 对焊工的操作技能要求高，焊缝质量在很大程度上取决于焊工的操作水平。,手工电弧焊应用,手弧焊在燃气管道安装施工中应用十分广泛，一般可以焊接低碳钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等各种材料。 主要工艺参数：手弧焊的焊接工艺参数，主要是指焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接层数、电源种类和极性等,三、钨极氩弧焊 （钨极气体保护焊）,原理：是用钨作电极，氩气作保护气体和电弧介质，通过钨极与工件间的电弧热，熔化母材和焊丝的焊接方法。 特点： * 引弧比较困难，特别是冷态引弧或交流电焊接时重复引弧困难。 * 适用于非铁金属极其合金的焊接。 * 可见度好，可全位置焊接，焊缝表面光滑。 * 电流密度小，生产效率较低。 * 操作方便，设备及控制装置简单，价格便宜。,钨极氩弧焊主要工艺参数,钨极方面有：钨极成分、直径、端部形状等； 气体和电弧方面有：氩气纯度、流量、喷嘴孔径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、接头型式等,四、药芯焊丝半自动焊,原理：焊丝通过送丝轮送进，导电嘴导电，母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母材熔化，以焊芯中的焊剂形成的气体保护电弧和熔池进行焊接，焊丝既是电极又被不断熔化填入熔池，冷却结晶后形成焊缝,药芯焊丝半自动焊,特点 *由于不需要更换焊条，减少焊缝接头，焊缝表面成形美观。 *电流密度大，热量集中，熔敷率高，因此焊接生产效率高。 *弧光强烈，烟气大，要加强劳动防护。,五、主要接头型式及坡口,对接接头：在同一个平面上两板件相对端面焊接而形成的接头。这种接头受力状况好，应力集中小，能承受较大的静载荷或动载荷，是压力容器和压力管道应用最多的接头形式。对接接头坡口型式为i型、v型、y型和u型。 角接接头：是由两块板件端面构成的直角形式的接头。其主要坡口形式为i型、单边y型、y型和双单边y型等。 t型接头：是指一板件与另一板件相交构成直角或近似直角，以角焊缝或组合焊缝连接的接头形式。主要坡口形式为i型、单双边v型等。 搭接接头：是指两板件部分重叠在一起进行焊接所形成的焊缝。主要坡口形式为i型坡口和塞焊坡口。,坡口及焊接位置图,板状对接,板状角焊缝,管状对接,管状角接,管板全焊透 角焊缝试件,六、焊接材料及选用,焊接材料是发展焊接技术的一个重要方面，在实际施工中，焊接材料选用的合适与否，直接关系到焊缝质量的好坏，甚至关系到焊件的安全使用，因此，我们在实际工作中要认真核查焊接材料的选用是否合适，以保证焊接质量的合格，进而确保焊缝的安全运行,焊接材料及选用-焊条（1）,a、焊条的组成：电焊条是手工电弧焊使用的焊接材料。焊条由焊芯和压涂在焊芯表面的药皮组成，不同的焊芯与不同的药皮组成不同型号的焊条，以适应不同用途的需要。 焊芯：在高温下熔化，与焊件母材熔合形成焊缝。焊芯成分对焊缝质量有很大的影响,焊接材料及选用（2） -焊条,焊芯的牌号用“h”表示，后面的数字表示含碳量，其它合金元素的表示方法与钢的表示方法大致相同。例如： h08：表示含碳量约为0.08%的钢芯； h10mn2：表示含碳量约为0.10%、含锰量约为2%的合金钢芯。 h0cr21ni10：表示含碳量0.08%、含铬量约为21%、含镍量约为10%的不锈钢芯。,焊接材料焊条药皮,药皮的作用：*稳弧；*造气保护；*造渣保护；*脱氧、去硫、去磷；*渗合金；*套筒保护作用。 组成：主要由矿物、铁合金、有机物、水玻璃等四类物质组成。根据原材料的特点可以分为稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、稀释剂和粘结剂等 类型及特点：,焊接材料焊条药皮,（1）高纤维素钾（钠）型：药皮中加入约30%的纤维素，或再加入少许钙钾化物。主要靠造气保护，渣很少。使用时限用大电流，可全位置焊，也可打底焊。如e4310(j425)、e5010、e5011(j505)等。 （2）钛钙型：药皮含氧化钛30%以上，还有20%以下的碳酸钙、碳酸镁。渣流动性好，易脱渣，电弧稳，熔深适中成形美观，可交直流全位置焊。如e4303(j422)/e5003(j502)等,焊接材料焊条药皮,（3）低氢钠型：主要组成物碳酸盐和莹石，熔渣的碱度高，机械性能好，抗裂性好，但工艺性能稍差，焊条要加强烘干，宜用短弧焊，可用直流反接全位置焊。如e4315(j427)、e5015(j507). （4）低氢钾型：在低氢钠型的基础上加入稳弧剂，稳定电弧，改善工艺性能，可用交、直流电源，但冲击性能比低氢钠型药皮稍有降低。如e4316(j426)、e5016(j506).,焊接材料酸性焊条、碱性焊条,概念：如焊条药皮中的氧化物多为酸性氧化物，其熔渣的化学性质呈酸性，此类焊条称为酸性焊条。反之，药皮中含大量碱性氧化物，同时还含有氟化钙的焊条为碱性焊条。 特点： *酸性焊条药皮中主要有tio2、mno2、feo、sio2等氧化物，氧化性强，元素烧损大，含氧、氮高，故机械性能差；酸性渣脱硫能力差，所以抗裂性差。优点是其工艺性好，对油、锈、水不敏感，抗气孔能力强，可用交直流电源。,焊接材料酸性焊条、碱性焊条,*碱性焊条药皮中主要有caco3、caf2、sio2、mgco3及大量铁合金，故脱氧、脱硫、磷能力强，机械性能和抗裂性均较好；缺点是工艺性差，对油、锈、水敏感，易产生气孔，只能用直流电源施焊。 各类焊条型号中，符号尾数为15、16者为碱性焊条，又称低氢型焊条。,焊接材料 焊条的分类、型号和牌号,焊条按用途可以分为以下几类：碳钢焊条、低合金钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条等； 我们常用的是碳钢焊条、低合金钢焊条和不锈钢焊条 。,焊接材料焊条的型号和牌号,碳钢焊条的型号与牌号（通常抗拉强度不大于490mpa） e 如e4303 e表示焊条 表示熔敷金属的抗拉强度最小值（kgf） 适用的焊接位置（0和1：全位置；2：平焊与平脚焊；4：向下立焊） 组合时表示焊条药皮类型及采用的电流种类（钛钙型）,焊接材料焊条的型号和牌号,e 5 0 1 5 e表示焊条 表示熔敷金属的抗拉强度最小值为50 kgf。 全位置焊接 组合表示低氢钠型药皮，直流反接。,焊条的型号和牌号,焊条型号：考虑药皮类型、电源种类、熔敷金属的强度、焊接位置，以国标为基础。 牌号是对焊条产品的具体命名，由焊条厂家制定。 如牌号j427的焊条，型号是e4315，j422的型号是e4303。 再如e6010：e表示焊条；60表示熔敷金属抗拉强度最小值mpa；1表示焊接位置，0、1表示全位置，2表示平焊、平角焊，4表示立向下；0表示药皮种类（高纤维素钠型、直流反接），电弧吹力大。,焊条的型号和牌号,焊条牌号的含义： *j表示结构钢，r表示耐热钢，a表示不锈钢。 *第二、第三位表示焊条熔敷金属抗拉强度最小值 第四位表示焊条的种类：2表示酸性，6、7表示碱性。 钢质管道焊接施工,焊接管道钢用下向焊焊条及 焊接工艺,主要是纤维素立下向焊焊条及铁粉低氢型立下向焊焊条，如e6010、e7048、e8018等 手工下向焊接技术经历了全纤维素型下向焊混合型下向焊复合型下向焊的发展过程。 除在寒冷地区或强度级别较且管壁较厚的大口径管道中，全部采用低氢型下向焊条，一般都和纤维素下向焊条使用，即用纤维素焊条打底焊、热焊，低氢型焊条填充焊、盖面焊的混合型手工下向焊技术。 复合型下向焊是指打底焊及热焊采用纤维素焊条下向焊方法，填充焊用盖面焊采用酸性焊条或碱性焊条向上焊方法的焊接工艺。,焊接工艺,若用上向焊进行根焊不能连续焊接，只能采用灭弧法施焊，速度太慢，而且缺陷多，因此采用下向焊进行根焊和热焊，以获得良好的根焊质量和速度。而用上向焊进行填充和盖面，利用其焊层厚的特点，减少焊接遍数，提高整体焊接速度，亦即将两各焊接方法优势互补。其主要应用于壁厚较大的管道。,焊接工艺,管径小于250mm、壁厚在8mm以下的管道宜采用3.2mm焊条对于管径较大、壁厚较厚的管道可采用4mm焊条进行根焊。热焊的目的在于加强根焊，并通过输入热量使焊道保持较高温度而防止根焊焊道产生裂纹等缺陷。 预热：预热有利于和加速氢气逸出，从而降低焊道产生裂纹的敏感性，此外还能减少热影响区的硬化。预热温度取决于钢材的化学成分和管壁厚度。当壁厚超过20mm时，任何情况下均须预热。 通常150就能达到预热目的，对于含碳量较高或强度级别较高的钢种预热温度应提高到200 而对于薄壁管，预热到50100 即可。,七、焊条选用的原则 （1）,根据被焊工件的化学成份、力学性能、焊接性能、并结合结构特点、使用条件及焊接方法，综合选用焊材。 *等强性：同种钢焊接时按等强原则，异种钢焊接时按强度较低侧的钢材选用焊条。 *化学成份相同或相近：符合或接近母材的化学成份。 *抗裂性、抗气孔性。 *可焊性好。 碳素钢、低合金钢的焊缝金属应保证力学性能。对耐热型低合金钢还要考虑热强度、保证化学成份。 对高合金钢：保证力学性能和耐蚀性。 安全、经济、效率综合考虑。 举例：20与16mnr选j427经济，20与16mnr两种母材之间的焊接，焊条选用上限不超过16mnr。,焊条的选用原则（2）,碳钢焊条的选用：一般按焊缝与母材等强的原则选用，但在焊缝冷却速度大时，可选用强度比母材低一级的焊条；而厚板的多层焊及焊后需进行正伙处理的概况，可选用强度高一级的焊条。不同强度级别的母材组焊，应选用强度级别较低的焊条 低合金钢焊条的选用：对强度级别较低的钢材，与低碳钢焊条相同，基本上按等强的原则选用；对于强度级别较高的钢材，应侧重考虑焊缝的塑性和韧性；对于低合金异种钢焊接时，焊条按强度级别较低的钢种选用，而焊接工艺则依照强度级别较高的钢种的工艺，同时还要注意其它因素 。,焊条的选用原则（3）,不锈钢焊条的选用：主要依据熔敷金属的化学成分和母材相同或相近的原则，以满足焊缝的耐腐蚀性能。对于铁素体不锈钢，为简化工艺，往往选用铬镍奥氏体不锈钢焊条进行施焊。,焊条的选用原则（4）,焊条牌号是按其抗拉强度标注的，如j507，其抗拉强度为50kgf，而某些钢材的钢号标注的是屈服强度，如q345，其屈服强度是345mpa，抗拉强度应为510mpa（即50kgf），应换算成抗拉强度后再按其选用焊条。 低合金高强钢焊接时，其根焊（即打底焊）应选用强度等级低一级的焊条，以防止由于焊接线能量小，冷却速度快而产生冷裂纹的现象。对于根焊必须根据管道直径及壁厚选择焊条直径、焊接速度和焊接电流。 高压燃气管道的焊接一般采用下向焊工艺，其焊条基本上采用的是美国标准的焊条，因其焊条型号中的强度单位与国标不一致，要经过换算才能配用。如e6010纤维素焊条，其抗拉强度值约为600.7=42kgf，而不是60kgf。,八、常用的母材或焊件、工件,碳素结构钢： *其牌号有代表屈服强度的字母“q”表示，后面的数字表示该牌号钢材的最低屈服强度值，再后面的符号表示质量等级与脱氧方式。如牌号q235-d表示： * q屈服强度代号； * 235最低屈服强度值为235mpa； * d-表示质量等级为d级（d级质量钢为镇静钢，故镇静钢符号省略）。 * sy5297及gb/t9711.1标准中的数字表示意义与此相同。,常用的母材或焊件、工件,优质碳素结构钢： *以钢中含碳量的万分之几平均数来表示，如： * 10钢表示钢的平均含碳量为万分之十，即0.10%； * 20钢-表示钢的平均含碳量为万分之二十，即0.20%； *按冶金质量将优质碳素结构钢分为优质钢、高级优质钢（a）和特级优质钢（e）。,常用的母材或焊件、工件,合金结构钢 以平均含碳量的万分之几标出阿拉伯数字；其合金元素含量的平均数少于1.5%时，仅标出元素符号，一般不标出含量；当其含量达1.50-2.49%、2.50-3.49%、22.50-23.49%时，则在元素符号后面相应标出2、3、23等数值 。 25cr2ni4wa：表示平均含碳量为0.25%，铬的含量大于1.5%，镍的含量为4%左右，钨的含量小于1.5%，a表示为高级优质钢。,常用的母材或焊件、工件,不锈钢：牌号前面的数字表示含碳量的代号，即当含碳量0.15%时，用“1”表示，有时也可不标；当含碳量0.08%时，用“0”表示，即低碳不锈钢；当含碳量0.03%时，用“00”表示，即超低碳不锈钢。其它化学元素的表示方法与合金结构钢的表示方法相似。母材分类,九、钢的可焊性 （1）,定义：钢材的可焊性是指在一定的焊接工艺条件下，获得优良焊接接头的能力 。 a、工艺可焊性主要指焊接接头出现各种裂纹的可能性，亦称抗裂性。 b、使用可焊性-主要指焊接接头在使用中的可靠性和其他特殊性能（如耐热、耐蚀、耐低温、抗疲劳、抗时效等）。,钢的可焊性）（2）,评价钢材可焊性常用的方法是碳当量估算法，即是将钢中各种合金元素对钢材焊接性能的影响程度，粗略地折算称碳的影响来评价焊接时产生裂纹倾向及脆化倾向的一种估算方法。 对低碳钢及低合金钢，国际焊接学会推荐碳当量计算公式如下： ce=c+mn/6+cr/5+mo/5+v/5+ni/15+cu/15. *当ce0.6%时，可焊性差。,十、焊接工艺评定,概念：在产品焊接之前，以钢材焊接性能试验为基础，结合焊材特点，拟定焊接工艺评定，对试件进行评定、试验，从而确定焊接工艺能否保证焊接接头具有所要求的使用性能。 wps：焊接工艺指导书。,焊接工艺评定-标准,（1）jb4708-2000钢制压力容器焊接工艺评定 （2） gb50236-98现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范 （3） sy/t0452石油天然气金属管道焊接工艺评定 根据设计要求选用相应标准 jb4708-2005钢制压力容器焊接工艺评定，包括气瓶、压力容器、压力管道、锅炉。,焊接工艺评定-过程,拟定作业指导书（wps）； 焊接试件； 无损检测； 力学性能试验； 汇总试验数据； 编制评定报告（pqr）。,焊接工艺评定三大要素,（1）重要因素：影响焊接接头强度和弯曲性能； （2）补加因素：影响焊接接头的冲击韧性； （3）次要因素：对力学性能无明显影响的因素。 低氢可以代替非低氢，反过来就不行。如设计用j427，则不能用j422代j427，因为冲击韧性相差较大。 另外，sy/t0452 认为坡口型式为主要因素，而gb4708认为坡口不作为主要因素。,焊接工艺评定规则,当变更任何一个重要因素时要重新评定； 当变更一个补加因素要补做冲击韧试验； 当变更次要因素，重新编制工艺指导书； 对接评定：管子适用板材，反之亦可，适用角焊缝；骑座式适用于承插式角焊缝。 石油天然气金属管道焊接工艺评定,焊接工艺评定试件种类,十一、焊接缺陷 （1）概述,1、尺寸不符合要求 2、表面缺陷：咬边、焊痕内凹、未焊透、表面气孔、表面夹渣等。 3、内部缺陷：气孔、夹渣、裂纹、未熔合。,焊接缺陷（2）裂纹,焊接裂纹：有热裂纹、冷裂纹焊后冷却裂纹（低合金钢、高强度钢 产生裂纹的三大要素： 焊缝的淬硬组织（马氏体m），硬。 有较高的含h量。 焊接应力。,焊接缺陷（3）-裂纹,裂纹防止措施：焊接烘干坡口水份，采用合理的焊接工艺，消氢、后热、消应力处理。 热裂纹产生的原因：接头刚度过大、母材含s量过高、根部间隙过大。 热裂纹应对措施：采用低氢焊条、使用含mn高的低氢焊条、保持合适的间距，收弧时要把弧坑填满。 冷裂纹产生的原因及应对措施：母材中含合金元素量高、接头刚度过度、接头冷却速度过快、焊条吸潮； 冷裂纹应对措施：预热，使用低氢焊条，使用c当量低、韧性高、抗裂性好的焊条；预热、正确安排焊接顺序；进行预热或后热，控制层间温度，选择合适的焊接规范；焊前焊条烘干，选用难吸潮焊条或超低氢焊条。,焊接缺陷（4）-焊接应力,热应力：不锈钢会产生 应力产生的原因：含h和淬硬组织。 易淬火钢：15crmo cr5mo cr9mo 等 层间温度预热温度，如预热温度150度，层间温度应为100度200度。 焊后热处理：750780度。 后热：300度350度；缓冷：可以过一两天再热处理。 注意：当焊件温度低于0度时，所有钢材的焊缝应在始焊处100mm范围内预热到15度以上。对于l360及以下的钢材，环境温度在5度以上时可不预热，直接进行焊接；对于l415及以上的钢材，焊前必须预热到100度150度。,其他焊接缺陷产生的原因,气孔产生的原因：焊材未烘干、坡口除锈不好、操作电弧稳定性不好，而在焊接熔池中形成气泡。 夹渣产生的原因：是裂纹源，跟前一层焊道的清理、坡口角度、焊接速度、焊条角度、运条方法及电流大小有关。 咬边的原因：盖面时把母材烧凹陷。电流大、电弧长、焊接速度快、运条方法不当，焊条选择不当，要求0.5mm，连续长度100mm，两侧咬边总长度之和焊缝全长的10%。 注：不锈钢、低合金钢不允许咬边。,十二、焊接缺陷对焊接结构承载能力的影响,材料力学基本概念回顾： 构件的承载能力主要由以下三个方面来衡量， 第一、要求构件具有足够的强度。所谓强度是指构件在载荷作用下抵抗破坏的能力。 第二、要求构件具有足够的刚度。所谓刚度是指构件在外力作用下抵抗变形的能力。 第三、要求构件具有足够的稳定性。所谓稳定性是指构件保持其原有平衡形态的能力。,材料力学的基本假设,连续性假设 均匀性假设 各向同性假设 小变形条件,内力的概念,物体因受外力而变形，其内部各部分之间因相对位置改变而引起的相互作用力就是内力。 按照连续性假设，在受力构件的截面各处都有内力作用，所以内力是分布于截面上的一个分布力系。实际上内力是这个分布力系的合力,应力的概念,为了说明分布内力系在截面内某一点处的强弱程度引入内力集度的概念。 设在某一受力构件的m-m截面上，围绕a点取微小面积f，如图所示：,f上的内力的合力为p，这样，在f上内力的平均集度为：pm=p/f。 pm称为f上的平均应力。,内力的平均集度为平均应力,低碳钢的应力-应变图,a弹性阶段 ： 应力和应变成正比； b.屈服阶段：超过b点后-曲线图上出现一段近似水平的小锯齿线段 ； c.强化阶段：过了屈服阶段-曲线又开始向上攀升，直至最高点e 。强化阶段最高点对应就是强度极限或抗拉强度，记作b（材料的机械性能指标）。,低碳钢的应力应变图,应力集中的概念,由于构件截面形状或尺寸突然变化而引起的局部应力急剧增大的现象称为集力集中。,应力集中产生部位及其危害,某些带有沟槽，孔洞、阶梯轴的构件、压力容器接管根部的应力集中系数可以在有关的手册中查到。小孔构件的角越尖，孔越小，截面尺寸改变的越急剧，应力集中程度就越大。 为什么要控制焊缝余高？余高过高就会在焊缝两侧引起应力集中。,应力集中产生部位及其危害,焊缝中的缺陷，如裂纹、未焊透、未融合、气孔、夹渣及焊缝表面的咬边都会造成应力集中。 其中面状缺陷如裂纹和未融合造成的应力集中最为强烈，应力集中系数大于3，而体积型缺陷造成的应力程度弱一些。如气孔夹渣等。未焊透，咬边等缺陷的危害介于二者之间。,应力集中对构件强度的影响 我们最关心的问题,应力集中对构件强度的影响与构件的材料有关。对于塑性材料由于有屈服现象，每当应力集中处的最大应力max达到屈